Breve historia de la vida y la atmósfera


BREVE HISTORIA DE LA RELACIÓN ENTRE LA VIDA Y LA ATMÓSFERA TERRESTRE

La cuestión de la vida sobre la tierra. Vivimos con la idea de que las condiciones físico-químicas de la biosfera, esa estrecha franja de nuestro globo terrestre donde se da el fenómeno de la vida, han permanecido inmutables desde los orígenes de la tierra. Pero esto no ha sido así. Ni los parámetros físicos, ni la composición química, han sido ajenos a la evolución que ha sufrido lo orgánico y lo inorgánico en los 4.500 millones de años con que cuenta nuestro, hoy, maltratado planeta. La composición actual de la atmósfera terrestre es consecuencia de una conjunción casual de factores y circunstancias aleatorias acaecidas durante este sensacional periodo de tiempo.

Puede que nos sorprenda que la envolvente gaseosa del planeta carecía de oxígeno en sus orígenes. Fue el fenómeno de la vida, aparecida en condiciones de ausencia de este gas, el que, después de una larga evolución, provocó el aumento significativo de la concentración de oxígeno atmosférico. La primera capa de gases que envolvió nuestro planeta se formó como consecuencia de erupciones volcánicas que lanzaron al espacio grandes cantidades de dióxido de carbono, vapor de agua, óxidos de azufre y de nitrógeno, con trazas de otros materiales, entre ellos, el oxígeno. La composición de la primera atmósfera terrestre contenía una alta concentración de dióxido de carbono, CO2, aproximadamente un 98%, y un 1,9% de Nitrógeno, N2, junto con cantidades menores de otros gases, como vapores de azufre, SOx, y óxidos de nitrógeno, NOx, hidrógeno, H2, metano, CH4, amoniaco, NH3, y pequeñísimas cantidades de oxígeno de oxígeno molecular, O2. Esta molécula simple, tan indispensable hoy para los animales y las plantas superiores, sólo representaría en la mezcla gaseosa inaugural una concentración despreciable en sentido matemático, además de tóxica para las primeras formas de vida que lo producían como un efluente desechable inútil.

La atmósfera original, que recibía del sol prácticamente la misma cantidad de energía que hoy recibimos (tabulada por la constante solar de 1.353 w/m2 a Masa de Aire 0, esto es fuera de la atmósfera), se encontraba a una temperatura de unos 563 grados Kelvin, o 293 grados centígrados. Esta alta temperatura se debía a la gran concentración atmosférica de CO2 y de vapor de agua, H2O, pues los enlaces químicos covalentes que forma el átomo de carbono con el de oxígeno y los que forma el átomo de oxígeno con el de hidrógeno, también de naturaleza covalente, son receptores adecuados para la energía transportada por ondas infrarrojas. La tierra, calentada por el sol, que le envía energía en forma de radiación visible, infrarroja y ultravioleta, emite al espacio energía radiante en forma, casi exclusivamente, de ondas electromagnéticas infrarrojas según la conocida ley de Stefan-Boltzman.

La temperatura media de la atmósfera terrestre es aquella a la que se produce un balance neto de valor cero entre la energía recibida (a la que habría que sumar la procedente del calor interno terrestre que se manifiesta en fenómenos de carácter geotérmico) y la emitida, descontando una cantidad insignificante que la vida utiliza para sí (y que se capta en el proceso fotosintético de los vegetales). La Tierra funciona como un sistema termodinámico cerrado que intercambia únicamente energía con el exterior. Si en la atmósfera hay una alta concentración de moléculas capaces de captar la energía recibida y devolverla en parte hacia la superficie terrestre, entonces la temperatura de la misma se mantendrá alta. Es por ello que las concentraciones de vapor de agua y de dióxido de carbono atmosférico influyen fuertemente en la temperatura de la franja de atmósfera y superficie terrestre llamada biosfera, por ser la que da cobijo a los seres vivos.

El vapor de agua y el dióxido de carbono son gases más pesados y densos que el oxígeno y el nitrógeno, principales componentes de la atmósfera actual, y por ello la presión que ejercían sobre la superficie, que es proporcional a la densidad atmosférica –principio de Arquímedes–, era muy superior. La atmósfera original podía asemejarse a una especie de olla en cuyo interior la presión era sesenta veces superior a la actual presión atmosférica. De modo que podemos afirmar que la vida se origina en unas condiciones similares a las que hoy reproduce, por ejemplo, un autoclave hospitalario (caldera de vapor que se utiliza para la esterilización, eliminación de microorganismos, del instrumental y el material sanitario.)

El oxígeno molecular O2 y su hermano atmosférico, producido por la acción fotoquímica de la componente ultravioleta procedente de la radiación solar, el ozono, O3, son moléculas químicas altamente oxidantes, máxime a temperaturas elevadas. Es decir, muy reactivas en las condiciones primigenias descritas. Por ello, una condición para la presencia de las primeras moléculas de hidrocarburos, cuyos principales constituyentes son el carbono y el hidrógeno, lo que hoy conocemos como moléculas orgánicas sobre las que se ha construido la vida en el planeta, fue la inexistencia de oxígeno atmosférico, pues con calor y presión, en presencia de este gas, los hidrocarburos se oxidarían por combustión formándose en última instancia CO2 y H2O. Por ello que el primer oxígeno terrestre puede perfectamente considerarse un veneno para las primeras formas de vida que debieron aparecer en unas condiciones anóxicas –ausencia de oxígeno–. Formas de vida con metabolismos anaerobios.

La imprescindible biodiversidad y el cierre en ciclos de los procesos metabólicos. La vida aparece en el planeta tierra en condiciones de atmósfera sin oxígeno, por tanto comparada con la actual, la atmósfera era, químicamente hablando, reductora. Esto ocurre hace aproximadamente 3.850 millones de años. En el caldo primigenio, los aminoácidos, las grasas y los azucares, se agruparon e interactuaron ordenadamente en superestructuras capaces de replicarse. Este proceso es conocido como biopoyesis. El mantenimiento del orden viviente requiere de un aporte energético externo, la vida que se autorregenera –es autopoyética– requiere de energía para producir el complejo orden que necesita su metabolismo y que conduce a su perpetuación.

Hoy afirmamos que la vida sobre la tierra no sería posible sin la radiación solar y esto fue así también desde sus orígenes, sin embargo, la primera vida no utilizaba la radiación solar como fuente directa de energía para subsistir. La energía se obtenía de la reducción de moléculas simples y oxidantes como el dióxido de azufre, SO2, o el óxido de nitrógeno N2O, y se utilizaba para la reducción del CO2 hasta la formación de compuestos hidrocarbonados, constituyentes de la materia orgánica. Los primeros organismos vivos que proliferaron serían del tipo de los que hoy denominamos, nitrificantes y sulforeductores, los cuales, utilizaban la energía obtenida para construir moléculas orgánicas con el hidrógeno y el carbono que el ambiente les ofrecía. Con el consiguiente crecimiento de la biomasa viva. Esto no implica, como ya hemos dicho, que el sol no fuese necesario para la vida desde su aparición, pues la temperatura de la potencial biosfera primigenia se debía entre otras cosas, a la energía de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre.

En estos primeros procesos metabólicos que construían materia orgánica a partir de CO2 y agua, utilizando también átomos de nitrógeno y de azufre, comenzó a aparecer un residuo metabólico que era el gas oxígeno. Si la biopoyesis hubiera continuado con este único proceso de asimilación y consumo de recursos químicos atmosféricos y la expulsión de los consiguientes residuos, en el plazo de 200 o 300 millones de años la vida se hubiese autoextinguido por agotamiento del recurso externo que la hacía posible. ¿Qué ocurrió para que esto no fuera así?. Apareció la diversidad. Aparecieron nuevas formas de vida que utilizaban los subproductos de las primeras, y que además eran tóxicos para las mismas, como el oxígeno molecular en las condiciones atmosféricas originarias. Aparecieron organismos aerobios que utilizaban el oxígeno para obtener la energía de moléculas de azúcares por combustión mediante lo que llamamos respiración metabólica. Pero, y lo más importante, aparecieron organismos que fueron capaces de aprovechar la luz solar para obtener la energía necesaria para su crecimiento y reproducción mediante procesos fotoquímicos y electroquímicos con analogías con la conocida fotosíntesis actual, organismos autótrofos. De este modo se consiguieron ciclos cerrados de los gases atmosféricos como el CO2, el N2, y el SO2.


Energía solar fuente de vida, la ecopoyesis. Podemos afirmar que la radiación solar es nuestra fuente de energía y que propició la transformación de la biopoyesis, proceso irreversible consumidor de recursos irrecuperables, en la ecopoyesis, proceso de cooperación entre distintas especies o comunidades bióticas, reversible por consumir energía del exterior y reutilizar las productos de desecho, o metabolitos. Porque la reversibilidad de los procesos metabólicos vitales lo que significa es que construyen vida a partir de materia inerte y energía, e inertizan la materia orgánica, cediendo energía al entorno. La ineficiencia del proceso, la fotosíntesis consume el 0,06% de la energía que llega a la Tierra para la producción neta de biomasa, está compensada por el permanente aporte de energía externa procedente del sol. Esta síntesis natural consume del orden de 4,4 Kwh por Kg de glucosa C6H12O6 generado. La eficiencia de la fotosíntesis es de un 5%, esto quiere decir que se necesitan unos 88 Kwh solares para fabricar este kilogramo.

En condiciones reales de crecimiento y cultivo donde intervienen factores como la disponibilidad de nutrientes y agua, la variabilidad climática, la competencia por la radiación, entre otros, y considerando además que los procesos metabólicos transforman la glucosa, los aminoácidos, las proteínas, y los nucleótidos en otros productos y subproductos, consumiendo energía, el rendimiento final de la fotosíntesis es de un 0,3%. Como se ve, el mecanismo que sostiene la vida sobre el planeta es realmente poco eficiente, claro que la fuente de energía es tan abundante que compensa sobradamente su escaso rendimiento. Algunas plantas son algo más eficientes porque utilizan durante la fase oscura líneas de síntesis de la glucosa diferentes, como la caña de azúcar, el maíz, el sorgo y otras de zonas desérticas.

Hoy sabemos que la vida sobre la tierra, tal y como la conocemos, se ha ido constituyendo durante un lentísimo proceso acompasado de la retirada del dióxido de carbono, de la generación de oxígeno y de un despacioso descenso de la temperatura y de la presión atmosférica primigenia. La biosfera actual es una obra en la que ha participado la vida durante más de tres mil quinientos millones de años. Si en tres siglos devolvemos a la atmósfera un alto porcentaje de un gas que se ha retirado de la misma durante millones de años, en tanto se producían lentos procesos adaptativos en los ecosistemas vivos, estamos provocando, sin remisión, un cambio brusco de las condiciones de equilibrio termodinámico atmosférico, y consecuentemente una alteración de las relaciones de interdependencia entre las especies y de éstas con su entorno no vivo. El cambio climático es una evidencia real y una amenaza certera para la humanidad y para las especies, en su actual configuración. La cuestión es si nuestra civilización, o tal vez, si nuestra especie, tendría futuro sobre un planeta tierra meteorológiamente convulso y recalentado.

La concentración de CO2 en la atmósfera ha pasado de 275 ppm en la etapa preindustrial –antes del año 1750– a 400 ppm en el momento actual. Si consideramos el resto de los gases de efecto invernadero de origen antropogénico que están siendo emitidos a la atmósfera, el aumento de la concentración de dióxido de carbono equivalente supone, en la actualidad, unas 170 ppm respecto de la existente en la etapa preindustrial. Tomando en consideración esta tendencia y para diferentes escenarios de crecimiento económico y de uso de combustibles fósiles, la temperatura media de la tierra podría ser en el 2100 entre 1.4 y 5.8 grados centígrados superior a la actual. Esto sin considerar la existencia de los fenómenos emergentes e imprevistos que pudieran contribuir a provocar variaciones de mayor calado.

@MarioOrtega