El origen de la fotosíntesis: La Gran Oxidación

El Origen de la Fotosíntesis

El origen de la fotosíntesis: La Gran Oxidación

Todos sabemos que la vida que conocemos se mantiene gracias a las plantas: ellas son fuente de alimentos (productores primarios) y del oxígeno que respiramos. Sin ellas, moriríamos. Pero esto no siempre fue así y el origen de la fotosíntesis, y con ella la producción masiva de oxígeno, desencadenó una de las mayores crisis biológicas y geológicas que conocemos: la Gran Oxidación. En los albores de la vida, la Tierra era muy distinta a como la conocemos ahora, así como los organismos que la poblaban y fue este evento, por increíble que parezca, el que definió la vida tal y como la conocemos ahora. Para conocer esta historia tenemos que remontarnos muy atrás en el tiempo, prácticamente hasta el origen del planeta en el que habitamos.

Según las dataciones y estimaciones, el planeta Tierra se originó hace unos 4.500-4.600 millones de años (m.a). En aquella época, en el eón Hádico, el Sistema Solar se estaba formando dentro de una gran nube de gas y polvo estelar. La Tierra era una gran bola de materia incandescente que paulatinamente se transformó en un cuerpo sólido. En este período se formó la corteza terrestre, la cual sufrió muchos cambios debido a las numerosas erupciones volcánicas. Es en esta época cuando se forma también la Luna, según la Hipótesis del Gran Impacto, la más aceptada actualmente. Aunque esa es otra historia.

Según diversos estudios, hace unos 4.400 m.a. ya existían océanos de agua líquida en la tierra, a pesar de una temperatura en la superficie de unos 230 °C. Esto sería posible gracias a una elevadísima presión atmosférica, debida fundamentalmente al CO2. Así pues, sabemos que en aquella época ya teníamos agua disponible, una corteza terrestre con numerosas erupciones volcánicas y una atmósfera, aunque era muy diferente a la que conocemos actualmente. Las erupciones volcánicas expulsaban gran cantidad de vapor de agua y dióxido de carbono a la atmósfera primitiva (protoatmósfera), la cual estaba además compuesta por gases reductores, como el amoníaco o el metano. Sin embargo faltaba el oxígeno gaseoso (O2) o era increíblemente escaso.

Cronología de la Tierra
Cronología de la Tierra

 

Fumarola negra en el Océano Atlánico
Fumarola negra en el Océano Atlánico

Aproximadamente, unos 500 m.a. después la formación de nuestro planeta, surgieron unas moléculas que tenían la increíble capacidad de producir copias de sí mismas: el primer replicador y con el paso del tiempo estas moléculas dieron lugar a las primeras células. Las evidencias sugieren que a finales del eón Hádico y comienzos del Arcaico, hace unos 4.000 m.a. o incluso antes, surgieron las primeras células primigenias, posiblemente en las chimeneas volcánicas submarinas conocidas como fumarolas negras, aunque existen otras hipótesis que sitúan el origen de la vida en otros lugares, algunos tan extraños como el interior de la Tierra. Probablemente estas células se parecían mucho a los actuales procariotas y contaban con una membrana celular y ribosomas, pero carecían de un núcleo y de orgánulos diferenciados, como mitocondrias o cloroplastos.

 

Pronto se formaron los primeros ecosistemas y, al igual que en los actuales, había depredadores y presas. Sabemos que hoy en día las plantas constituyen la base de las redes alimenticias, también llamadas redes tróficas, ya que son las únicas capaces de alimentarse exclusivamente de compuestos inorgánicos y transformarlos en compuestos orgánicos. Son lo que se denomina organismos autótrofos (del griego autos “uno mismo” y trophos “alimentación”). Estos organismos necesitan únicamente compuestos inorgánicos, como el CO2, y una fuente de energía externa que les ayude a transformarlos en compuestos orgánicos, fundamentalmente azúcares. Los primeros organismos autótrofos empleaban la energía química de las chimeneas volcánicas (quimiosíntesis). Hace unos 3.500-3.200 m.a. ya habían colonizado zonas situadas más cerca de la superficie y allí encontraron una nueva fuente de energía para fabricar sus nutrientes: la luz del sol. La fotosíntesis había nacido.

Sección de estromatolitos fósiles. Bioconstrucciones originadas por la producción, captura y fijación de partículas carbonatadas por parte de bacterias fotosintéticas. Uno de los indicios más antiguos de vida en la Tierra son las estructuras estromatolíticas de hace 3500 millones de años encontradas en Warrawoona (Australia), aunque estas bacterias todavía no liberaban O2 (fotosíntesis anoxigénica).
Sección de estromatolitos fósiles. Bioconstrucciones originadas por la producción, captura y fijación de partículas carbonatadas por parte de bacterias fotosintéticas. Uno de los indicios más antiguos de vida en la Tierra son las estructuras estromatolíticas de hace 3500 millones de años encontradas en Warrawoona (Australia), aunque estas bacterias todavía no liberaban O2 (fotosíntesis anoxigénica).

 

Estromatolitos actuales bahía shark
Estromatolitos actuales bahía shark

Hace 2.800 m.a. un grupo de bacterias llamadas cianobacterias desarrolló la habilidad de emplear el agua como donante de electrones en la fotosíntesis para elaborar sus nutrientes. Y como consecuencia de su actividad, comenzaron a emitir a la atmósfera el gas más tóxico y letal que existe: el Oxígeno.

Anabaena, un género de cianobacterias actuales
Anabaena, un género de cianobacterias actuales

¿Que el oxígeno es tóxico? ¡Pero si lo necesitamos para vivir! Sí, pero el oxígeno, en su forma molecular (O2) es muy oxidante, valga la redundancia. Esto significa que reacciona muy fácilmente con todo lo que toca, dando lugar a nuevas moléculas a través de un intercambio de electrones. El ejemplo más evidente lo encontramos en el hierro, que en contacto con el oxígeno forma óxido de hierro, dando lugar a lo que observamos como “corrosión”. Y también los organismos anaerobios que existían eran “corroídos” de esta forma y, por lo tanto, morían.

Al principio, esta aparición de O2 no supuso un gran problema, ya que el oxígeno reaccionó primero con el hierro y el azufre disueltos en el agua. El hierro oxidado no es soluble en agua, por lo que se acabaría depositando en el fondo marino, dando lugar a lo que conocemos como formaciones de hierro bandeado.

Formaciones de hierro bandeado, una de las principales fuentes de hierro en la actualidad.
Formaciones de hierro bandeado, una de las principales fuentes de hierro en la actualidad.

Cuando estos sumideros de hierro y azufre del agua se agotaron, hace unos 2.500 m.a., en el eón Proterozoico, es cuando surge la crisis. Las bacterias anaerobias que existían no pueden evitar entrar en contacto con el oxígeno y comienzan a morir, dando lugar a la primera extinción masiva de la historia. Pero algunas de ellas idearon un mecanismo para resistir la toxicidad del oxígeno. Al principio era simplemente una forma de contrarrestarlo, pero los organismos anaerobios descubrieron que además podían aprovecharse del oxígeno. Resultó que la oxidación de la glucosa y otras sustancias liberaba mucha más energía que la respiración anaerobia (como la fermentación), es decir, habían encontrado una fuente de energía mucho mejor que la que empleaban hasta entonces. La respiración aeróbica acababa de aparecer.

Aunque las dificultades provocadas por la toxicidad del oxígeno habían sido superadas, los problemas no terminaban aquí. Por aquella época el sol era un 6% más débil que ahora y los gases de efecto invernadero eran esenciales para hacer el planeta habitable, en especial el metano (CH4). El oxígeno comenzó a emitirse a la atmósfera y allí empezó a reaccionar con el metano dando lugar a dióxido de carbono (CO2), un gas con un efecto invernadero mucho más débil. Como además la mayoría de las bacterias anaeróbicas responsables de emitir metano a la atmósfera habían muerto envenenadas por el O2, el metano no se reponía. El efecto invernadero estaba desapareciendo y la Tierra pronto sufrió glaciación que duró 300-400 m.a. (la glaciación Huroniana) y acabó convertida en una gigantesca bola de nieve que vagaba por el espacio. Este invierno interminable casi acaba con los mismos organismos que lo originaron, ya que el hielo acumulado bloqueaba la luz solar. Se cree que la congelación del agua fue muy lenta, por lo que las capas de hielo, aunque eran de un grosor enorme, pudieron ser lo suficientemente transparentes como para permitir que llegara la luz solar y las bacterias fotosintéticas pudieran seguir realizando su actividad. Otras teorías sugieren que la glaciación no fue global, si no que en la zona ecuatorial persistieron zonas libres de hielo.

Imagen artística de la tierra cubierta de hielo
Imagen artística de la tierra cubierta de hielo

En cualquier caso, en un momento dado esta persistente glaciación llegó a su fin. La crisis había terminado y, aunque la Tierra ya no volvería a ser cómo en sus orígenes, nuevas posibilidades se abrían al desarrollo de la vida. Había una nueva forma más eficaz de obtener energía, lo que permitía adoptar formas más complejas, miles de nuevos minerales se habían creado gracias al oxígeno, lo que abría las puertas a nuevos hábitats y nuevas interacciones. Además se creó una eficaz barrera que nos protegía de la radiación nociva de los rayos UV: la capa de ozono. En definitiva, la vida se abrió paso a través de todas dificultades y el destino de nuestro de nuestro planeta y de la vida que alberga quedó inevitablemente ligado a la presencia del oxígeno y de los organismos que lo producen.

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