Historia geológica del oxígeno atmosférico
Antes de la fotosíntesis la atmósfera terrestre no tenía oxígeno libre, pero los microbios procariotas comenzaron a producir oxígeno como un subproducto hará unos 3.500 millones de años. Nosotros entendemos que un organismo fotosintético rompa el CO2 atmosférico y la molécula de agua para producir oxígeno según la fórmula: Luz +nCO2+ nH2O > (HCHO)n + nO2
Si no había aire tampoco hay CO2, pero la realidad es que los primeros organismos fotosintéticos fueron anaerobios. En la fotosíntesis el Sol excita electrones que son usados por la planta para formar enlaces de alta energía en moléculas orgánicas. Estos electrones proceden, de una molécula dadora de electrones, que hoy dia es el agua. Aquellos organismos fotosintéticos que usaban el agua como fuente de electrones eran de hecho anaerobios. Esto es posible ya que la fotosíntesis libera ATP trifosfato de adenosina, (C 10 H 16 N 5 O 13 P3) con 13 oxígenos, que es utilizado para obtener energía en la síntesis de moléculas orgánicas, pero producían más ATP del usado en esta síntesis.
Esos organismos rompían el agua y empezaron a transformar la atmósfera, a saturarla de ese oxígeno sobrante. Pero ese oxígeno desapareció de la atmósfera para oxidar minerales, principalmente hierro, que iba al fondo marino. La atmósfera tenía pequeñas cantidades de oxígeno 50 millones de años antes de la Gran Oxigenación.
A partir de este evento de oxígeno atmosférico hace 2000 millones de años los organismos fotosintéticos en el Precámbrico comenzaron la producción de oxígeno, pero en ausencia de plantas la producción de oxígeno era lenta y apenas alcanzó un 2%. El consumo de oxígeno para oxidar metales limpiaba la atmósfera del oxígeno producido.
Ahora tenemos 21% atmosférico bastante estable con un consumo (respiración de animales, incendios y combustión de todo tipo de combustibles) que no supera la producción de oxígeno de los organismos fotosintéticos (plantas y microbios).
El porcentaje de oxígeno atmosférico visto desde hace 3800 millones de años hasta hoy. Desde el comienzo hace 4.500 millones de años hasta 2.400 millones de años no hay oxígeno en la atmósfera. Luego 1.200 millones de años con 1-2% solamente. A la derecha, en el borde, el 21% actual.
Entonces, hace 2.000 millones de años, los porcentajes de 1 y 2% subían y bajaban, sin efectos directos sobre la vida monocelular, que vivía sin aire, la bacteria.
La fotosíntesis es un proceso mediante el cual la energía solar excita electrones que son usados por el ser vivo para formar moléculas orgánicas. La planta verde realiza la fotosíntesis con cloroplastos.
Antes de la fotosíntesis (2.300 millones de años) ya existían seres vivos microscópicos, microbios procariotas (3.000 millones de años).
Hace 541 millones de años, en el período Cámbrico apareció la vida compleja, multicelular. El metabolismo aeróbico es mucho más eficiente que el anaeróbico. El periodo Carbonífero heredó la situación del precedente Cámbrico, hace 350 millones de años con un porcentaje de oxígeno libre que fue creciendo hasta el 35% atmosférico. La vida prosperó mucho durante el Cámbrico.
Flujo de lava en Hawaii, con emisión de C02 a la atmósfera.
¿A que se debe el 35% de oxígeno? La fotosíntesis seguía produciendo oxígeno, pero no había consumo, y el oxígeno se acumulaba en la atmósfera.
Las cianobacterias
Son un organismo monocelular que obtiene su energía gracias a la fotosíntesis, le llamamos el alga verde-azul. Es procariota, pero el alga es eucariota.
Los procariotas carecen de núcleo y su material genético está disperso en el citoplasma. Se reproducen por mitosis, la bacteria se parte en dos, dos células genéticamente idénticas. El eucariota es más moderno, tiene núcleo con su ADN estructurado en cromosomas, se reproduce por meiosis o por sexo.
Un volcán submarino emite C02 a la atmósfera.
Las cianobacterias utilizan la energía de la luz para romper las moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones.Al producir oxígeno como subproducto de la fotosíntesis han convertido la atmósfera primitiva de reductora en oxidante. Reducen el CO2 y lo convierten de hidrato de carbono, vía el ciclo Calvin. Tenemos evidencias de cianobacterias hace 2.100 millones de años, e indicios de 2.700 millones de años. Los niveles de oxígeno atmosférico comienzan hace 2.400 millones de años y se mantuvieron en el 1%, e incluso menos, hasta hace 800 millones de años. A partir de esta fecha el oxígeno comienza a crecer hasta llegar al 35% hace 600 millones de años.
Causaron la Gran Oxigenación, estimularon la biodiversidad e indirectamente extinguieron los microbios anaerobios, que no toleran el oxígeno, y crearon la fotosíntesis de los eucariotes, las plantas. Fijan el nitrógeno. Las cianobacterias están presentes hoy día en todas partes, incluso en agua salada o caliente. ¿Podemos usarlas para producir energía eléctrica? Extraemos del subsuelo los combustibles basados en algas, tales como diésel, gasolina, combustible de aviación. La empresa Algenol es bien conocida.
Además de la vida libre, las cianobacterias se unen por simbiosis con las plantas, hongos y líquenes. Forman colonias en forma de filamentos o láminas, esporas, que protegen la bacteria en condiciones ambientales difíciles. La cianobacteria fija el nitrógeno atmosférico, y lo convierte en amoníaco, nitritos o nitratos.
El oxígeno molecular atmosférico
La evolución química de la Tierra funde los átomos de hidrógeno a elevadas temperaturas, para formar nuevos átomos: inicialmente dos átomos de hidrógeno más dos neutrones dieron lugar a un átomo de gas helio. Luego el carbono se originó a partir de helio y berilio (formado por dos átomos de helio), y posteriormente el oxígeno se forma a partir de átomos de helio y carbono. La ruptura de las moléculas de agua crea el oxígeno molecular 02 y pasa a la atmósfera.
La capa de ozono atmosférico se formó como consecuencia del oxígeno molecular. En la parte alta de la atmósfera las moléculas de oxígeno fueron alcanzadas por la radiación solar ultravioleta produciendo una molécula triatómica de oxígeno:03, denominada Ozono. Esa capa de ozono forma un filtro muy eficiente de la radiación UV, dañina para el ADN de los organismos vivos.
Historia geológica de porcentajes
El gráfico adjunto Stages muestra dos cambios de porcentaje: Entre Stages 1 y 2 a 2.400 millones de años el porcentaje pasa de 0 a 1%-2%. Y luego hace 600 millones de años el porcentaje asciende al 35%, desciende y se estabiliza al 21% actual.
El paso de 0 al 1-2% se puede explicar, porque la bacteria necesita el gas C02. Sin aire tampoco habrá producción de oxígeno, pero las erupciones volcánicas de hace 2.400 millones de años volcaron a la atmósfera gran cantidad de C02, que las cianobacterias aprovecharon para producir oxígeno e introducirlo en la atmósfera. Entre 2.000-1.000 millones de años en el gráfico observamos un porcentaje estable. Nos indica que la producción fotosintética es de la misma magnitud que el consumo de oxígeno para la reacción con elementos químicos.
Sección de un tronco de árbol. Cada año la lluvia varía y con ella el porcentaje de oxígeno emitido por la planta a la atmósfera.
El porcentaje del 35% de hace 600 millones de años es difícil de explicar, parece indicarnos que la producción de C02 de base volcánica fue enorme, de ahí la alta producción de oxígeno atmosférico. Como el consumo de oxígeno era bajo éste se fue acumulando en la atmósfera. Pero el volcanismo volvió a su nivel tradicional de actividad, disminuyó el C02 atmosférico y de oxígeno, hasta llegar al porcentaje actual del 21%. El equilibrio actual entre producción y consumo estabilizado al 21% no es fácil de explicar.
Referencias
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