Oxígeno libre hace 3460 millones de años

Cristales de siderita con hematita en su interior (en rojo). En azul oscuro magnetita y pirita. Foto: H. Ohmoto, Y. Watanabe.

Rocas procedentes de una capa de 3460 millones de años de edad sugieren que no solamente el océano contenía abundante oxígeno, sino que la atmósfera era casi tan rica en este gas como lo es hoy en día.

No es fácil reconstruir las condiciones de la Tierra primitiva. Cuanto más atrás en el tiempo queramos viajar más difícil será la tarea. Además de la erosión, la propia tectónica va destruyendo las rocas, de tal modo que de las más antiguas quedan muy pocas. La información se pierde y la propia memoria del planeta se va despareciendo poco a poco. Además, durante gran parte del tiempo la vida era microbiana y fosilizaba mal.

Algo que no sabemos bien es cuándo surgió la vida sobre la Tierra. Se cree que fue muy pronto, al poco de formarse la Tierra, pero las pruebas que tenemos son escasas y controvertidas. Al principio los primeros seres serían bacterias quimiosintéticas, que obtendrían sus recursos de la energía química. En aquella época la Tierra debía de ser un planeta muy activo que se debía de desprender gran cantidad de compuestos químicos de todo tipo a través de su corteza. Su atmósfera era irrespirable para unos seres como nosotros. Era tóxica y no había oxígeno.

Pero en algún momento aparecieron los primeros organismos fotosintéticos. Éstos utilizaban la energía del sol para fabricar moléculas orgánicas a partir del agua y el dióxido de carbono. Como subproducto se desprendía oxígeno. El oxígeno es un gas muy reactivo, tóxico para la vida de aquella época. Las cianobacterias fotosintéticas se convirtieron en contaminadoras del planeta. Hay buenas pruebas de la existencia de microorganismos fotosíntéticos de hace 2400 millones de años como mínimo.

Ha habido polémica entre los expertos sobre cuándo oxígeno desprendido fue suficiente como para empezar a acumularse en la atmósfera. Al principio, y al ser tan reactivo, debía de combinarse químicamente con cualquier elemento o compuesto. El hierro debía de ser su blanco favorito.

En Australia y en otras partes del mundo hay gigantescos depósitos de mineral de hierro. Se cree que se formaron en aquella época y épocas posteriores. Están compuestos principalmente por hematita.

La hematita, hematites u oligisto es un mineral compuesto de óxido férrico (Fe2O3) y constituye una importante mena de hierro, conteniendo en estado puro el 70% en peso de este metal.

Mucha gente asume que la hematita en rocas antiguas se formó mediante la oxidación de siderita en la atmósfera moderna, pero ésta no es la única vía para su creación. También puede formarse en las profundidades oceánicas. Los compuestos de hierro expuestos a la luz ultravioleta del sol forman hidróxido férrico que se hunde en las profundidades en forma de pequeñas partículas que más tarde se convierten en hematita a una temperatura mínima de 60 grados centígrados. Hay varios ejemplos de este tipo de formación alrededor del mundo, por tanto solamente porque haya hematita no significa necesariamente que haya oxígeno en el agua o en la atmósfera.
Para averiguar cómo se formó la hematita de hace miles de millones de años y obtener pistas sobre si había no fotosíntesis en una época anterior a la asumida, Hiroshi Ohmoto, de Penn State, y sus colaboradores necesitaban obtener rocas de esa época que hubieran estado por debajo de las capas freáticas y no expuestas a la atmósfera. Viajaron hasta una formación geológica que se encuentra en el noroeste de Australia: Pilbara Craton. Esta formación estuvo una vez en el fondo de un mar primitivo y ahora está en el desierto australiano constituyendo un gran afloramiento.


Rocas bandeadas de la formación Pilbara Craton donde se realizó la perforación. Foto: Hiroshi Ohmoto, Yumiko Watanabe.


Los investigadores perforaron diagonalmente desde la base de la colina y hacia su interior para obtener muestras que no hubieran sido expuestas nunca al agua o a la atmósfera. Con la perforadora hicieron un viaje en el tiempo hasta llegar a rocas datadas en 3460 millones de años de edad.

En el siguiente paso determinaron si la hematita encontrada se formó cerca de la superficie del agua o en sus profundidades.

La clave para determinar si fue la luz ultravioleta o el oxígeno la que formo la hematita reside en la estructura cristalina de la propia hematita. Si el precursor se creó en la superficie, la estructura cristalina de la roca debe de estar hecha de pequeñas partículas agregadas formando grandes cristales con muchos espacios vacíos entre ellos. Con un microcopio de electrónico de trasmisión observaron las muestras obtenidas, pero no encontraron esa estructura cristalina. La hematita estaba formada por un cristal simple y por tanto no se formó mediante la acción de los rayos ultravioletas.

Esto podría pasar sólo si el océano profundo contenía suficiente oxígeno que entraba en contacto con fluidos ricos en hierro a alta temperatura. La formación de roca rica en hematita se formó probablemente de una manera similar a la que se forma la roca alrededor de las chimeneas hidrotermales actuales. Ohmoto y su equipo creen que estas capas de hematita se formaron cuando una bolsa de agua caliente, como las que se encuentran debajo de las chimeneas hidrotermales, convierten compuestos de hierro en hematita usando el oxígeno disuelto en el agua. Esto explica por qué la hematita es encuentra sólo en áreas de actividad volcánica submarina.

Este equipo realizó otras pruebas que confirman la presencia de altas concentraciones relativas de oxígeno en esa época a gran profundidad. Pero si había oxígeno disuelto en el agua a esa profundidad hace 3460 millones de años esto significa que debía de haber oxígeno libre en la atmósfera en abundancia. Estos investigadores sugieren que la cantidad de oxígeno en la atmósfera de la época debía de ser similar a la actual. Si viajáramos en una máquina del tiempo hasta esa época podríamos respirar en esa atmósfera (también dependería de la concentración de CO2).
Por tanto, en esa época debía de haber ya una vida microbiana abundante formada, presumiblemente, en su inmensa mayoría por cianobacterias fotosintéticas. El oxígeno provendría de la actividad fotosintética de estos microorganismos, que habrían estado aquí mucho antes de lo pensado y en gran cantidad como para producir esa cuantía de oxígeno. Por tanto, a partir de esto se estima que estaban sobre la Tierra unos 1000 millones de años antes de lo que se creía.

Todo esto implica que el origen de la fotosíntesis ocurrió como mínimo hace unos 3.500 millones de años y que la vida tuvo que surgir incluso antes de ese momento. Parece que este estudio da un duro golpe a la visión bastante extendida de que la fotosíntesis (o el oxígeno) no apareció hasta hace 2400-2700 millones de años.
Ohmoto está analizando el carbono de las muestras para saber si tienen un origen biológico o son simples artefactos químicos.

Esta hematita se puede utilizar para obtener hierro metálico. Las reservas australianas de este mineral son inmensas y proceden de esa época y de épocas posteriores. Mineral que es exportado a otros países. En un alto horno podemos mezclar este mineral de hierro con carbón procedente de Carbonífero, otro producto de la fotosíntesis (un poco más reciente), y obtener acero. Acero con el que fabricar la chapa o motor de su automóvil, la estructura metálica del edificio en el que vive (la dimensión biológica nos determina completamente) o una perforadora con la que taladrar una colina en una zona remota de Australia y cerrar así un círculo de 3500 millones de años.

http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo465.html