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Cómo la vida en la Tierra afectó su funcionamiento interno

Cómo la vida en la Tierra afectó su funcionamiento interno
Crédito: Instituto de Tecnología de California

Es bien sabido que la vida en la Tierra y la geología del planeta están entrelazadas, pero un nuevo estudio proporciona nueva evidencia de cuán profunda, literalmente, es esa conexión. 


por Robert Perkins, Instituto de Tecnología de California


Los geocientíficos de Caltech y UC Berkeley han identificado una firma química en las rocas ígneas que registran el inicio de la oxigenación de los océanos profundos de la Tierra, una señal que logró sobrevivir al horno del manto. Esta oxigenación es de gran interés, ya que marcó el comienzo de la era moderna de altos niveles de oxígeno atmosférico y oceánico, y se cree que permitió la diversificación de la vida en el mar.

Sus hallazgos, que fueron publicados en Proceedings of the National Academy of Science el 11 de abril, respaldan una teoría líder sobre la geoquímica de los magmas de arco insular y ofrecen un raro ejemplo de procesos biológicos en la superficie del planeta que afectan al interior de la Tierra.

Los arcos de islas se forman cuando una placa tectónica oceánica se desliza debajo de otra en un proceso llamado subducción. La placa de subducción desciende y libera fluidos ricos en agua en el manto suprayacente, lo que hace que se derrita y produzca magmas que finalmente ascienden a la superficie de la tierra. Este proceso construye volcanes de arco insular como los que se encuentran hoy en las islas japonesas y en otras partes del Anillo de Fuego del Pacífico. Finalmente, a través de la tectónica de placas, los arcos de islas chocan con los continentes y se incorporan a ellos, preservándolos en el registro de rocas durante el tiempo geológico .

Las rocas magmáticas o ígneas más abundantes son los basaltos, rocas de color oscuro y de grano fino que se encuentran comúnmente en los flujos de lava. La mayoría de los basaltos de la tierra hoy en día no se forman en los arcos de las islas sino en las dorsales oceánicas profundas bajo el agua. Una diferencia bien conocida entre los dos es que los basaltos de los arcos insulares están más oxidados que los que se encuentran en las dorsales oceánicas .

Una hipótesis destacada pero debatida para esta diferencia es que la corteza oceánica es oxidada por oxígeno y sulfato en las profundidades del océano antes de ser subducida en el manto, entregando material oxidado a la fuente del manto de los arcos de islas por encima de la zona de subducción.

Pero no se cree que la Tierra haya tenido siempre una atmósfera oxigenada y un océano profundo. Más bien, creen los científicos, la aparición del oxígeno y, con él, la capacidad del planeta para mantener la vida aeróbica, se produjo en dos pasos. El primer evento, que tuvo lugar hace entre 2.300 y 2.400 millones de años, resultó en un aumento de más de 100.000 veces en el O2 atmosférico en la atmósfera, hasta aproximadamente el 1 por ciento de los niveles modernos.

Aunque era dramáticamente más alta de lo que había sido anteriormente, la concentración de O2 atmosférico en este momento todavía era demasiado baja para oxigenar las profundidades del océano, que se cree que permaneció anóxico hasta hace unos 400 a 800 millones de años. Alrededor de ese tiempo, se cree que las concentraciones de O2 atmosférico aumentaron del 10 al 50 por ciento de los niveles modernos. Se ha propuesto que ese segundo salto permitió que el oxígeno circulara hacia las profundidades del océano.

«Si la razón por la que los arcos isleños modernos están bastante oxidados se debe a la presencia de oxígeno disuelto y sulfato en las profundidades del océano, entonces establece una interesante predicción potencial», dice Daniel Stolper (Caltech Ph.D. ’14), uno de los los autores del artículo y profesor asistente de Ciencias Planetarias y de la Tierra en UC Berkeley. «Sabemos aproximadamente cuándo se oxigenaron los océanos profundos y, por lo tanto, si esta idea es correcta, se podría ver un cambio en la oxidación de las rocas de los arcos de islas antiguas antes y después de esta oxigenación».

Para buscar la señal de este evento de oxigenación en rocas ígneas de arco insular, Stolper se asoció con la profesora asistente de geología de Caltech, Claire Bucholz, quien estudia las rocas de arco magmático modernas y antiguas. Stolper y Bucholz revisaron registros publicados de arcos de islas antiguas y compilaron mediciones geoquímicas que revelaron el estado de oxidación de las rocas de arco que estallaron hace decenas de millones a miles de millones de años. Su idea era simple: si el material oxidado de la superficie se subduce y oxida las regiones del manto que originan rocas de arco insular, entonces las rocas de arco insular antiguas deberían estar menos oxidadas (y por lo tanto más «reducidas») que sus contrapartes modernas.

«Ya no es tan común, pero los científicos solían cuantificar de forma rutinaria el estado de oxidación del hierro en sus muestras de roca», dice Bucholz. «Así que había una gran cantidad de datos esperando a ser reexaminados».

Su análisis reveló una firma distintiva: un aumento detectable de hierro oxidado en la masa de roca muestras entre 800 y 400 millones de años atrás, el mismo intervalo de tiempo en el que los estudios independientes propusieron la oxigenación del océano profundo ocurrió. Para ser exhaustivos, los investigadores también exploraron otras posibles explicaciones para la señal. Por ejemplo, se asume comúnmente que el estado de oxidación del hierro en rocas a granel puede verse comprometido por procesos metamórficos (el calentamiento y compactación de rocas) o por procesos que las alteran en o cerca de la superficie de la tierra. Bucholz y Stolper construyeron una variedad de pruebas para determinar si tales procesos habían afectado el registro. Es casi seguro que ocurrió alguna alteración, dice Bucholz, pero los cambios son consistentes en todos los lugares donde se tomaron muestras. «La cantidad de hierro oxidado en las muestras puede haber cambiado después del enfriamiento y solidificación,

Stolper y Bucholz compilaron adicionalmente otro proxy que también se cree que refleja el estado de oxidación de la fuente del manto de arco magma. De manera tranquilizadora, este registro independiente arrojó resultados similares al registro del estado de oxidación del hierro. Con base en esto, los investigadores proponen que la oxigenación de las profundidades del océano impactó no solo en la superficie de la tierra y los océanos, sino que también cambió la geoquímica de una clase importante de rocas ígneas.

Este trabajo complementa la investigación anterior de Bucholz que examina los cambios en las firmas de oxidación de minerales en rocas ígneas asociadas con el primer evento de oxigenación hace 2.300 millones de años. Ella recolectó granitos de tipo sedimentario, o tipo S, que se forman durante el entierro y calentamiento de sedimentos durante la colisión de dos masas de tierra, por ejemplo, en el Himalaya, donde el subcontinente indio choca con Asia.

«Los granitos representan sedimentos derretidos que se depositaron en la superficie de la Tierra. Quería probar la idea de que los sedimentos aún podrían registrar el primer aumento de oxígeno en la Tierra, a pesar de haberse calentado y derretido para crear granito», dice. «Y de hecho, lo hace».

Ambos estudios hablan de la fuerte conexión entre la geología de la Tierra y la vida que florece en ella, dice. «La evolución del planeta y de la vida en él están entrelazadas. No podemos entender una sin entender la otra», dice Bucholz.

El estudio de PNAS se titula «Aumento del neoproterozoico al fanerozoico temprano en el estado redox del arco insular debido a la oxigenación del océano profundo y al aumento de los niveles de sulfato marino».