La Atmósfera y sus Orígenes: Introducción

1) ¿Cómo se explica que algunos planetas tengan atmósfera y otros no?

Introducción

“El peso total de la atmosfera terrestre es de 5.000.000.000.000.000 toneladas, lo cual, pese a ser tan grande cifra, es, sin embargo, solamente la tercera parte del 1% del peso total del agua de los océanos”. En un principio, basándonos en la frase expuesta, tenderíamos a pensar que la atmósfera no es de gran importancia, nunca lo ha sido y no lo será, pero, estaríamos cometiendo un gran error. La atmósfera no refleja su gran importancia en su peso físico, más bien la subestima. Sus condiciones actuales (nitrógeno y oxigeno en un aproximadamente 99%, el resto lo componen argón y dióxido de carbono principalmente) la hacen esencial para la vida en la Tierra. Las proteínas, el esqueleto de la vida humana se componen casi en su mayoría de carbono, oxigeno, hidrógeno y nitrógeno. Las plantas, las cuales son las principales fabricas de oxigeno en la tierra, dependen del CO2 atmosférico (fotosíntesis). La atmósfera mantiene una temperatura apta para la vida, “si nuestra tierra no tuviera atmósfera, el agua herviría durante el día y por la noche se congelaría el alcohol", además de esto nos protege de los ya conocidos rayos UV, meteoritos, satélites, etc. Es de gran interés en variadas ciencias, en climatología se estudian sus diversos efectos, es aquí en donde se originan las nubes, las cuales posibilitan la lluvia, nieve y granizo. Por otro lado, en geología es por si misma un agente importante, reacciona químicamente con las rocas y las oxida, formando nuevos minerales. Pero las condiciones actuales no siempre fueron así, en un principio no era posible la vida en la tierra, existía un alto contenido de dióxido de carbono, faltaba oxigeno, altas presiones atmosféricas, temperaturas extremadamente elevadas, entre otros. Es por esto que tratamos de explicar el cómo, el cuándo y el dónde se originó, cómo fue evolucionando hasta lo que hoy conocemos, cómo se mantiene en un equilibrio, cómo se ve afectada con la vida humana, etc.

La atmósfera primitiva en comparación con la actual respecto a su efecto sobre la vida

A lo largo de los años, el universo ha ido sufriendo transformaciones considerables, por lo tanto no podemos dejar de mencionar los cambios que ha ido teniendo nuestro planeta, especialmente su atmosfera.
En un comienzo, el planeta Tierra poseía una atmosfera que contaba con una serie de factores que imposibilitaban la vida sobre esta, dentro de los cuales destacamos los 4 más importantes:

- Alto contenido de dióxido de carbono
- Falta de oxigeno
- Alta presión atmosférica
- Temperaturas extremadamente elevadas

Los contenidos de dióxido de carbono llegaban alrededor del 98% de la concentración total de la atmósfera. El oxigeno era prácticamente cero, la presión atmosférica tenia valores cercanos a los 60 bars y la temperatura era de 240 a 340 ºC. Todo esto hacía prácticamente imposible la existencia de vida.

La evolución de la vida a medida que se fue transformando la atmósfera se puede dividir en 3 etapas:

- Etapa prebiótica: Es antes de que existiera la vida debido a la hostil composición de la atmósfera.
- Etapa microbiológica: Comienza con la aparición de los primeros organismos procariontes, principalmente bacterias.
- Etapa biológica: En esta etapa comienzan a aparecer los organismos eucariontes y realizadores de fotosíntesis.

Los microorganismos se fueron originando en forma de bacterias y poco a poco se comenzaron a adaptar, haciéndose capaces de resistir condiciones ambientales y climáticas muy diferentes a las que conocemos hoy en día.

Con el tiempo, algunas partículas de dióxido de carbono y argón, entre otros, fueron liberadas al espacio, mientras que otras porciones de gases, provenientes de la superficie terrestre, se fueron incorporando a la atmósfera. Es así como comenzaron a aumentar los niveles de oxigeno y nitrógeno en la capa que rodeaba la Tierra, creando así un ambiente cada vez más apropiado para la existencia de vida, tanto vegetal como animal.

Los microorganismos comenzaron a evolucionar poco a poco y pasaron a convertirse, después de miles y millones de años, en las plantas, animales y seres humanos que habitamos en la actualidad el planeta Tierra.

“Las bacterias tienen una data de aproximadamente tres mil quinientos millones de años. Pero solo hace quinientos millones de años más o menos comenzaron a aparecer los primeros organismos multicelulares en la tierra. Luego se dio paso a la aparición de animales marítimos y posteriormente comenzaron a aparecer plantas y vegetación variada, insectos, reptiles, aves y mamíferos”.

Millones de años más tarde apareció el homo sapiens sapiens que tienen un registro de fósiles de aproximadamente unos 35.000 años.

Hoy en día, los organismos vivos del planeta Tierra, tenemos un rol fundamental en la atmósfera, ya que estamos en un continuo proceso de intercambio gaseoso con ella. Las plantas extraen el dióxido de carbono de la atmósfera y liberan oxigeno, en cambio los animales y los seres humanos, hacemos el proceso inverso, es decir, utilizamos el oxigeno de la atmósfera para todos nuestros procesos biológicos para luego liberar dióxido de carbono.

La atmósfera primitiva



Para comprender el origen de la atmósfera debemos remontarnos a la formación del Sistema Solar .


La teoría mas aceptada nos dice que hace unos cinco mil millones de años, aproximadamente, se desprendió de una súper nova materia que se agrupó en forma de una nube de polvo y gases.


La mayor concentración de la nube formó el Sol. El resto de la materia continuó girando y se agrupó en planetoides y pedruscos de diversos tamaños.


Los planetoides más grandes atrajeron gravitacionalmente a los pequeños ocasionando choques y fusiones que mantuvieron en un estado caliente y semi-liquido a la materia durante la formación de los planetas.


Cuando los planetas comenzaron a enfriarse las partículas con mayor peso se situaron al centro de éstos y los gases en las zonas mas externas formando la atmósfera.


Los astros de menor masa no contaron con la fuerza de gravedad suficiente para retener la atmósfera y sus gases se dispersaron.


En el caso de nuestro planeta los choques -con planetoides más pequeños y meteoritos- provocó la liberación de los gases contenidos en las rocas. Esto, sumado a la fuerte actividad volcánica -que libera vapor de agua y dióxido de carbono- originaron la formación de la atmósfera primitiva compuesta principalmente por grandes cantidades de dióxido de carbono ,vapor de agua ,nitrógeno, pequeñas cantidades de hidrógeno, monóxido de carbono y helio.



Hace 3500 millones de años la atmósfera carecía de oxígeno libre y era ligeramente reductora haciendo que el oxígeno se fijara formando diferentes compuestos. El gas aparece entre los 3500 y 2900 millones de años. El cambio se explica por la aparición de la vida en los fondos marinos: aunque los organismos más primitivos eran unicelulares, sin núcleo y no respiraban, estos evolucionan y entre los 3500 y 2900 millones de años, se desarrollan nuevas especies que comienzan a producir oxígeno por medio de la fotosíntesis.


La acción de los nuevos organismos -a lo largo de millones de años- saturó la capacidad de disolución de oxígeno en el mar, el cual comenzó a emanar hacia la atmósfera, permitiendo el desarrollo de especies sobre la superficie seca de la tierra. Por otra parte, el nuevo gas omnipresente, actúo como un veneno tóxico para las formas de vida más primitivas –anaeróbicas- que comenzaron a extinguirse.


Por otra parte, la luz ultravioleta solar también promovió la evolución atmosférica: los fotones UV solares rompen el oxígeno molecular (O2) para producir ozono (O3).









¿Y cómo fue la transformación de esta atmósfera hostil hasta la que hoy nos permite la vida?


Como se ha mencionado antes, la atmósfera primitiva era un impedimento a la vida dado varias circunstancias, sus condiciones y su composición no eran para nada favorables a los procesos biológicos que existen en la actualidad. Entonces es evidente que algo ha sucedido con lo que llamamos Atmósfera. Los gases que conformaban la atmósfera en un comienzo, como el dióxido de carbono, hidrógeno y nitrógeno, en concentraciones muy superiores a las observadas en nuestros días, hacían imposible la presencia de organismo vivo alguno. Pero lo más relevante es la total ausencia de oxígeno en la atmósfera primitiva. Dada la gran importancia de este elemento en las reacciones biológicas de gran parte de los seres vivos y a su influencia en otras condiciones de la biosfera, como su temperatura por ejemplo, es que tomamos su aumento de concentración para explicar así el tremendo cambio que ha sufrido nuestra atmósfera para por fin convertirse en lo que es hoy.

Entonces las preguntas se reducen ahora a ¿Cómo es que este oxígeno fue “generado”?, ¿Cómo es que su concentración fue aumentando? Para responder a estas preguntas recurrimos a continuación a testimonios de investigadores enfocados al estudio de estos temas:

Científicos dedicados al estudio de la evolución de nuestro planeta, como por ejemplo James Lovelock, reconocen una estrecha relación entre el origen de la vida y el alza en las concentraciones de oxígeno atmosférico. Citando una entrevista hecha a este investigador el año, en la cual se le pregunta por la existencia de vida en el pasado, Lovelock responde: “Durante casi mil millones de años, existió con una atmósfera dominada por un solo gas, el metano o el gas natural que ahora conocemos. Y había muy poco oxígeno en la atmósfera. Pero las cosas cambiaron, la vida evolucionó y nos proporcionó una atmósfera con oxígeno, como la que tenemos...”. Esta claro entonces que existe una relación entre la vida originada en el pasado y el cambio en la composición química de la atmósfera, pero ¿cómo se explica este cambio?, ¿cuál fue el efecto de estas formas de vida sobre la atmósfera?

Como podemos ver en el gráfico, al producirse las primeras formas de vida (ver en la curva el punto en que se señala “first living cells”), el porcentaje de oxígeno en relación al total de la atmósfera era menor al 0,01%. Debemos tener en cuenta que estas primeras formas de vida correspondían a organismos unicelulares, bacterias anaeróbicas propias del periodo Arqueano, una era comprendida entre 3.800 millones y 2.500 millones de años atrás. Esto es coherente con lo presentado en el gráfico, las condiciones de bajas concentraciones de oxígeno solo permitían entonces estos tipos de vida. Pero el evento que tuvo una mayor influencia sobre el aumento en la cantidad de oxígeno fue la aparición de formas de vida fotosintetizadoras ya que son sus procesos biológicos los que tienen como resultado una liberación de oxígeno. Para ilustrar esto citamos a continuación a Jennifer Eigenbrode, investigadora del instituto de Carnegie: “Nuestra evidencia apunta a la probabilidad de que la Tierra estaba salpicada por pequeños “oasis” de microbios fotosintéticos productores de oxígeno que habitaban las aguas poco profundas, hace alrededor de 2.700 millones de años”… “Con el transcurrir del tiempo estos oasis deben haberse expandido, finalmente enriqueciendo la atmósfera con oxígeno. Nuestros datos registran esta transición”. Es tan simple como fijarnos en el eje Y del gráfico para constatar como es que desde este evento en adelante la tasa de aumento de la concentración de oxígeno atmosférico se ve aumentada de manera notable.

Es interesante el darse cuenta como es que las composiciones químicas del ambiente y las formas de vida presentes en este interactúan ambas influenciándose mutuamente. Como se ha mencionado, fueron estos microorganismos fotosintéticos los que tuvieron gran influencia sobre el cambio producido en la concentración de oxígeno en la atmósfera, pero si analizamos nuevamente el gráfico podremos ver que luego de la aparición de este tipo de organismos y de que la composición atmosférica había cambiado significativamente, se dio paso a la aparición de formas de vida adaptadas a esta presencia de oxígeno, aparecen los organismos aeróbicos, capaces de incluir este elemento en sus procesos biológicos como un reactivo y no como un producto. Este es un ejemplo ahora de la influencia de la composición atmosférica sobre el proceso evolutivo de las formas de vida, en este caso adaptándose al aumento de este elemento en particular.

Se cree muy probable también que en un comienzo la magnitud de la producción de oxígeno no era suficiente como para superar algunas pérdidas, o consumos de este mismo. En ese entonces (Periodo Arqueano), el oxígeno producido por estos organismos fotosintéticos era consumido por estas nuevas formas de vida aeróbicas, como también era utilizado gran parte en la ocurrencia de reacciones como la oxidación de materia orgánica y de minerales ferrosos. Los estudios indican que al pasar al periodo Proterozoico, comprendido entre 2.550 y 2.300 millones de años en el pasado, la producción de oxígeno pasó a ser mayor a la perdida por los procesos mencionados, fue en este entonces cuando comenzó a producirse una acumulación de este gas oxígeno a nivel atmosférico.

Esta acumulación produjo cambios a nivel terrestre, dentro de los cuales destaca: El efecto de la acumulación de Oxígeno sobre la Radiación recibida por la superficie terrestre. Dadas las nuevas condiciones que presentaba la atmósfera de la tierra es que se produjeron nuevas reacciones en esta. La creciente concentración de oxígeno libre en la atmósfera se vio expuesta a las altas tasas de radiación provenientes del sol, que incidían en ese entonces sobre la superficie terrestre sin que ningún tipo de barrera se lo impidiese. Fue entonces esta exposición la que influyó en la reacción entre el oxígeno molecular y átomos de oxígeno radical:


La reacción anterior ilustra entonces como es que lentamente ocurrió en nuestro planeta la acumulación de Ozono. Es esta capa de gas la que transfiere a la atmósfera la particularidad de ser una barrera al paso de la radiación solar, es decir, actúa como un regulador para las condiciones positivas a la vida sobre la tierra. Nuevamente estamos frente a un ejemplo de como la vida influye sobre las condiciones de la atmósfera y estas luego varían en favor de la vida. Este trabajo en equipo y sinérgico pareciese ser obra del azar...¿o no?