8.4: Vida, evolución química y cambio climático
- Page ID
- 127529
Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Describir los orígenes y la posterior diversidad de la vida en la Tierra
- Explicar las formas en que la vida y la actividad geológica han influido en la evolución de la atmósfera
- Describir las causas y efectos del efecto invernadero atmosférico y el calentamiento global
- Describir el impacto de la actividad humana en la atmósfera y ecología de nuestro planeta
Hasta donde sabemos, la Tierra parece ser el único planeta del sistema solar con vida. El origen y desarrollo de la vida son una parte importante de la historia de nuestro planeta. La vida surgió temprano en la historia de la Tierra, y los organismos vivos han estado interactuando con su entorno durante miles de millones de años. Reconocemos que las formas de vida han evolucionado para adaptarse al medio ambiente en la Tierra, y ahora estamos empezando a darnos cuenta de que la Tierra misma ha sido cambiada de maneras importantes por la presencia de materia viva. El estudio de la coevolución de la vida y nuestro planeta es uno de los temas de la ciencia moderna de la astrobiología.
El origen de la vida
El registro del nacimiento de la vida en la Tierra se ha perdido en los movimientos inquietos de la corteza. Según evidencia química, para cuando se formaron las rocas supervivientes más antiguas hace unos 3.9 mil millones de años, la vida ya existía. Con 3.5 mil millones de años atrás, la vida había logrado la sofisticación para construir grandes colonias llamadas estromatolitos, una forma tan exitosa que los estromatolitos todavía crecen hoy en la Tierra (Figura\(\PageIndex{1}\)). Pero, pocas rocas sobreviven de estos tiempos antiguos, y abundantes fósiles se han conservado solo durante los últimos 600 millones de años, menos del 15% de la historia de nuestro planeta.
Hay poca evidencia directa sobre el origen real de la vida. Sabemos que la atmósfera de la Tierra primitiva, a diferencia de la actual, contenía abundante dióxido de carbono y algo de metano, pero no oxígeno gaseoso. En ausencia de oxígeno, son posibles muchas reacciones químicas complejas que conducen a la producción de aminoácidos, proteínas y otros componentes químicos de la vida. Por lo tanto, parece probable que estos bloques de construcción químicos estuvieran disponibles muy temprano en la historia de la Tierra y se habrían combinado para hacer organismos vivos.
Durante decenas de millones de años después de la formación de la Tierra, la vida (quizás poco más que moléculas grandes, como los virus de hoy) probablemente existió en mares cálidos y ricos en nutrientes, viviendo de los químicos orgánicos acumulados. Cuando este alimento de fácil acceso se agotó, la vida comenzó el largo camino evolutivo que condujo a la gran cantidad de diferentes organismos en la Tierra hoy en día. Al hacerlo, la vida comenzó a influir en la composición química de la atmósfera.
Además del estudio de la historia de la vida revelada por la evidencia química y fósil en rocas antiguas, los científicos utilizan herramientas de los campos que avanzan rápidamente de la genética y la genómica, el estudio del código genético que comparte toda la vida en la Tierra. Si bien cada individuo tiene un conjunto único de genes (razón por la cual la “huella digital” genética es tan útil para el estudio de la delincuencia), también tenemos muchos rasgos genéticos en común. Tu genoma, el mapa completo del ADN en tu cuerpo, es idéntico en el nivel 99.9% al de Julio César o Marie Curie. En el nivel del 99%, los genomas humanos y chimpancés son los mismos. Al observar las secuencias genéticas de muchos organismos, podemos determinar que toda la vida en la Tierra desciende de un ancestro común, y podemos usar las variaciones genéticas entre especies como una medida de cuán estrechamente se relacionan las diferentes especies.
Estas herramientas de análisis genético han permitido a los científicos construir lo que se llama el “árbol de la vida” (Figura\(\PageIndex{2}\)). Este diagrama ilustra la forma en que se relacionan los organismos al examinar una secuencia del ARN de ácido nucleico que todas las especies tienen en común. Esta figura muestra que la vida en la Tierra está dominada por criaturas microscópicas de las que probablemente nunca hayas oído hablar. Tenga en cuenta que los reinos vegetal y animal son solo dos pequeñas ramas en el extremo derecho. La mayor parte de la diversidad de la vida, y la mayor parte de nuestra evolución, ha tenido lugar a nivel microbiano. En efecto, puede sorprenderte saber que hay más microbios en un cubo de tierra que estrellas en la Galaxia. Quizás quieras tener esto en cuenta cuando, más adelante en este libro, nos dirigimos a la búsqueda de la vida en otros mundos. Los “extraterrestres” que tienen más probabilidades de estar ahí fuera son los microbios.
Dichos estudios genéticos también conducen a otras conclusiones interesantes. Por ejemplo, parece que las primeras formas de vida terrestres supervivientes fueron todas adaptadas para vivir a altas temperaturas. Algunos biólogos piensan que la vida podría haber comenzado realmente en lugares de nuestro planeta que eran extremadamente calurosos. Otra posibilidad intrigante es que la vida comenzó en Marte (que se enfrió antes) en lugar de la Tierra y fue “sembrada” en nuestro planeta por meteoritos que viajaban de Marte a la Tierra. Las rocas de Marte siguen llegando a la Tierra, pero hasta ahora ninguna ha mostrado evidencia de servir como una “nave espacial” para transportar microorganismos de Marte a la Tierra.
La evolución de la atmósfera
Uno de los pasos clave en la evolución de la vida en la Tierra fue el desarrollo de algas verdeazuladas, una forma de vida muy exitosa que toma dióxido de carbono del medio ambiente y libera oxígeno como producto de desecho. Estos microorganismos exitosos proliferaron, dando lugar a todas las formas de vida que llamamos plantas. Dado que la energía para hacer nuevo material vegetal a partir de bloques de construcción químicos proviene de la luz solar, llamamos fotosíntesis al proceso.
Los estudios de la química de rocas antiguas muestran que la atmósfera terrestre carecía de abundante oxígeno libre hasta hace cerca de 2 mil millones de años, a pesar de la presencia de plantas que liberan oxígeno por fotosíntesis. Al parecer, las reacciones químicas con la corteza terrestre eliminaron el gas oxígeno tan rápido como se formó. Sin embargo, lentamente, la creciente sofisticación evolutiva de la vida condujo a un crecimiento en la población vegetal y, por lo tanto, aumentó la producción de oxígeno. Al mismo tiempo, parece que el aumento de la actividad geológica provocó una fuerte erosión en la superficie de nuestro planeta. Esto enterró gran parte del carbono de la planta antes de que pudiera recombinarse con oxígeno para formar CO 2.
El oxígeno libre comenzó a acumularse en la atmósfera hace unos 2 mil millones de años, y el aumento de la cantidad de este gas llevó a la formación de la capa de ozono de la Tierra (recordemos que el ozono es una triple molécula de oxígeno, O 3), que protege la superficie de la mortal luz ultravioleta solar. Antes de eso, era impensable que la vida se aventurara fuera de los océanos protectores, por lo que las masas de tierra de la Tierra eran estériles.
La presencia de oxígeno, y por ende ozono, permitió así la colonización de la tierra. También hizo posible una tremenda proliferación de animales, que vivían absorbiendo y utilizando los materiales orgánicos producidos por las plantas como fuente de energía propia.
A medida que los animales evolucionaron en un ambiente cada vez más rico en oxígeno, pudieron desarrollar técnicas para respirar oxígeno directamente de la atmósfera. Nosotros los humanos damos por sentado que hay mucho oxígeno libre disponible en la atmósfera de la Tierra, y lo usamos para liberar energía de los alimentos que tomamos. Aunque pueda parecer gracioso pensarlo de esta manera, somos formas de vida que hemos evolucionado para respirar el producto de desecho de las plantas. Son las plantas y microbios afines los principales productores, utilizando la luz solar para crear “alimentos” ricos en energía para el resto de nosotros.
A escala planetaria, una de las consecuencias de la vida ha sido la disminución del dióxido de carbono atmosférico. En ausencia de vida, la Tierra probablemente tendría una atmósfera dominada por CO 2, como Marte o Venus. Pero los seres vivos, en combinación con altos niveles de actividad geológica, han despojado efectivamente a nuestra atmósfera de la mayor parte de este gas.
El efecto invernadero y el calentamiento global
Tenemos un interés especial en el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera debido al papel clave que juega este gas en la retención del calor del Sol a través de un proceso llamado efecto invernadero. Para entender cómo funciona el efecto invernadero, considere el destino de la luz solar que golpea la superficie de la Tierra. La luz penetra en nuestra atmósfera, es absorbida por el suelo y calienta las capas superficiales. A la temperatura de la superficie de la Tierra, esa energía es luego reemitida como radiación infrarroja o térmica (Figura\(\PageIndex{3}\)). Sin embargo, las moléculas de nuestra atmósfera, que permiten el paso de la luz visible, son buenas para absorber energía infrarroja. Como resultado, el CO 2 (junto con el metano y el vapor de agua) actúa como una manta, atrapando el calor en la atmósfera e impidiendo su flujo de regreso al espacio. Para mantener un equilibrio energético, la temperatura de la superficie y de la atmósfera inferior debe aumentar hasta que la energía total irradiada por la Tierra al espacio sea igual a la energía recibida del Sol. Cuanto más CO 2 haya en nuestra atmósfera, mayor será la temperatura a la que la superficie de la Tierra alcanza un nuevo equilibrio.
El efecto invernadero en una atmósfera planetaria es similar al calentamiento del invernadero de un jardinero o al interior de un automóvil dejado al sol con las ventanas enrolladas. En estos ejemplos, el vidrio de la ventana juega el papel de los gases de efecto invernadero, dejando entrar la luz solar pero reduciendo el flujo exterior de radiación térmica. En consecuencia, un invernadero o interior de un automóvil termina mucho más caluroso de lo que cabría esperar solo por el calentamiento de la luz solar. En la Tierra, el efecto invernadero actual eleva la temperatura superficial en aproximadamente 23 °C. Sin este efecto invernadero, la temperatura media de la superficie estaría muy por debajo del punto de congelación y la Tierra estaría encerrada en una edad de hielo global.
Esa es la buena noticia; la mala noticia es que la calefacción por efecto invernadero va en aumento. La sociedad industrial moderna depende de la energía extraída de la quema de combustibles fósiles. En efecto, estamos explotando el material rico en energía creado por la fotosíntesis hace decenas de millones de años. A medida que estos antiguos depósitos de carbón y petróleo se oxidan (se queman usando oxígeno), grandes cantidades de dióxido de carbono se liberan a la atmósfera. El problema se ve exacerbado por la destrucción generalizada de los bosques tropicales, de los que dependemos para extraer CO 2 de la atmósfera y reponer nuestro suministro de oxígeno. En el siglo pasado de mayor desarrollo industrial y agrícola, la cantidad de CO 2 en la atmósfera aumentó cerca de 30% y continúa aumentando en más de 0.5% anual.
Antes de finales del presente siglo, se prevé que el nivel de CO2 de la Tierra alcance el doble del valor que tenía antes de la revolución industrial (Figura\(\PageIndex{4}\)). Es probable que las consecuencias de tal aumento para la superficie y la atmósfera de la Tierra (y las criaturas que viven allí) sean cambios complejos en el clima, y pueden ser catastróficas para muchas especies. Muchos grupos de científicos están estudiando ahora los efectos de tal calentamiento global con elaborados modelos informáticos, y el cambio climático ha surgido como la mayor amenaza conocida (excepto la guerra nuclear) tanto para la civilización industrial como para la ecología de nuestro planeta.
Este breve video de PBS explica la física del efecto invernadero.
Ya el cambio climático es ampliamente evidente. En todo el mundo, los récords de temperatura se establecen y rompen constantemente; todos menos uno de los años más calurosos registrados han tenido lugar desde el año 2000. Los glaciares se están retirando, y el hielo del Mar Ártico es ahora mucho más delgado que cuando se exploró por primera vez con submarinos nucleares en la década de 1950. El aumento del nivel del mar (tanto del derretimiento de los glaciares como de la expansión del agua a medida que aumenta su temperatura) plantea una de las amenazas más inmediatas, y muchas ciudades costeras tienen planes de construir diques o malecones para contener las inundaciones esperadas. La tasa de aumento de temperatura no tiene precedentes históricos, y estamos entrando rápidamente en “territorio desconocido” donde las actividades humanas están llevando a las temperaturas más altas de la Tierra en más de 50 millones de años.
Impactos humanos en nuestro planeta
La Tierra es tan grande y lleva tanto tiempo aquí que algunas personas tienen problemas para aceptar que los humanos realmente están cambiando el planeta, su atmósfera y su clima. Se sorprenden al enterarse, por ejemplo, que el dióxido de carbono liberado por la quema de combustibles fósiles es 100 veces mayor que el emitido por los volcanes. Pero, los datos cuentan claramente la historia de que nuestro clima está cambiando rápidamente, y que casi todo el cambio es resultado de la actividad humana.
Esta no es la primera vez que los humanos alteran drásticamente nuestro entorno. Algunos de los mayores cambios fueron causados por nuestros antepasados, antes del desarrollo de la sociedad industrial moderna. Si los extraterrestres hubieran visitado la Tierra hace 50 mil años, habrían visto gran parte del planeta apoyando a grandes animales del tipo que ahora sobreviven sólo en África. Las llanuras de Australia estaban ocupadas por marsupiales gigantes como el diprododón y el cigomaturus (del tamaño de nuestros elefantes hoy en día), y una especie de canguro que tenía 10 pies de altura. Norteamérica y el norte de Asia albergaron mamuts, gatos dientes de sable, mastodontes, perezosos gigantes e incluso camellos. Las islas del Pacífico estaban repletas de aves grandes, y vastos bosques cubrieron lo que ahora son las granjas de Europa y China. Los primeros cazadores humanos mataron a muchos grandes mamíferos y marsupiales, los primeros agricultores talaron la mayor parte de los bosques y la expansión polinesia a través del Pacífico condenó a la población de aves grandes.
Una extinción masiva aún mayor está en marcha como consecuencia del rápido cambio climático. En reconocimiento a nuestro impacto en el medio ambiente, los científicos han propuesto darle un nuevo nombre a la época actual, la antropocina, cuando la actividad humana comenzó a tener un impacto global significativo. Aunque no es un nombre oficialmente aprobado, el concepto de “antropocina” es útil para reconocer que los humanos ahora representamos la influencia dominante en la atmósfera y la ecología de nuestro planeta, para bien o para mal.
Conceptos clave y resumen
La vida se originó en la Tierra en un momento en que la atmósfera carecía\(O_2\) y consistía principalmente en\(CO_2\). Posteriormente, la fotosíntesis dio lugar a oxígeno libre y ozono. El análisis genómico moderno nos permite ver cómo la amplia diversidad de especies en el planeta se relacionan entre sí. \(CO_2\)y el metano en la atmósfera calientan la superficie a través del efecto invernadero; hoy en día, cantidades crecientes de la atmósfera\(CO_2\) están llevando al calentamiento global de nuestro planeta.
Glosario
- gases de efecto invernadero
- un gas en una atmósfera que absorbe y emite radiación dentro del rango infrarrojo térmico; en la Tierra, estos gases atmosféricos incluyen principalmente dióxido de carbono, metano y vapor de agua
- efecto invernadero
- la cobertura (absorción) de radiación infrarroja cerca de la superficie de un planeta, por ejemplo,\(\ce{CO2}\) en su atmósfera
- fotosíntesis
- una secuencia compleja de reacciones químicas a través de las cuales algunos seres vivos pueden usar la luz solar para fabricar productos que almacenan energía (como carbohidratos), liberando oxígeno como un subproducto