Así afectaron las corrientes marinas al nacimiento de la vida en la Tierra

Judith Klatt había estado estudiando microbios llamados cianobacterías durante años, y al principio era escéptica cuando unos compañeros le vinieron con una idea: ¿podría la longitud de los días en el albor de la Tierra tener relevancia en el nacimiento de la vida según lo conocemos hoy?

Las horas de luz han ido aumentando drásticamente a lo largo de la historia de la Tierra. Hace más de 3000 millones de años, los días podrían haber sido de apenas seis horas. Hace entre 2400 y 2200 millones de años, los registros geológicos indican que la cantidad de oxígeno en la atmósfera se disparó a medida que se desplomaba la cantidad de dióxido de carbono.

Los cambios en la duración de los días y el aumento del oxígeno atmosférico se han estudiado durante décadas a nivel científico, pero nadie había considerado que estuvieran ligados. Hasta ahora.

Klatt, una microbióloga del Instituto Max Planck  de Microbiología Marina en Alemania, y sus compañeros de la Universidad de Michigan (Estados Unidos) se lanzaron a investigar si los días más largos podrían haber llevado a las cianobacterias antiguas a prosperar, encendiendo la mecha para una explosión de los primeros animales y, en última instancia, las formas de vida que conocemos hoy.

Para investigar ese patrón, el equipo se dirigió al singular ecosistema que hay en el fondo del lago Hurón (entre Estados Unidos y Canadá) llamado  Middle Island Sinkhole (en su traducción al español, Sumidero de la Isla del Medio). Compararon las mediciones de concentración de oxígeno del fondo rico en cianobacteria y los experimentos del laboratorio con modelos informáticos de la rotación de la Tierra.

"Ha sido tremendamente inspirador el poder haber ido y observar este mundo, que se podría asemejar a como era la Tierra", dice Klatt del sumidero; "es realmente asombroso".

Los resultados no resuelven el misterio del todo. Pero, como informa el equipo en la revista Nature Geosciences, los datos abren una serie de excitantes posibilidades sobre cómo la duración de los días y la biología pudieron co-evolucionar en la Tierra.

"Lo que han demostrado es que la biología tienen en cuenta se el ciclo día-noche es de 24 horas o de 12 horas", dice Christopher Spalding, un científico planetario de la universidad de Princeton (EE. UU.) que no estuvo involucrado en la investigación, "por lo que creo que es un primer descubrimiento sobre el que conviene indagar".

Atrapados en un baile lunar

Nuestros días de apenas 24 horas son el resultado de la Tierra rotando cada vez más despacio en los últimos 4500 millones de años y gran parte de ese cambio está ligado a las mareas.

Si has pasado un día cerca del océano, posiblemente hayas observado como las mareas suben y bajan a lo largo de la orilla. Ese aparente movimiento suave se debe aun impresionante tira y afloja energético entre la Tierra, sus océanos y la luna. A medida que orbita la Tierra, la gravedad de la luna tira de los océanos y el agua tira en dirección contraria. El océano responde a esta lucha en forma de corrientes y eso introduce una fricción entre el agua y el suelo marítimo de roca.

Esta fricción mina la energía rotativa de la Tierra, ralentizando su giro y alargando los días. Este proceso pasa muy, muy despacio a lo largo de cientos de millones de años, por lo que el cambio en la duración de los días no es algo que se pueda observar rápidamente y ha sido complicado registrarlo en lo más profundo de los registros geológicos.

"Estamos bastante seguros de la velocidad de rotación de la Tierra hasta hace unos 550 millones de años... porque tenemos conchas marinas con líneas de crecimiento y, de estas líneas de crecimiento, podemos saber cómo de largo era el día", dice Spalding; "pero el problema viene antes [de ese momento] porque no tenemos corales o conchas marinas".

Si hablamos del albor de la historia de la Tierra, estamos por tanto "en el mundo de los modelos", dice Woodward Fischer, científico planetario del Instituto Tecnológico de California (CALTECH), que no estuvo involucrado en el estudio. "Sabemos la duración de los días como historia sistemática, y sabemos cual es la dirección de ese [cambio], pero desconocemos muchos detalles".

Mientras existen muchos modelos del ritmo de rotación de la Tierra, uno que se ha usado desde finales de los años 1980 propone que los días se hicieron progresivamente más largos hasta hace unos 2500 millones de años, cuando la duración se estabilizó en 21 horas y permaneció relativamente inmutable durante millones de años.

Sobre ese momento, las corrientes, la Tierra y la luna habrían alcanzado lo que los modelistas llaman resonancia. Realmente hay dos fuerzas rotativas que afectan el giro de la Tierra. Las corrientes se arrastran sobre el planeta, ralentizándolo. Pero el sol, a su vez, calienta un lado durante el día provocando que los océanos y la atmósfera se expandan, lo que empuja un poco a la Tierra en su dirección de rotación. 

Las corrientes estaban ganando este tira y afloja hasta que el sistema llegó a su punto de resonancia, cuando esas dos fuerzas opuestas se cancelaban la una a la otra. Una vez alcanzada esa frecuencia "mágica", el ritmo de giro cambiaría muy poco durante un tiempo.

Klatt y su equipo usaron este modelo como la base de su nuevo trabajo. Para su sorpresa, descubrieron que el momento de resonancia y el día de 21 horas llegaron cerca del momento en el que los registros geológicos marcan la explosión de oxígeno en la atmósfera. "Me encantó ver las semejanzas entre el patrón de oxígeno y el ritmo de rotación", dice Klatt; "estaba tan entusiasmada".

Las cianobacterias hacen el agosto con el sol

Las cianobacteria siguen prosperando en las aguas de la Tierra, y las que viven en las comunidades de las esteras de Middle Island Sinkhole ofrecen al equipo una nueva pieza del puzzle.

El agua en el sumidero de casi 23 metros de profundidad tienen una altas concentraciones de sulfuro y no mucho oxígeno. Los científicos creen que esas condiciones podrían ser similares a las de los antiguos océanos de hace miles de millones de años. Al estudiar ese medio, el equipo de Klatt puede hacerse una idea aproximadas de como se comportarían ecosistemas similares en el pasado.

Klatt descubrió que estos microbios viven al límite, en un equilibrio precario entre producción y pérdida de oxígeno.

“Las esteras microbianas son muy parecidas a un juego de suma cero. Consumen un montón de oxígeno, pero también consumen un montón de oxígeno", dice Fischer; "realmente solo trabajan con los restos... con el poco oxígeno que se libera. Esto es lo que está investigando este estudio". La pregunta es: ¿Qué se necesita para que el oxígeno creado por las cianobactarias salga de las esteras microbianas y enriquezca la atmósfera?

La respuesta es un mecanismo físico llamado difusión, en el que el oxígeno gaseoso en lugares con altas concentraciones tiende a moverse a zonas con concentraciones menores. Es como cuando abres una botella de un refresco con gas y las burbujas de dióxido de carbono salen hacía afuera.

Mientras que los días cortos provocan que las cianobactarias se enciendan y se apaguen constantemente, los días más largos permiten que hagan fotosíntesis durante más tiempo, aumentando las concentraciones de oxígeno a su alrededor hasta que un poco de ese oxígeno es empujado fuera del lugar y llega a la atmósfera. Lo que consiguieron demostrar los experimentos de laboratorio de Klatt es que cuando las muestras de los microbios del fondo del lago se veían expuestos a periodos más largo de luz solar, aportaban más oxígeno a la atmósfera. 

El modelo de velocidad de rotación que usó Klatt predice que los días se alargaron constantemente entre hace 3500 millones de años y 2250 millones de años. Una vez que la Tierra, la luna y las mareas alcanzaron el estado de resonancia de días de 21 horas, se estabilizaron ahí hasta hace unos 550 millones de años, cuando la rotación de la Tierra volvió a ralentizarse de nuevo. El asentamiento de esos días largos y estables habría sido clave para permitir que las cianobacterias pisaran el acelerador, optimizando sus procesos biológicos durante los días de 21 horas en lugar de estar continuamente adaptándose a la cambiante duración del día.

La duración de los días más allá de la Tierra

Los resultados abren un nuevo camino para futuras investigaciones sobre las condiciones en los primeros milenios de la Tierra y más allá.

"La duración de los día podría ser la clave para resolver el misterio de la oxigenación de la Tierra", dice Arjun Chennu, un biólogo informático especialista en hacer modelos en el Instituto Max Planck y que co-escribió el estudio con Klatt.

"También podría ser útil para pensar cómo otros procesos geoquímicos globales podrían haberse visto afectados por el cambio en la duración de los días". Por ejemplo, los cambios en la longitud de los días y los niveles de oxígeno podrían haber afectado al ciclo global del carbono y las climatología en los primeros continentes.

Y, para Devon Cole, una geobióloga en el Instituto Tecnológico de Georgia (EE. UU.), este trabajo tiene unas implicaciones potenciales en la evolución de la vida en otros planetas. Los astrobiólogos ya habían considerado la velocidad de rotación en exoplanetas como un factor para buscar vida, pero con el estudio de Klatt, ahora tienen una idea más clara de cómo la duración del día podría impactar en atmósferas y bioesferas alienígenas.

Algunos de los miles de planetas que se han encontrado orbitando otras estrellas tienen mareas bloqueadas, con un lado experimentando días perpetuos y el otro noches perpetuas. "¿Podríamos tener una bioesfera, una capaz de remodelar la atmósfera, y que la podamos realmente detectar en un planeta así?", se pregunta Cole; "es posible, que en ese caso, el único punto habitable sea el lugar de la puesta de sol permanente".

Cuando llegamos al punto de valorar las preguntas sobre el oxígeno y el nacimiento de la vida, añade, que la duración del día "no es algo tan obvio en lo que cae la gente, por lo que creo que es algo muy curioso e impresionante que investigar".

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.