El oxígeno en la Tierra. ¿De dónde ha salido?

El oxígeno es una parte indispensable en nuestras vidas, y en la mayoría de los organismos sobre la Tierra. Pero esto no siempre ha sido así. ¿Qué ocurría en un planeta Tierra joven? Si el oxígeno tiene origen biológico, ¿Cómo pudo aparecer? ¿Ha habido una concentración de oxígeno mayor que la actual? Las investigaciones sobre cómo ha evolucionado el oxígeno en nuestro planeta responden a estas preguntas y muchas más. Ahora hablaremos sobre la evolución del oxígeno en nuestro planeta y su importancia.

Importancia del oxígeno

Esta molécula, fundamental para nuestra supervivencia, se encuentra en gran abundancia en nuestra atmósfera. Representa, como muchos sabemos, el 21 % de todos los gases presentes en ella. Este fantástico elemento es indispensable para nosotros hoy en día, pero hay muchos organismos que viven completamente ajenos a él, e incluso para los cuales el oxígeno puede llegar a ser letal. Este grupo lo comprenden los organismos anaerobios, y en su extremo más intolerante a la vida oxigénica, se encuentran los anaerobios estrictos. En su gran mayoría se tratan de microorganismos acostumbrados a crecer en zonas remotas, densas o estratificadas, donde no hay oxígeno a su disposición.

Para entender la evolución del oxígeno es necesario saber en qué lo utilizamos, y por qué es tan importante. La respuesta es fácil: utilizamos el oxígeno para obtener energía. Esto, en nuestra célula, se traduce como ATP. Esta es la moneda de cambio en nuestro cuerpo. Nos sirve en innumerables procesos, desde la contracción de los músculos hasta la síntesis de proteínas. El ATP se genera en el proceso del catabolismo, donde moléculas complejas como la glucosa se transforman en otras más sencillas, hasta llegar al CO2.

¿Cómo se genera el oxígeno?

La fotosíntesis es el proceso básico por el que se produce oxígeno.

Un punto clave para entender la evolución del oxígeno es entender cómo se crea. La principal fuente de oxígeno atmosférico son procesos biológicos, y entre ellos el más importante es la fotosíntesis oxigénica.

El objetivo de este proceso es generar energía y poder reductor. Los cloroplastos de las plantas o ciertas membranas de algas y organismos unicelulares son capaces de generar una cadena de transporte de electrones que permite generar ATP y NADHP. La luz excita los fotosistemas (FSI y FSII) de esta cadena, y permite el movimiento de electrones, que genera un gradiente de H+ entre una parte de la membrana y la otra. Sistemas complejos de proteínas acaban usando este gradiente para generar la energía.

En este caso, el agua actúa como fuente de electrones en la fase lumínica del ciclo. Estos se liberan al fotosistema I y la molécula de agua se oxida a oxígeno. Así, este elemento resulta un “desecho” de este metabolismo que puede ser liberado a la atmósfera. Y gracias a ello, los demás organismos podemos respirar…

De todas formas, si queréis entender cuales son las bases de la fotosíntesis y la fijación de carbono en las plantas, echad un vistazo a este artículo.

El oxígeno en nuestro planeta tiene un origen mayormente biológico. Los orgánulos especializados llamados cloroplastos son capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica y  liberar oxígeno como producto.
Etapa lumínica de la fotosíntesis, mediante la cual las plantas obtienen energía y poder reductor, y liberan oxígeno como desecho.

Evolución de la fotosíntesis

Remontémonos a una joven tierra, más de 4.000 millones de años atrás. Los pocos organismos vivos, unicelulares, vivían como podían en un ambiente que no podría ser más hostil. Los metabolismos de estos organismos les permitían generar energía de manera rudimentaria. Eran seres poco evolucionados y muy versátiles para vivir en los sustratos que tenían.

Muchas teorías sitúan el origen del oxígeno en los antiguos fondos marinos, con las primeras cianobacterias.

Utilizar la luz del sol para generar energía era ya una posibilidad. Algunos microorganismos podían realizar ya la fotosíntesis anoxigénica, en la que se liberaba azufre en lugar de oxígeno. Sin embargo, no es hasta hace alrededor de 3.500 millones de años atrás, que empezaron a aparecer los primeros organismos capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica. Algo que puede parecer un cambio mínimo, cambió por completo el paradigma de la vida en el planeta.

Estos pequeños organismos, cianobacterias según el registro fósil, comenzaron a liberar todo el oxígeno que producían mediante la fotosíntesis. Así, empezaron a desarrollarse organismos capaces de aprovechar este elemento e incorporarlo. Poco a poco, se establecieron dos metabolismos como los más eficaces: la fotosíntesis que todos conocemos, y la respiración del oxígeno.

Estas formaciones rocosas australianas en realidad son fósiles, que datan de hace más de 3.500 millones de anos. Estos estromatolitos, vistos de cerca, son colonias de cianobacterias productoras de oxígeno.

21 % de oxígeno, pero no siempre ha sido así

El oxígeno no es un elemento exclusivamente biológico; es el tercer elemento más abundante en el universo, y la mayoría se genera por procesos de combustión del helio en estrellas masivas. No obstante, la Tierra se caracteriza por una abundancia muy alta de este elemento, que tiene un origen principalmente biológico.

Esto significa que, hace unos 3.500 millones de años, no había una gran abundancia de oxígeno en nuestro planeta. A partir de la aparición de los primeros organismos fotosintéticos (oxigénicos), esto cambió. Al estudiar la evolución del oxígeno en nuestro planeta podemos distinguir varias fases (imagen de abajo):

De no existir (1), el O2 empieza a producirse y ser absorbido en las rocas marinas y los océanos (2). Hace 2.700 millones de años, los océanos comienzan a tener tal cantidad de este elemento que se permiten difundirlo al exterior, para ser incorporado geológicamente (3). En cuanto los reservorios geológicos de O2 estuvieron completos, este elemento comenzó a fluir hacia la atmósfera (4 y 5).

En la última fase, hace unos 540 millones de años, en el periodo Cámbrico, la abundancia de O2 fluctuó entre el 15 y el 30 % en la atmósfera. Llegó a alcanzar un máximo de, aproximadamente, un 35 % a finales del Carbonífero (hace 300 millones de años).

Los científicos han estudiado la evolución del oxígeno en nuestro planeta. Tras la aparición del oxígeno con origen biológico, primero se oxidaron los distintos cuerpos geológicos y para después acumularse en la atmósfera de nuestro planeta.
Fases en la evolución del oxígeno en la Tierra.

En resumen, en un principio, el oxígeno producido por esas cianobacterias se acumuló en los estratos geológicos, para ser liberado a la atmósfera una vez éstos se hubieran saturado.

Eventos biológicos y La Gran Oxidación

La evolución de la Tierra, del oxígeno y de la vida van siempre de la mano. No es casualidad que la gran diversificación de los animales comenzara en el océano, donde el oxígeno comenzó a acumularse, para luego continuar en tierra firme una vez la cantidad de este elemento en la atmósfera pudo sustentar la vida terrestre.

Las plantas llegaron a tierra firme mucho antes que los animales, y los insectos mucho antes que los vertebrados. El oxígeno atmosférico comenzó a abundar gracias a las plantas terrestres, llegando al máximo en el Carbonífero.

La gran disponibilidad de O2 permitió auténticas “locuras”, como los insectos y anfibios gigantescos que se reportan en el registro fósil de la época. Estos eran, sin duda, los animales cuya respiración era más complicada, por la baja eficiencia de sus tejidos para captar y transportar O2.

El oxígeno ha perfilado el planeta, y durante este evento, conocido como La Gran Oxidación (GOE), la vida y la geología cambiaron junto a la atmósfera. El gran cambio que supuso en nuestro aire fue que la mayoría de los elementos presentes en este (como el hierro, o el metano) se oxidaron. Algunos se depositaron como minerales, y otros, como el metano, se transformaron. Al desaparecer el metano, el efecto invernadero en el planeta disminuyó, y dio paso al más extenso periodo de glaciación: la Glaciación Huroniana. Este evento duró aproximadamente 300 millones de años.

Tras analizar la evolución del oxígeno en nuestro planeta se pudo obtener explicaciones sobre el origen de los insectos gigantes del periodo Carbonifero.
Durante el Carbonífero, el oxígeno abundaba y ello permitió que animales con limitaciones para respirar, como los insectos, pudieran adquirir tamaños gigantescos.

Normoxia, hipoxia y anoxia

Actualmente, en un ambiente con una saturación de oxígeno del 21 %, podríamos pensar que este elemento deja de ser un factor limitante para la vida. Pero no es así. Como buen gas, el oxígeno se desenvuelve bien mezclado con otros gases, como ocurre en el aire… Pero no ocurre lo mismo en el agua. Piensa, por ejemplo, en nuestro propio cuerpo: la concentración de este gas no es la misma que en la atmósfera.

Nuestro sistema respiratorio nos proporciona el O2 que necesitamos para vivir, pero nuestros órganos contienen menor cantidad de este elemento que la atmósfera, ya que este proceso no puede llegar a ser perfectamente eficaz.

Sin embargo, cuando la cantidad de oxígeno en nuestro cuerpo disminuye por debajo de sus niveles normales (ya de por sí relativamente bajos), entramos en hipoxia. Y esto puede acarrear serios problemas.

He hablado anteriormente de la hipoxia en plantas, ya que incluso estos organismos, a pesar de producirlo, pueden encontrarse en déficit de oxígeno. Los humanos, evidentemente, no somos una excepción; sin O2 suficiente, podemos llegar a morir por hipoxia o, en el caso de que la concentración de este caiga por completo (0 %) en un tejido, anoxia.

Existen en la naturaleza ambientes hipóxicos (como un suelo inundado) e incluso anóxicos (como ciertos fangos) donde crecen ciertos microorganismos a los que no les gusta el oxígeno: los anaerobios (de los que ya hemos hablado más arriba). Pero si en estas circunstancias debe sobrevivir un organismo aerobio como nosotros, el ser humano… Lo tendría muy complicado.

Los pantanos son entornos tendencialmente hipóxicos. Las raíces de las plantas que viven en estos hábitat están bajo el agua e inmersas en lodos, ambientes prácticamente anóxicos.

¿Cómo nos afecta la carencia de oxígeno?

A no ser que vivas en grandes altitudes, es poco probable que sufras de hipoxia o anoxia. No obstante, ciertas enfermedades respiratorias (como, actualmente, la CoVid19), pueden afectar a nuestro sistema respiratorio y hacer que éste deje de captar el oxígeno que necesitamos.

Pero hay un problema mayor y a una escala global: El cambio climático. Este fenómeno está consiguiendo que las tormentas fuertes y las inundaciones sean una realidad cada vez más común, y esto afecta directamente a los agricultores. La FAO estima que más del 50% de las pérdidas económicas asociadas con los cultivos vienen de las inundaciones. Estas cifras, al final, reportan la escasa supervivencia de las plantas a entornos hipóxicos.

A pesar de que el oxigeno en nuestro planeta es abundante, es importante estudiar los procesos celulares que ocurren durante la hipoxia para intentar encontrar soluciones a este problema. Algunas soluciones serían las plantas mejor adaptadas a estos ambientes. Aunque en este caso, lo fundamental empieza con cada uno de nosotros. Frenar el cambio climático está en nuestras manos.

Las inundaciones en los cultivos son una de las primeras causas de pérdida económica para los agricultores.

¿Qué tal? ¿Te ha gustado el articulo? ¿Has comprendido la evolución del oxígeno y la importancia que tiene el oxígeno en nuestro planeta?. Si es así, te invito a leer otros de los estupendos artículos que encontraréis en este blog para seguir aprendiendo más cosas.

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Mikel Lavilla Puerta

¡Hola! Soy Mikel, biólogo y biotecnólogo, antiguo estudiante UCM y actualmente estoy terminando mi doctorado en ciencias agronómicas en la Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa. Durante mi carrera y máster ahondé en muchos aspectos de la biología, especialmente en la botánica y la fisiología vegetal. Actualmente trabajo en modelos de percepción del oxígeno en plantas. Utilizo biología molecular y un microorganismo, la levadura, como modelo para construir la ruta que permite que las plantas perciban el oxígeno. Mis pasiones rondan la biología sintética, molecular, microbiología y fisiología vegetal, pero fuera del laboratorio me encanta el teatro, la música (canto en un coro Góspel) y la naturaleza. Enlazo algunas publicaciones por si queréis saber algo más de mi trabajo, y para todo lo demás, ¡preguntadme!

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