La Formación de la Tierra

La formación de la Tierra. El origen de la Tierra y su evolución durante millones de años hasta adquirir las características que nos son familiares constituye una temática de indudable interés.

Con objeto de iniciarnos en la misma nos dirigimos al profesor S. K. Runcorn.

 

¿Cómo se formó la Tierra?

Las primeras ideas sobre la formación de la Tierra sugerían que se había originado a partir de una esfera gaseosa que al principio se había enfriado y licuado y después, probablemente, se había solidificado. Esto se conoce bajo la denominación de «origen caliente de la Tierra».

A partir de entonces se creyó que esto era cierto, en parte a causa de razones geológicas, ya que podían verse las erupciones de lava procedentes de la Tierra y, por consiguiente, constatar que el interior del planeta era caliente; antes del descubrimiento de la radiactividad, se suponía que este calor estaba presente en el interior del globo terráqueo en el momento de su formación. La otra razón por la cual se admitía el «origen caliente» de la Tierra procedía de la hipótesis que ésta y los demás planetas eran, en un principio, gases encerrados en una estrella, el Sol.

Todo esto ha cambiado en los últimos años, primero porque el descubrimiento de la radiactividad ha demostrado que la Tierra podía haber sido fría al principio y haberse calentado después hasta alcanzar las altas temperaturas internas actuales en el transcurso de miles de millones de años. Después, los astrónomos descubrieron grandes nubes de polvo en el Universo. De este modo, y de forma natural, se pensó que el Sol y la totalidad del sistema solar se habían formado a partir de una nube de polvo, por condensación.

Esto mereció una aceptación general a propósito de la teoría de la acumulación (Accretion theory), según la cual en un principio el Sol se formó por condensación debida a la gravitación; después, la nube de polvo que giraba alrededor del primer Sol se fraccionó en trozos que, por acumulación, formaron los planetas. Esta idea ha sido generalmente aceptada por varias razones. Por ejemplo: la Luna ha sufrido muy pocos cambios, ya que en ella no existen las fuerzas de erosión de la Tierra.

¿Podemos servirnos de los meteoritos para profundizar en el conocimiento de la estructura interna de la Tierra?

Sí. Históricamente, gracias a los elementos obtenidos de los meteoritos se ha podido proponer aquel modelo de la Tierra con un núcleo de hierro rodeado de una capa de Silicatos de hierro y magnesio.

Los meteoritos se dividen claramente en dos grupos: los «ferrosos» y los «pétreos»; los ferrosos representan alrededor del 15 % del total; los «pétreos» se componen en su mayor parte de olivino.

Erupción volcánica

Muy pronto, a finales del siglo XIX, los geoquímicos que señalaban que la densidad media de la Tierra era de 5,5 g/cm3 y que las rocas de la superficie terrestre se situaban entre 2 y 3 g/cm3, vieron que era necesario suponer un núcleo denso a la Tierra. Puesto que los meteoritos eran una buena muestra de las sustancias que formaban los planetas, sugirieron la existencia de un núcleo de hierro.

La Tierra primigenia

La Tierra se formó hace 4 600 millones de años, pero resulta complicado dar con indicios de su composición inicial y su historia debido a que la corteza y el manto subyacente han sufrido una constante evolución al encontrarse en un proceso de fusión y «reciclaje» continuo. Ambre Luguet, de la Universidad de Bonn, empleó métodos nuevos de datación isotópica para descubrir más información sobre los primeros setecientos cincuenta millones de años de la existencia de la Tierra y, en concreto, sobre el modo en el que el manto de la Tierra ha conservado indicios relacionados con la formación de la corteza.

La corteza de la Tierra, su capa externa, se formó al fundirse en parte los silicatos del manto interno que sirve de reserva para generar la corteza. El conocimiento —aún limitado— que existe sobre cuándo se creó la primera corteza terrestre o cuánto duró dicho proceso se obtiene del análisis de los isótopos de circonio existentes en los minerales de la corteza terrestre. Estos se han reciclado y transformado en rocas mucho más jóvenes, pero conservan información isotópica sobre su edad y origen durante miles de millones de años, como si fuesen cápsulas del tiempo microscópicas. «Las más antiguas recuperadas en la Tierra tienen hasta 4 360 millones de años», indicó Luguet. Pero también explicó que, debido al intenso bombardeo al que se ha sometido la Tierra desde entonces, muchas de las partes de la corteza que se formaron entonces podrían haber desaparecido.

¿Y qué información puede extraerse del manto? «Si planteamos la relación entre el manto y la corteza terrestres como si fuera una relación madre-hija, tiene sentido investigar la formación de la primera corteza desde el punto de vista del manto», afirmó Luguet. En lugar de investigar ratios de isótopos en minerales de circonio, estudió aleaciones ricas en osmio, minerales del grupo del platino con contenido de osmio y sulfuros como la erlichmanita (OsS2, sulfuro de osmio), descritos por la investigadora como «los circonios del manto».

Datación isotópica de última generación

Luguet llevó a cabo varios experimentos de datación de última generación en aleaciones, minerales del grupo del platino y sulfuros de las rocas más antiguas del manto extraídas de Botsuana, Sudáfrica y Groenlandia (peridotitas) y las rocas más antiguas del manto extraídas de Groenlandia (cromititas). La datación isotópica se basa en la desintegración radiactiva del isótopo renio-187 en osmio-187 y del platino-190 en osmio-186. «Los minerales del grupo del platino y los sulfuros que quedaron en el manto tras fundirse parcialmente tienen una gran concentración de osmio pero nada de renio, por lo que los isótopos osmio-187/osmio-188 poseen una correspondencia directa con cierta época de fundido parcial».

El método de Luguet aporta una novedad: el tamaño de los granos de mineral que ha logrado analizar. «Es la primera vez que hemos medido la composición isotópica en sulfuros de menos de veinte micrómetros. Investigaciones anteriores se habían valido de la ablación por láser, un método rápido pero que limita el tamaño de sulfuro a analizar a entre 80 y 100 micrómetros. Nosotros hemos extraído los granos de sulfuro de su roca madre mediante un método de microextracción en el que se taladra un anillo alrededor del sulfuro antes de extraerlo». El método nuevo evita varios de los sesgos que se producen cuando se analizan granos de mayor tamaño, y por tanto se puede seleccionar una muestra realmente representativa de la complejidad y heterogeneidad de las composiciones isotópicas y así llegar a conclusiones más precisas.

Las firmas conservadas de fusiones parciales

«Hemos descubierto que el manto de la Tierra conserva, a través de los minerales ricos en osmio, las firmas de los fenómenos de fusión parciales, siendo los más antiguos de hace 4 360 millones de años», comentó Luguet. Esta fecha coincide con los procesos de formación de la corteza más antiguos registrados en los datos de los isótopos de circonio. Luguet añadió que la relación «genética» madre-hija entre la fusión parcial del manto y los eventos de formación de la corteza se conocía ya en muestras de una edad menor a los 3 800 millones de años. «Ahora hemos mostrado que también existe en una época más lejana, unos pocos millones de años tras la formación de la Tierra».

Los investigadores creen haber hallado pruebas de que en los primeros 500 millones de años los continentes estaban formados, y que había líquido (agua) que interactuaba con las rocas. La Tierra en esta época podría haber tenido un gran parecido con nuestro planeta actual, con continentes y océanos. Este panorama significa un cambio de rumbo definitivo frente a la idea establecida de un entorno infernal, sin continentes ni acumulaciones de agua El grupo de investigación, liderado por el profesor Mark Harrison de la Escuela de Investigación de Ciencias de la Tierra (Research School of Earth Sciences), analizó unos raros minerales de Australia, que tienen entre de 4.000 y 4.350 millones de años de antigüedad, y hallaron pruebas de que es posible que sea cierta una discutida teoría, que supone que los continentes se desarrollaron en los primeros 500 millones de años de la historia de la Tierra, época a la que se ha bautizado como el Eón Hadeico, Hádico o Hadeano (de Hades, el Infierno, o sea «Eón Infernal»).

La investigación, que fue publicada en la última edición de la revista científica Science, se asocia con resultados publicados por el profesor Harrison y sus colegas a principios de este año, que indicaban que nuestro planeta podría haber tenido océanos durante la mayor parte del Hadeico.

«Está surgiendo una nueva visión de la Tierra primigenia», dijo el Profesor Harrison. «Tenemos pruebas de que la superficie primitiva de la Tierra sustentó agua, el ingrediente principal para hacer habitable nuestro planeta. Y tenemos pruebas de que el agua interactuó con el magma de los continentes en formación durante el Hadeico».

«Y ahora tenemos evidencias de que estas masivas cortezas continentales se crearon casi inmediatamente tras la formación de la Tierra. La Tierra Hadeica puede haber tenido un aspecto mucho más similar a como es ahora, en lugar de nuestra imaginada visión de un mundo reseco carente de continentes».

El profesor Harrison y su equipo recopilaron estas evidencias estudiando zircones (o circones), los minerales más viejos de la Tierra. Estos antiguos granos, normalmente de tamaño similar al grosor de un cabello humano, sólo se encuentran en la región de Murchison en Australia Occidental. El equipo analizó las propiedades isotópicas del elemento hafnio en unos 100 diminutos zircones de 4.350 millones de años.

Se había establecido que los continentes de la Tierra se desarrollaron con lentitud, en un extenso lapso que comenzó hace unos 4.000 millones de años, lo que significa unos 500 millones de años tras la formación del planeta.

Sin embargo, las variaciones en el isótopo de hafnio, producidas por la desintegración radiactiva de un átomo de lutecio, indican que muchos de estos antiguos circones se formaron en un asentamiento continental durante los primeros 100 millones de años de la formación de la Tierra.

«Las pruebas apuntan a un desarrollo casi inmediato de continentes, seguido de un rápido reciclado en el manto por un proceso semejante al de las modernas placas tectónicas», dijo el Profesor Harrison.

La huella isotópica que dejaron las primeras fusiones del manto aparece de nuevo en los jóvenes circones, lo que aporta pruebas de que habrían surgido de la misma fuente. Esto sugiere que la cantidad de manto que fue procesado para formar los continentes debió ser enorme.

«El resultado es consistente con la masa de corteza continental que tiene la Tierra hoy día, y la de hace 4.500 a 4.400 millones de años. Esto es un cambio radical en la creencia convencional sobre la Tierra Hadeana», dice el Profesor Harrison.

«Pero estos antiguos zirconios representan el único registro geológico que tenemos de este periodo de la historia de la Tierra, y por lo tanto las historias que relatan tienen preferencia sobre otros mitos que se imponen sin pruebas observacionales».

«La explicación más simple para todas las pruebas es que en esencia, desde su formación, el planeta entró en un régimen dinámico que ha perdurado hasta el presente».

Poderosas fuentes de energía en la Tierra primitiva

La Tierra primitiva era un lugar con alta energía. En primer lugar estaba la luz de la radiación solar, que también aportaba energía térmica. También había intenso vulcanismo, tormentas eléctricas, y todo ello bajo un baño permanente de meteoritos que bombardeaban la superficie, liberando grandes cantidades de energía al impactar. Los rayos ultravioleta, por otra parte, penetraban libremente nuestra atmósfera, ya que prácticamente no existía el oxígeno libre y, por tanto, no había capa de ozono. Estos rayos serían letales para la vida moderna. En aquella convulsionada Tierra, la energía se manifestaba en diferentes formas y de manera constante.      Los vestigios de vida más antiguos que se han descubierto datan de hace 3.800 millones de      años. Esto significa que nuestra Tierra necesitó al menos unos 800 millones de años para que se iniciara la vida en ella.

La atmósfera primitiva: El primer Protobionte

Cuando hablamos de tierra primitiva debemos tener en cuenta las condiciones existentes que hubo Aquellas épocas, no son las mismas que las actuales. Pero ante todas las condiciones en que se encontraba la tierra primitiva durante sus inicios, es un poco incierto ya que no ha quedado señales en su registro geológico. Tampoco se tiene una evidencia directa de la composición de la atmosfera primitiva.

Esta teoría está relacionada con el origen químico de la vida (biogénesis) propuesta por bioquímico ruso  Oparin, que la tierra estuvo condicionada a la existencia de las primeras formas de vida. Pero ¿Cómo se pudo crear vida a partir de materia no viva? ¿Qué factores influyeron el  surgimiento de las primeras formas de vida?

Las condiciones primitivas de la Tierra

Las condiciones iniciales en la Tierra habrían sido inhóspitas para casi todos los seres vivos de la actualidad. La atmósfera altamente reductora carecía de oxígeno. La erupción de volcanes y el consecuente desprendimiento de gases contribuyeron a la formación de la atmósfera. Violentas tormentas eléctricas produjeron lluvias torrenciales que erosionaron la superficie de la Tierra.

La formación de la Tierra y de todo el sistema solar está relacionada con la formación del Universo. Se cree que la distribución no siempre ha sido la que se conoce actualmente. Hace 10.000 o 20.000 millones de años, el Universo era una masa densa y compacta que explotó (el Big Bang), dispersando en el espacio polvos, residuos y gases. A partir de entonces, aún se expande de modo que se encuentra en expansión constante.

Al enfriarse tales materiales, se formaron átomos de diferentes elementos, ante todo helio e hidrógeno. La disminución de la temperatura y la compresión de la materia dieron lugar a la formación de estrellas y planetas.

El sol de nuestro sistema es una estrella de segunda o tercera generación, formada hace cinco mil o 10 mil millones de años. Las fuerzas gravitacionales que actuaban sobre la materia solar provocaron la compresión de ésta, la cual dio lugar a gran cantidad de calor. Este indujo la formación de elementos distintos al helio y al hidrógeno. Parte de este material fue expulsado del sol y, uniéndose a restos, polvos y gases que lo rodeaban, formó los planetas.

De acuerdo a los astrofísicos y geólogos, la Tierra tiene una edad de 4600 millones de años de antigüedad. La materia que la conforma se compactó como resultado de la acción de fuerzas gravitatorias; los elementos más pesados, como níquel y hierro, formaron el núcleo central; los elementos de peso medio formaron el manto, y los ligeros quedaron cerca de la superficie.

La primera atmósfera, compuesta en gran parte por los elementos más ligeros, helio e hidrógeno, se perdió debido a que las fuerzas gravitacionales de la Tierra no fueron capaces de retenerla.

Se piensa que al inicio, la temperatura de la Tierra era baja, pero al continuar la compactación gravitacional se produjo calor. Este aumentó en respuesta a la energía de la desintegración radiactiva. El calor se liberó en manantiales térmicos o volcanes, que a su vez produjeron gases, los cuales formaron la segunda atmósfera en el inicio de la Tierra.

La atmósfera era reducida, con poco oxigeno libre o sin él. Los gases producidos incluían dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO), vapor de agua (H₂0), hidrógeno (H₂) y nitrógeno (N₂). Probablemente esta atmósfera contenía también un poco de amoniaco (NH₃), sulfuro de hidrógeno (H₂S) y metano (CH₄), aunque estas moléculas reducidas bien pudieron haberse degradado por la radiación ultravioleta del sol. Es probable que la atmósfera primitiva contuviera poco o nada de oxígeno libre (O₂).

Con el enfriamiento gradual de la Tierra, el vapor de agua se condensó, produciendo lluvias torrenciales que formaron océanos. Además, estas lluvias erosionaron la superficie de la Tierra, agregando minerales a los océanos, haciéndolos «salados».

Hay cuatro requisitos de la evolución química. Primero, la vida sólo podía evolucionar en ausencia de oxígeno libre. Como tal elemento es muy reactivo, su presencia en la atmósfera habría producido la degradación de las moléculas orgánicas necesarias en el origen de la vida. Sin embargo, la atmósfera de la Tierra tenía gran capacidad de reducción, por lo que el oxígeno libre habría formado óxidos con otros elementos.

Un segundo requerimiento para el origen de la vida debió ser la energía. La Tierra era un lugar con gran cantidad de energía, tormentas violentas, volcanes e intensa radiación, incluso la radiación ultravioleta del sol (figuras 2a y 2b). Probablemente «aquel» sol producía más radiación ultravioleta que el actual, y la Tierra no poseía una capa protectora de ozono para bloquear esta radiación.

Tercero, los elementos químicos que constituyen las piezas necesarias para la evolución química debían estar presentes. Estos elementos incluyen agua, minerales inorgánicos disueltos (presentes en forma de iones) y gases presentes en la atmósfera; como último requisito, tiempo.

Tiempo para que las moléculas pudieran acumularse y reaccionar entre sí. La edad de la Tierra proporciona el tiempo necesario para la evolución química. La Tierra tiene unos 4600 millones de años, y se cuenta con pruebas geológicas que hacen pensar en la aparición de formas simples de vida, hace 3500 millones de años.

Las moléculas orgánicas a partir de moléculas inorgánicas

Es necesario considerar el origen de las moléculas orgánicas debido a que constituyen la materia prima de la formación de los seres vivos. El concepto de formación espontánea de moléculas orgánicas simples, como azúcares, nucleótidos y aminoácidos, a partir de materia no viva, se propuso en 1920 por dos científicos que trabajaron de modo independiente: Oparin, un bioquímico ruso, y Haldane, un genetista escocés.

Su hipótesis fue puesta a prueba en 1950 por Urey y Miller, quienes diseñaron un aparato que simulaba las condiciones que se cree prevalecían en el inicio de la Tierra (figuras 3 y 4). La atmósfera con que iniciaron sus experimentos era rica en H₂, CH₄, H₂0 y NH₃. Los científicos expusieron esta atmósfera a una descarga eléctrica que simulaba la luz y la actividad eléctrica de la atmósfera.

El análisis de los elementos químicos producidos en una semana reveló la síntesis de aminoácidos y otras moléculas orgánicas. En la actualidad, se piensa que la atmósfera, en su fase inicial, no contenía gran cantidad de metano (CH₄) ni amoniaco (NH₃). Sin embargo, otros experimentos similares, en los que se utilizó diferentes combinaciones de gases, produjeron una variedad de moléculas orgánicas, incluso bases de nucleótidos de ARN y ADN.

Oparin supuso que las moléculas orgánicas se acumularon durante algún tiempo, en mares poco profundos, en forma de un «mar de sopa orgánica”. Este investigador consideró que en tales circunstancias, las moléculas orgánicas más grandes (polímeros) se formarían por la unión de moléculas más pequeñas (monómeros).

Con base en los datos acumulados desde entonces, casi todos los científicos consideran que la polimerización necesaria para la formación de proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas orgánicas no pudo haber ocurrido en esas circunstancias.

Muchas reacciones de polimerización involucran una síntesis por deshidratación, en la que dos moléculas se unen por la eliminación de agua y es poco probable que una reacción en la que se produce agua ocurra en el agua, en ausencia de las enzimas necesarias.

Además, tampoco es posible que los monómeros orgánicos en el océano hayan alcanzado niveles, o cantidades lo suficientemente elevados como para estimular su polimerización.

Es más probable que los polímeros orgánicos se hayan sintetizado y acumulado en rocas o en superficies de arcilla. La arcilla es un sitio favorable para la polimerización porque contiene iones de hierro y zinc, que pueden actuar como catalizadores. Además, la arcilla enlaza las formas exactas de azúcares y aminoácidos encontrados en los organismos vivos. También pueden presentarse otros aminoácidos y azúcares, pero éstos no se unen a la arcilla.

Los primeros Protobiontes

A partir de los componentes de esta atmósfera se crearon las primeras moléculas orgánicas: los aminoácidos (elementos constituyentes de las proteínas), la purina, la pirimidina, el azúcar (elementos constituyentes de los ácidos nucleicos) y los lípidos (elementos constituyentes de las membranas celulares).

Micrografía de células fósiles de tipo bacteriano, descubiertas en un depósito de Cuarzo negro en Australia. Su data es de 3500 m. de años.

Para que la primera fase de la aparición de la vida pudiera ocurrir, se requiere: una o varias fuentes de energía, una concentración local de macromoléculas orgánicas y efectos catalíticos para acelerar y dirigir el proceso.

Antes de que surgiera la primera célula, debieron de producirse cuatro etapas:

• Formación de moléculas de ARN capaces de dirigir su propia síntesis, es decir, autocopiativas.
• Desarrollo de mecanismos por los que el ARN pudiera dirigir la síntesis de proteínas.
• Formación de una membrana lipídica y su ensamblaje para poder rodear a la mezcla autorreplicante de ARN y proteínas.
• En una fase posterior del proceso evolutivo el ADN pasó a ocupar el puesto del ARN como material genético.

Los compuestos orgánicos abiógenos (formados sin vida como condición previa) se unieron para dar lugar a las primeras unidades vivas: los protobiontes.

Los protobiontes se desintegraban muy rápidamente a causa de influencias mecánicas. Es probable que los primeros protobiontes solo crecieran, ya que las sustancias determinadas en su interior eran sintetizadas cada vez en cantidades mayores. Una vez llenas de dichas materias explotaban.

Por evolución de protobiontes surgen los Eubiontes = verdaderas células (por tanto, con vida) capaces de crecer al tomar sustancias del medio y de fragmentarse al alcanzar un tamaño determinado.

Los protobiontes siguieron creándose pero no podían reproducirse de modo regularizado. Los primeros eobiontes con metabolismo y mecanismos de crecimiento y auto multiplicación funcionales, se alimentaba de los protobiontes. Allí donde los protobiontes y moléculas orgánicas libres empezaban a escasear, aparecía la competencia por dichos recursos entre los eobiontes.

Los eobiontes evolucionaron, dividiéndose en dos vías de alimentación. Una de ella desarrollo un sistema efectivo de ingestión de partículas orgánicas por fagocitosis. De este grupo resultaron posteriormente los organismos multicelulares.

El estudio de los protobiontes es útil para reconocer que las “pre-células” pueden presentar algunas propiedades de los seres vivos, Sin embargo, fue necesario un salto mayor para pasar de los agregados moleculares, como los protobiontes, a las células vivas. Los datos obtenidos de los registros fosilíferos muestran que las primeras células prosperaron hace 3500 millones de años. Sin duda alguna, las primeras células que evolucionaron fueron las procarióticas.

Podría decirse que el origen de las células a partir de macromoléculas fue un gran avance en el origen de la vida. Quizá no haya sido un gran avance, sino una serie de pequeños avances. Dos etapas cruciales de dicho proceso fueron el origen de la reproducción molecular y del metabolismo.