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Origen del oxígeno en la Tierra

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Se supone que el oxígeno de la atmósfera tiene origen fotosintético. En la atmósfera primitiva no había oxígeno, y los primeros fotosintetizadores lo generaron. Pero, no existen organismos fotosintetizadores (con fotosíntesis oxigénica) anaerobios, ya que tanto las plantas y algas como las cianobacterias respiran con oxígeno. Entonces, ¿qué tipo de organismo se supone que era el que empezó a fotosintetizar, pero no disponía de oxígeno para respirar? No es seguro que existiera organismos fotosintéticos anaerobios.

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual la energía solar excita electrones que son usados para formar enlaces de alta energía en moléculas orgánicas. Estos electrones provienen de una molécula dadora de electrones; que hoy en día es el agua, pero no siempre fue así. Se cree que en un comienzo, la fotosíntesis se realizaba usando el H2S (ácido sulfhídrico) como dador de electrones, siendo el producto de desecho el azufre elemental presente en la Tierra. Con el tiempo, apareció la fotosíntesis tal y como la conocemos, en que la molécula dadora de electrones para el proceso fotosintético es el agua, H2O. Pero este organismo fotosintético que usa el agua como fuente de electrones es aún anaerobio, es decir, no utiliza el oxigeno, luego no hace respiración celular. Esto es posible ya que en la fotosíntesis libera ATP (Trifosfato de adenosina) que es utilizado para la síntesis de moléculas orgánicas, pero no todo: se produce más ATP del usado en esta síntesis. Además, por la vía glicólitica podían también obtener energía de los azucares.

Por tanto, los primeros organismos fotosintéticos fueron anaerobios. ¿Qué se gana con un proceso tan avanzado como la fotosíntesis, si los organismos siguen siendo anaerobios, una forma tan ineficiente de obtención de energía? La independencia de los suelos. Estos nuevos organismos pueden ahora moverse más libremente ya que no necesitan de suelos ricos en moléculas inorgánicas para obtener su energía. Estos organismos antes descritos, anaerobios, fotosintéticos, que rompen H2O empezaron a transformar la atmósfera, a saturarla de ese oxigeno que eliminan como desecho. Fue entonces que apareció un organismo que revolucionó y cambio para siempre la vida en la Tierra: la bacteria mitocondrial. Un organismo que, dado que ahora había más concentración de oxigeno, fue capaz de utilizar este oxigeno para degradar los productos de alta energía que antes quedaban solo a medio consumir por la vía anaerobia.

Teoría sobre el origen del oxígeno molecular en la Tierra

Para este caso, existe una sola teoría general aceptada —aunque todavía bajo discusión— entre los científicos, la cual plantea que el oxígeno molecular en la Tierra se originó a partir de la fotosíntesis de las cianobacterias ancestrales. Antes de desarrollar esta teoría es importante repasar el origen del elemento oxígeno en la Tierra. Lazcano-Araujo habla de la evolución química en la Tierra y plantea la fusión de los átomos de hidrógeno a elevadas temperaturas para formar nuevos átomos: inicialmente dos átomos de hidrógeno más dos neutrones dieron lugar a un átomo de helio, y luego el carbono se originó a partir de helio y berilio (formado por dos átomos de helio), y posteriormente el oxígeno se forma a partir de átomos de helio y carbono.

El átomo de oxígeno fue uno de los primeros en formarse en el proceso de evolución química, sin embargo la forma diatómica molecular (O2) tardaría en aparecer porque la mayor parte del oxígeno se encontraba asociado a otros elementos (H, C, N, metales, etc.), y en este estado no era reactivo ni podía ser usado como aceptor final de electrones en las cadenas metabólicas.

Para describir el modelo de las cianobacterias, es necesario situarse en un planeta Tierra que ya posee grandes cantidades de agua, donde habitan microorganismos heterótrofos y fotosintéticos distribuidos en diferentes profundidades, y por lo tanto con diferentes características ecológicas.

En este planeta primitivo ya existía una atmósfera de carácter fuertemente reductor (totalmente reductor), debido a la heterogeneidad de la mezcla gaseosa que la componía, en la cual los procesos metabólicos eran simples, anaerobios y de baja eficiencia energética. Las cianobacterias son un grupo de microorganismos procariotas fotosintéticos, cercano a las algas (bajo algunas clasificaciones se encuentran clasificadas como algas verde–azules) por la presencia de pigmentos fotosintéticos clorofílicos que, mediante la acción de la luz, catalizan la siguiente reacción:

  • luz nCO2 + nH2O > (HCHO)n + nO2

Esta reacción muestra el origen del oxígeno molecular a partir de la ruptura de las moléculas de agua, y de esta forma se fue aportando —durante millones de años— el O2 a la atmósfera, incrementando su concentración hasta cambiar su carácter de reductora a oxidante. Si bien la teoría de las cianobacterias plantea que este mecanismo fue el responsable de la presencia del O2 en la atmósfera, evidencias experimentales han mostrado que puede no ser el único: la incidencia de la radiación ultravioleta produce la fotodegradación de la molécula de agua, que genera una cierta porción de oxígeno molecular, sin embargo ésta no debió ser muy significativa porque la longitud de onda necesaria para la fotodegradación del agua (ë < 210 nm) es la misma que absorbe el oxígeno, y por lo tanto la reacción se detiene en poco tiempo.

La capa de ozono en la Tierra se formó como consecuencia de la aparición del oxígeno molecular atmosférico, puesto que las moléculas de oxígeno que se encontraban a mayor altura fueron alcanzadas por la radiación ultravioleta produciendo una molécula triatómica de oxígeno (O3), denominada ozono. La acumulación del ozono sería otro de los factores que marcó el rumbo de la evolución orgánica en la Tierra, ya que esta capa actúa como un filtro muy eficiente de la radiación UV,1 dañina para el DNA de los organismos vivos.

Referencias

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Otras fuentes de información

Notas