Rocas de Sudáfrica revelaron el ciclo que ayudó a la Tierra a conservar oxígeno

Hace cerca de 2.300 millones de años, la Tierra atravesó uno de los cambios más profundos de su historia: el oxígeno empezó a acumularse en la atmósfera. Un nuevo análisis de rocas del Supergrupo Transvaal, en Sudáfrica, propone que ese avance no dependió solo de microorganismos capaces de liberar oxígeno.

El trabajo identificó un ciclo entre fósforo, sulfato, carbono orgánico y vida microbiana que contribuyó a sostener el oxígeno atmosférico durante una transición marcada por oscilaciones climáticas y químicas.

La investigación, publicada en Nature Communications y liderada en parte por el geólogo Andrey Bekker, de la Universidad de California en Riverside, examina cómo circuló el fósforo durante las últimas dos grandes glaciaciones del Gran Episodio de Oxidación. Los resultados indican que la disponibilidad de este nutriente cambió de forma constante según las condiciones del océano y que esas variaciones afectaron la capacidad de la biosfera para conservar oxígeno en el aire.

El primer incremento de oxígeno atmosférico ocurrió entre hace unos 2.430 y 2.060 millones de años. Ese período, conocido como Gran Episodio de Oxidación, alteró océanos, continentes y formas de vida. Antes de ese cambio, el aire y los mares contenían cantidades muy bajas de oxígeno libre. La presencia de este gas resultaba decisiva para ciertas reacciones químicas, aunque su acumulación no estaba garantizada: numerosos compuestos de la superficie terrestre podían consumirlo.

La nueva propuesta sitúa al fósforo en el centro de ese equilibrio. Este elemento forma parte de moléculas esenciales para los organismos, entre ellas el ADN, el ARN y los compuestos que almacenan y transfieren energía dentro de las células. Sin un suministro suficiente, la producción biológica disminuye. Con más fósforo disponible, en cambio, los microorganismos pueden crecer y transformar una mayor cantidad de carbono.

“Los seres vivos no pueden crecer ni funcionar correctamente sin fósforo”, afirmó Bekker. “Una vez que hubo mayor disponibilidad de fósforo en los océanos, se permitió que se enterrara más carbono orgánico. Un efecto secundario de este proceso es que se siguió liberando más oxígeno a la atmósfera”.

La relación entre el enterramiento de carbono y el oxígeno exige mirar el proceso en sentido inverso al que suele imaginarse. La materia orgánica contiene carbono producido por organismos vivos. Si esa materia se descompone en el océano o en los sedimentos cercanos a la superficie, las reacciones asociadas pueden consumir oxígeno. Cuando parte de ese carbono queda sepultado durante largos períodos, sale del circuito de descomposición. Entonces, una proporción mayor del oxígeno liberado por la actividad biológica puede permanecer en la atmósfera.

Los autores plantean que el planeta atravesó una retroalimentación positiva. Más oxígeno en los océanos favoreció un aumento de sulfato, una sustancia que algunos microbios emplean para degradar materia orgánica. Ese metabolismo devolvió fósforo al agua marina. El nutriente sostuvo más productividad biológica; esa productividad impulsó el enterramiento de carbono orgánico; y ese enterramiento limitó el consumo posterior de oxígeno. El resultado no fue una subida lineal y continua, sino un sistema sensible a cambios en la química del mar.

El fósforo disponible importa más que el fósforo total de una roca

El principal aporte metodológico del estudio reside en la forma en que el equipo examinó los minerales antiguos. Los análisis tradicionales permiten calcular cuánto fósforo contiene una muestra de roca, pero ese dato no responde una pregunta clave: cuánto de ese fósforo estuvo realmente al alcance de los organismos que vivían en el océano donde se formó el sedimento.

Para resolver esa diferencia, los investigadores aplicaron una técnica de partición de fases. El método separa el fósforo de acuerdo con el mineral al que aparece unido. A partir de disoluciones sucesivas, el equipo distinguió las fracciones que los seres vivos pudieron aprovechar de aquellas atrapadas en estructuras minerales poco accesibles para la biología.

La precisión cambia la lectura de los ambientes antiguos. Una roca puede registrar una concentración elevada de fósforo total y, aun así, reflejar un ecosistema con poco nutriente utilizable. Si el elemento queda fijado en minerales estables, no alimenta a los microbios ni aumenta la producción de materia orgánica. Por eso, la composición global de una muestra no basta para reconstruir el funcionamiento de los mares de hace miles de millones de años.

“Ahora podemos separar el fósforo que estaba disponible para los organismos del fósforo que estaba esencialmente inaccesible. Eso nos da una imagen mucho más clara de los niveles de nutrientes en los océanos antiguos de la que teníamos antes”, sostuvo Bekker.

Las rocas del Transvaal conservaron señales de dos glaciaciones del Gran Episodio de Oxidación. Durante las etapas frías, el clima extremo modificó la meteorización de las rocas continentales, es decir, su desgaste por acción del agua, la atmósfera y otros procesos naturales. Cuando el clima cambió tras las glaciaciones, el aporte de fósforo desde los continentes hacia el océano aumentó. Ese flujo pudo impulsar la actividad de los microorganismos y favorecer fases de oxigenación.

El oxígeno osciló durante millones de años antes de consolidarse

La modelización biogeoquímica incorporada al estudio refuerza esa interpretación. Según los cálculos del equipo, la interacción entre fósforo, sulfato y condiciones redox provocó una marcada inestabilidad de los niveles de oxígeno atmosférico durante la transición hacia una atmósfera con oxígeno persistente. En vez de mantenerse en una meseta tras su primer aumento, el gas pudo alternar entre fases de mayor y menor abundancia durante decenas de millones de años.

Esta conclusión cuestiona una imagen extendida de la historia terrestre: la idea de que el Gran Episodio de Oxidación resolvió de una vez el problema de la disponibilidad de oxígeno. El trabajo apunta a un escenario más variable, donde el planeta pudo contar con oxígeno abundante en ciertos momentos y perder parte de esa reserva en otros, según las respuestas del océano y de los microorganismos.

Las consecuencias alcanzan otra cuestión central de la evolución. Durante mucho tiempo, el oxígeno apareció como la principal limitación para el desarrollo de organismos complejos. Los nuevos datos sugieren que esa explicación puede resultar incompleta. Si existieron períodos prolongados con suficiente oxígeno, otros factores ambientales o biológicos pudieron retrasar la aparición y diversificación de formas de vida más complejas.

El hallazgo no elimina la importancia del oxígeno para la evolución. Los organismos multicelulares y muchas funciones metabólicas requieren niveles específicos de este gas. Pero introduce una distinción relevante: una atmósfera con oxígeno no implica que todas las condiciones necesarias para la complejidad biológica estén presentes. La disponibilidad de nutrientes, el clima, la química marina y la estructura de los ecosistemas también influyen sobre la vida.

El mecanismo reconstruido a partir de las rocas sudafricanas ofrece, además, una referencia para los océanos actuales. En varias regiones marinas, el calentamiento global reduce la concentración de oxígeno disuelto. Esa pérdida, conocida como desoxigenación, puede modificar el ciclo de nutrientes y alterar la productividad de los ecosistemas. Si disminuye el fósforo disponible para los organismos, la producción de materia orgánica también puede caer.

Los autores resumieron el alcance de su investigación al señalar que “mediante un enfoque de partición de fases del fósforo, demostramos que, tras un mayor flujo de fósforo inducido por la meteorización que estimuló la oxigenación después de la glaciación, el reciclaje del fósforo sedimentario estuvo controlado por fluctuaciones, impulsadas por retroalimentación, en la disponibilidad de sulfato y el estado redox oceánico”.

Para Bekker, esa historia también aporta criterios para buscar vida fuera de la Tierra. “La historia de la Tierra demuestra que el oxígeno, los nutrientes y la vida evolucionaron juntos”, dijo Bekker. “Comprender esas conexiones nos brinda una perspectiva más matizada sobre el futuro de nuestro planeta y lo que podríamos encontrar en otros planetas”.