evolución del clima. sanchéz - santillan. 2014

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Rev. Reflexiones 93 (1): 121-132, ISSN: 1021-1209 / 2014 EVOLUCIÓN DEL CLIMA A TRAVÉS DE LA HISTORIA DE LA TIERRA CLIMATE EVOLUTION ACROSS THE EARTH´S HISTORY Norma Sánchez-Santillán 1 [email protected] Rubén Sánchez-Trejo 2 [email protected] Guadalupe de la Lanza Espino 3 [email protected] René Garduño 4 [email protected] Resumen Naturalmente, la atmósfera y, por tanto, el clima evolucionaron junto con el continente, el océano, el interior de la Tierra y todos los demás componentes planetarios. Esta co-evolución frecuentemente fue a través de catástrofes, por cierto fructíferas, especialmente para la evolución y diversificación biológi- cas. En varias etapas, el vulcanismo aportó ingredientes a la atmósfera, otro tanto llegó con los cometas y meteoritos; el océano contribuyó con vapor de agua con sus sucesivos cambios de estado; y la deriva de los continentes aumentó la maritimidad y disminuyó la continentalidad de los climas. El océano también dio inercia térmica y, por lo tanto, estabilidad al clima. La aparición del oxígeno favoreció la vida, su disociación fotoquímica y sus recombinaciones consecuentes dieron lugar a la capa estratosfé- rica de ozono. Los incendios espontáneos pusieron límite superior a la concentración de oxígeno en la atmósfera, generado por la vegetación, lo cual conformó la atmósfera actual. Palabras clave: Clima, biología, evolución, historia, Tierra. Abstract In a natural way, the atmosphere –and therefore the climate- evolved together with the continent, the ocean, the interior Earth an all the other planetary components. This co-evolution was often via catastrophes, certainly very fruitful, especially for the biological evolution and diversification. In several stages, the volcanism contributed ingredients to the atmosphere, as much more arrived with the comets and meteorites; the ocean brought water vapor to it with its successive state changes; the continental drift increased the oceanity and decreased the continentality of climates. The ocean gave also thermal inertia and so stability to the climate. The oxygen appearance favored the life, and its subsequent photochemical dissociation and recombination yielded the stratospheric ozone layer. The spontaneous fires put upper limit to the atmospheric concentration of the oxygen generated by the vegetation, making up the present atmosphere. Key words: Climate, biology, evolution, history, Earth. 1 Departamento El Hombre y su Ambiente, UAM-Xochimilco. 2 Departamento El Hombre y su Ambiente, UAM-Xochimilco. 3 Departamento de Zoología, Instituto de Biología, UNAM. 4 Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM.

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evolucion de la tierra

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  • Rev. Reflexiones 93 (1): 121-132, ISSN: 1021-1209 / 2014

    EVOLUCIN DEL CLIMA A TRAVS DE LA HISTORIA DE LA TIERRA

    CLIMATE EVOLUTION ACROSS THE EARTHS HISTORY

    Norma [email protected]

    Rubn [email protected]

    Guadalupe de la Lanza [email protected]

    Ren [email protected]

    Resumen

    Naturalmente, la atmsfera y, por tanto, el clima evolucionaron junto con el continente, el ocano, el interior de la Tierra y todos los dems componentes planetarios. Esta co-evolucin frecuentemente fue a travs de catstrofes, por cierto fructferas, especialmente para la evolucin y diversificacin biolgi-cas. En varias etapas, el vulcanismo aport ingredientes a la atmsfera, otro tanto lleg con los cometas y meteoritos; el ocano contribuy con vapor de agua con sus sucesivos cambios de estado; y la deriva de los continentes aument la maritimidad y disminuy la continentalidad de los climas. El ocano tambin dio inercia trmica y, por lo tanto, estabilidad al clima. La aparicin del oxgeno favoreci la vida, su disociacin fotoqumica y sus recombinaciones consecuentes dieron lugar a la capa estratosf-rica de ozono. Los incendios espontneos pusieron lmite superior a la concentracin de oxgeno en la atmsfera, generado por la vegetacin, lo cual conform la atmsfera actual.Palabras clave: Clima, biologa, evolucin, historia, Tierra.

    Abstract

    In a natural way, the atmosphere and therefore the climate- evolved together with the continent, the ocean, the interior Earth an all the other planetary components. This co-evolution was often via catastrophes, certainly very fruitful, especially for the biological evolution and diversification. In several stages, the volcanism contributed ingredients to the atmosphere, as much more arrived with the comets and meteorites; the ocean brought water vapor to it with its successive state changes; the continental drift increased the oceanity and decreased the continentality of climates. The ocean gave also thermal inertia and so stability to the climate. The oxygen appearance favored the life, and its subsequent photochemical dissociation and recombination yielded the stratospheric ozone layer. The spontaneous fires put upper limit to the atmospheric concentration of the oxygen generated by the vegetation, making up the present atmosphere.Key words: Climate, biology, evolution, history, Earth.

    1 Departamento El Hombre y su Ambiente, UAM-Xochimilco.

    2 Departamento El Hombre y su Ambiente, UAM-Xochimilco.

    3 Departamento de Zoologa, Instituto de Biologa, UNAM.

    4 Centro de Ciencias de la Atmsfera, UNAM.

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    lugar a dudas, en la colonizacin de la vida del ocano a la superficie terrestre al regular el clima y, en consecuencia, diversos procesos biolgicos, como la evolucin de los ritmos circadianos, entre muchos otros.

    Primordios de la atmsfera A travs de cientos de millones de aos

    de emisiones volcnicas, se arrojaron elementos voltiles los cuales quedaron retenidos gracias a la gravedad del planeta, y originaron la prime-ra atmsfera primitiva compuesta por dixido de carbono (CO2), nitrgeno y vapor de agua como elementos mayoritarios, y monxido de carbono y gases de azufre como componentes minoritarios; adems de una pequea proporcin de cido clorhdrico e hidrgeno (Prez, 2006); sin embargo, an se discute si el proceso de nucleacin requerido para la formacin de nubes es semejante al actual, en el cual las cenizas fun-cionan como ncleos higroscpicos, entre otras cinco nucleaciones que son arena, polvo, cenizas volcnicas, polen, bacterias y virus, entre otros (Schaefer y Day, 1981; Junge y Swanson, 2008). De igual forma, la baja masa del hidrgeno faci-lit su evasin hacia el espacio y, paralelamente, el bombardeo de los cometas aport amoniaco, metano y agua, los cuales se incorporaron gra-dualmente a la atmsfera. Algunos autores sea-lan que, a lo largo de 4.000 Ma, el arribo de esos cuerpos aportaron por lo menos el 10% de toda el agua presente en el planeta (Hartogh et al., 2011). Si bien la proporcin del aporte de agua por esta va fue baja, respecto al volumen total, se sabe que la Tierra estuvo sometida a un bombardeo prolongado de cometas, los cuales se expre-san como crteres en la Luna y en Marte; sin embargo, en el caso de la Tierra, estos han des-aparecido a manos del intemperismo geolgico, hidrometeorolgico y biolgico; no obstante, la importancia de tal aporte hdrico por los cometas radica en que tambin contribuyeron con consi-derables volmenes de nitrgeno y bixido de carbono, este ltimo, liberado en forma gaseosa, constituy por mucho tiempo, la base principal de la atmsfera; ms tarde, fue removido por los organismos vivos y sepultado en los sedimentos bajo la forma de carbonatos (Dobretsov et al.,

    El quinteto perfectoDesde el inicio de la formacin de nuestro

    planeta, coexistan cinco subsistemas de manera interrelacionada e interdependiente distribuidos en tres internos y dos externos. Los primeros son la corteza terrestre (tectognesis, formacin del piso ocenico, vulcanismo, sismos, pliegues, fallas geolgicas y descamacin), la hidrosfera (ocano, agua dulce lquida y congelada) y la atmsfera, estos operaron a travs de vertigino-sos, e, incluso, catastrficos procesos fsicos y qumicos. Los subsistemas externos correspon-den al Sol y la Luna; el primero sujeta gravita-cionalmente a la Tierra y es su fuente de energa, esta ltima tiene carcter cclico y modula etapas climticas tan importantes para la historia geol-gica como las glaciaciones (Wang et al., 2012), condicin ms frecuente en el planeta respecto a los interglaciales (Anguita, 2006). Sin embargo, hace 3,5 Ma, la actividad del Sol era 30% menor al actual, explicando, en parte, la paradoja del Sol Dbil (Ribas, 2006), fase en la cual la temperatu-ra de los incipientes ocanos no alcanz la tempe-ratura de congelacin como consecuencia de un importante efecto invernadero provocado por las altas concentraciones de CO2 cuya concentra-cin en la atmsfera se piensa era del 3% contra 0,035% respecto a la actual (Jaramillo, 1994). El aspecto de la Tierra, en esa etapa, debi de haber sido desolador, desde la perspectiva actual, con un cielo negro, por la ingente cantidad de cenizas emitidas por el vulcanismo y la delgada capa de atmsfera, en la que, incluso, al no haber ozono (O3), no haba efecto invernadero (Kasting, 1993). No obstante, la penetracin de rayos ultravioleta (UV) facilit, eventualmente, las reacciones fun-damentales que dieron paso al origen de la vida. La dinmica de la Luna aport estabilidad, parti-cularmente al clima, a travs de la oblicuidad que le dio al eje de la Tierra; asimismo, la duracin del da y la noche pas de 4,5 horas de luz por 4,5 de oscuridad hasta llegar a lo que actualmente se tiene, que son 12 por 12 horas en las reas tropi-cales (Williams, 2000). El paulatino alejamiento de la Luna contribuy, incluso hasta a la fecha, a una disminucin paulatina de las enormes mareas ocenicas ocasionadas por la cercana de la Luna (Archer, 1996; Lpez et al., 2010), e incidi, sin

  • Rev. Reflexiones 93 (1): 121-132, ISSN: 1021-1209 / 2014 123Evolucin del clima a travs de la historia de la Tierra

    2008), procesos que en conjunto coadyuvaron al origen y evolucin de la vida.

    El oxgeno jams sali como tal del inte-rior de la Tierra y tampoco lleg con los come-tas; fue durante algn tiempo cuando la fotlisis del agua comenz a introducirlo a la atmsfera (Fairn, 2004). Dicha reaccin se desencadena cuando impacta sobre el agua, radiacin UV con longitud de onda inferior a 246 nm, y rompe as la molcula en sus elementos constituyentes; actual-mente, este proceso apenas ocurre. Durante los primeros millones de aos, las altas temperaturas de lo que hoy sera la corteza terrestre favorecie-ron la evaporacin hacia la atmsfera alta y con ello el engrosamiento progresivo de sta.

    Dado que el oxgeno atmico (O) es alta-mente reactivo, se oxidaron todos los gases atmosfricos, se transform el monxido de car-bono en dixido y se redujeron los componentes del azufre a trixido de azufre, cuya posterior hidratacin formara, mucho ms tarde, cido sul-frico; eventualmente, este caera a la superficie y producira los sulfatos encontrados actualmente en minerales como el yeso (Gmez-Caballero y Pantoja-Alor, 2003).

    La creacin de los estratos atmosfricosAl avanzar la estratificacin de sus com-

    ponentes, de acuerdo con su densidad, se confor-m una atmsfera cada vez ms densa y gruesa, y adquiri un color blanco, con abundante CO2, nitrgeno y vapor de agua; hasta que finalmente los componentes de la atmsfera primitiva alcan-zaron el punto de equilibrio crtico y permitieron la evolucin de esta hasta su estructura actual. Se sabe, por la datacin de los istopos de los gases nobles, que la atmsfera primitiva posea una cantidad de CO2 cuya presin parcial era de entre 20 y 40 atmsferas actuales (Massabuau, 2003); hoy se tiene una presin total de una atmsfera/cm2, de manera que aquella era enormemen-te pesada; el nitrgeno por s solo ejerca una presin semejante a la actual. Lo anterior debi tener importantes consecuencias en los procesos fsicos y qumicos dentro de la estructura vertical de la atmsfera, pues precisamente las reacciones qumicas dependen tanto de la presin como de la temperatura para alcanzar los diferentes

    tipos de estado (slido, lquido o gaseoso) que, eventualmente, a travs de procesos evolutivos, desarrollaron tanto las diferentes capas, como la composicin de cada una de ellas en la atmsfera. Esta disminucin de la presin baromtrica ha llevado millones de aos y podra ser una de las causas por las cuales la vida fuera del agua tard en desarrollarse.

    El incipiente sistema termodinmicoUna vez que surgi la vida, las reacciones

    biogeoqumicas entraron en escena y desencade-naron procesos de co-evolucin entre todos los componentes en un prstino ecosistema terrestre, con una abundante diversidad de nichos por conquistar. La prueba ms fehaciente de esta co-evolucin es la diversidad metablica entre las eubacterias o bacterias verdaderas y arqueobacte-rias o extremfilas (Margulis y Fester, 1991), que pese a su simplicidad estructural fueron funcio-nalmente tan complejas que pudieron aprovechar y modificar todos los tipos de sustrato orgnico e inorgnico para obtener energa y habitar en todos los ambientes del planeta, incluso los ms extremos. El flujo entre todos estos subsistemas se relaciona de tal forma que un cambio en uno de ellos, por pequeo que sea, tiene la capacidad de producir mutaciones en todos los dems, razn por la cual asumir la evolucin de la Tierra impli-ca pensar en un sistema termodinmicamente abierto y fundamentado en la segunda ley de la termodinmica.

    El origen del ozono y su imprescindible papel en la evolucin orgnica

    La presencia del oxgeno molecular (O2), tanto en la hidrosfera como en la atmsfera, si bien est en discusin, la teora ms aceptada es que se origin a partir de procesos fotosintticos de cianobacterias ancestrales que, a lo largo de millones de aos, incrementaron su concentra-cin. Conforme aument el oxgeno molecular, la atmsfera engros y alcanz mayor altura, en la parte superior de sta se disoci por la radiacin UV y se recombin, y produjo una molcula triatmica de oxgeno denominada ozono (O3). Sin duda, la acumulacin del O3 fue uno de los

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    factores que marc el rumbo de la evolucin orgnica en la Tierra, pues esta capa acta como un filtro altamente eficiente el cual evita el paso de la radiacin UV que daa el material gentico de los organismos; sin embargo, es posible que los rayos UV hayan desencadenado el mecanismo gentico emergente de almacenar la informacin en ms de un gen, para limitar las mutaciones.

    Vida: la forma ms improbable de la materia

    En presencia de agua y oxgeno molecular, el proceso evolutivo produjo una gran diversi-dad de organismos (plantas, animales, hongos y microorganismos) en los mares y cuerpos de agua continentales. Hablar de biodiversidad implica un concepto fundamental basado en la segunda ley de la termodinmica, en la cual la evolucin es la responsable de que el orden y estabilidad de los organismos sea, sin lugar a dudas, la ms improbable de las formas, pues los conjuntos de especies que conforman las intrincadas redes tr-ficas van variando en tiempo y espacio a travs de mecanismos de especiacin y extincin puntual, donde los procesos climticos, ocenicos y geol-gicos en todas las escala espaciales y temporales estn intrnsecos, de manera que la evolucin transita de manera rtmica en la siguiente secuen-cia: tras una extincin, los nichos quedan libres para ser ocupados por otros organismos bajo otra sinfona de caracteres.

    Las vicisitudes para invadir el medio terrestre

    La colonizacin de la vida desde el medio acutico hacia las tierras emergidas fue un gran paso para todos los seres vivos, debido a que precis de una reformulacin del plan estructural metablico y fisiolgico, para aprovechar el ox-geno atmosfrico y hacer frente a las condiciones fluctuantes de temperatura, disponibilidad de humedad en el ambiente y fuentes de agua para abastecerse. El clima en las porciones emergidas de la superficie terrestre tiene una capacidad calorfica sustantivamente menor que el ocano, razn por la cual las fluctuaciones trmicas del clima continental son mucho ms amplias que

    del clima ocenico. Paralelamente, se requirieron dos formas estructurales fundamentales para la colonizacin: las extremidades como mecanismo de locomocin y la cabeza como una articulacin del tronco; es decir, la conformacin de un cue-llo, tanto en invertebrados como en vertebrados, como un proceso de evolucin convergente, hace 420 Ma; es decir, en el Silrico Medio.

    La relevancia de la paradoja equilibrio-desequilibrio

    La evolucin conlleva ciclos en los cua-les ocurren cambios de fase de los diferentes componentes tanto abiticos como biticos que interactan y se retroalimentan. Los ciclos invo-lucran una sucesin paulatina que incluye etapas ordenadas cuya duracin es, generalmente, pro-longada desde una perspectiva temporal, para luego transitar por etapas de desequilibrio o inestabilidad, mediante las cuales un evento en uno de los sistemas detona otros en los dems; lo que les permite eventualmente una evolucin. De tal suerte que nunca regresan a su estado original, dado que durante el proceso evolutivo adquieren informacin que van incorporando hasta llegar a un nuevo estado de equilibrio para luego transitar hacia el desequilibrio, etapa regularmente ms rpida que la primera, para dar lugar a un nuevo ciclo de glaciacin/interglaciacin. En cada ciclo, la informacin se almacena en el genoma y per-mite una mayor riqueza de la vida. Un claro ejem-plo de esto son las protenas de choque calrico hps70 cuya funcin es almacenar la informacin de la variabilidad climtica por la que ha transi-tado cada especie a lo largo de las distintas eras geolgicas, lo cual les permite sobrevivir, incluso a travs de perodos glaciales e interglaciales (Mohanty et al., 2010). Una parte fundamental para comprender los ciclos es el anidamiento que se da entre unos y otros, as como la velocidad de estos; en los cuales, el papel de la tempera-tura crtica, sobre todo para la disponibilidad de la humedad absoluta en el ambiente, as como de otros elementos de la atmsfera, les permite cambiar de estado, dentro de una atmsfera que a travs de miles de millones de aos pas de un carcter reductivo a uno oxidante.

  • Rev. Reflexiones 93 (1): 121-132, ISSN: 1021-1209 / 2014 125Evolucin del clima a travs de la historia de la Tierra

    Co-evolucin: orgnico-inorgnico El proceso de transicin de la atmsfera

    qumicamente reductiva a oxidante debe involu-crar a los ciclos de las rocas, del carbono y del agua, por mencionar slo tres. Con esta visin, evitaramos los modelos sistemticamente reduc-cionistas basados en el principio de causa-efecto que muchas veces resultan inconexos para com-prender las diferentes etapas de la evolucin, o mejor dicho de la co-evolucin, en la cual intervienen biota, corteza terrestre (litosfera que incluye tanto la porcin slida como la lquida ocanos) y atmsfera.

    Desde la perspectiva sistmica, podramos preguntarnos si debemos considerar si las rocas volcnicas son la materia prima para todos los procesos petrogenticos posteriores?, o si la actividad volcnica en el en Arqueano produ-ca el mismo tipo de edificacin volcnica que la actual?, si ha variado el ritmo e intensidad del vulcanismo terrestre a medida que nuestro planeta se ha ido enfriando?, o qu ha detonado los periodos de intensa actividad volcnica a lo largo del registro geolgico? y si la intensidad, frecuencia y posible ciclicidad del vulcanismo terrestre podran extrapolarse a otros cuerpos planetarios con satlites? Todas estas preguntas requieren un profundo anlisis para cada una de las eras geolgicas, pues no tuvo el mismo impac-to en la biodiversidad, basta revisar el caso de las extinciones ocurridas durante la superpluma del Cretcico Medio, cuando se present una acti-vidad volcnica generalizada a nivel planetario, donde mediante procesos convectivos el magma emergi hacia la litosfera (Larson, 1995) y la separacin de los continentes (deriva continental) permiti una radiacin y aislamiento de especies, a diferencia de los procesos volcnicos que dieron origen a las tierras emergidas durante el Pre-cmbrico con condiciones climticas totalmente diferentes, reflejadas en los antagnicos climas entre ambos periodos. Sin embargo, el vulcanis-mo inicial podra resultar bastante alejado del actual, dado que el grosor de la corteza terrestre era distinto al presente; as como los procesos de tectnica de placas en los que estn involucrados los mecanismos de subduccin, hoy ampliamente conocidos; sin embargo, eran inexistentes en la

    Tierra primigenia, lo predominante era la con-vectividad del magma hacia la incipiente corteza, posiblemente elaborada a manera de edificios volcnicos similar al fenmeno de los denomina-dos volcanes en escudo de la cual Carracedo et al. (2005) muestra un ejemplo del proceso.

    Las emisiones volcnicas en la gnesis de la atmsfera primigenia

    La fraccin gaseosa de la mayor parte de los magmas volcnicos constituye slo del 1% al 6% de su masa; an as, la cantidad total de gases emitidos en una erupcin puede llegar a superar varios miles de toneladas al da. Si bien la pro-porcin de gases volcnicos puede variar sustan-cialmente en funcin del tipo de vulcanismo, los valores medios de las emisiones suelen contener 70% vapor de agua, 15% CO2, 5% nitrgeno, 5% de dixido de azufre y cantidades menores de cloro, hidrgeno, argn, monxido de carbono y metano, entre otros. A partir de estos datos, es fcil imaginar que los gases aportados por las erupciones contribuyeron significativamente a la composicin qumica de la atmsfera actual, cuya principal caracterstica es su alta dinmica temporal y espacial. Su evolucin posterior debe interpretarse en el marco de un complejo sistema de interrelaciones en las que la temperatura del planeta, la presencia de agua, la desgasificacin volcnica y el ciclo del CO2 son slo algunos de los factores influyentes. Las emisiones desde la gnesis de la atmsfera primigenia y a lo largo de la evolucin de la Tierra antes de la coloni-zacin continental por la vida han evolucionado tanto en cantidad como en composicin de los gases emitidos, simplemente por los cambios de la temperatura crtica que se han dado junto con las transformaciones del grosor y densidad de la atmsfera. En este proceso, la aparicin de la vida (y la fotosntesis), la presencia de agua y la acti-vidad volcnica fueron fundamentales. La acti-vidad volcnica y su papel en la evolucin de la corteza y de la atmsfera, as como en los ciclos biogeoqumicos, no pueden plantearse desde un catastrofismo ingenuo; sino como una opcin que abri las puertas hacia el surgimiento biolgico. La frecuencia e intensidad del vulcanismo actual es local en diversas regiones del planeta, si bien

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    genera alteraciones a nivel global en cuanto la dinmica meteorolgica por la rpida dispersin del contenido emitido durante las emisiones a la atmsfera, su impacto geolgico y biolgico lo es a escala local; sin embargo, desencadena una reaccin en cadena; al modificarse un ecosiste-ma, los aledaos tambin, de manera que deben considerarse diferentes escalas de anlisis tem-porales y espaciales. Un caso de mayor enverga-dura sera la esperada sper erupcin del Parque Yellowstone (Perkins y Nash, 2002) de la cual se sabe tiene un ciclo de 600.000 aos; periodo temporal corto en relacin al ciclo de vida del planeta se refiere, pero sin duda ha contribuido en los procesos de extincin puntual.

    Eventualmente, el vulcanismo conform una atmsfera secundaria rica en hidrgeno, pero pobre en oxgeno, lo cual desencaden un efecto invernadero, debido a que la radiacin UV prove-niente del Sol qued atrapada en las capas supe-riores de la atmsfera por las molculas de O3, que en ausencia de oxgeno llegaba libremente a las capas bajas de la atmsfera. Un aspecto sobre-saliente de la composicin de sta, tanto actual, como la secundaria; es decir cuando ya tena un carcter oxidante, es la abundancia de vapor de agua, el principal gas de efecto invernadero.

    La incorporacin de oxgeno libre (O2) a la atmsfera fue gradual, se estima que hasta hace aproximadamente 2.000 Ma se cont con cantidad suficiente para formar la capa de O3, y su principal papel en la evolucin de la vida fue proteger de los rayos UV a la superficie terrestre, lo cual permiti un desarrollo ms acelerado de la diversidad biolgica (Dobretsov et al., 2008). Sin embargo, en otros planetas, donde la capa de O3 es inexistente, es posible que los seres vivos desarrollen otras estrategias emergentes para evi-tar daos en su material gentico, tal vez corazas formadas por minerales que funcionen como una barrera reflexiva.

    La biodiversidad primitiva: altamente dinmica

    La diversificacin de la vida marina y terrestre ha estado estrechamente ligada con cuatro factores. Primero, la tectnica de placas con una incipiente deriva continental dada la

    poca proporcin de tierras emergidas, donde la orografa se constituy por accin volcnica, derivado de los iniciales procesos de subduccin. Segundo, ubicacin de las tierras emergidas res-pecto al ecuador trmico; pues la distribucin del calor emanado por el Sol era transportado, al igual que hoy, por las corrientes marinas y la circulacin general de la atmsfera. Tercero, con el tamao de la corteza terrestre emergida y la cercana o lejana del ocano propiciando climas hmedos o secos, respectivamente. De manera que la biodiversidad es un concepto muy din-mico, puesto que la composicin de las especies vara en el tiempo y en el espacio a travs de procesos de especiacin y extincin, regulados en buena medida por las fluctuaciones en su ambiente, este ltimo regido por cambios geol-gicos y climticos. Y cuarto, con la composicin qumica de la atmsfera.

    La teora del uniformitarismo, propuesta por Hutton (1785), establece que las leyes fsi-cas, qumicas y biolgicas que actan hoy, lo han hecho tambin en el pasado geolgico. Este axioma asimismo denominado actualismo por algunos gelogos, si bien se cumple para todas las eras geolgicas, las velocidades de los procesos han cambiado en cada era geolgica (Tarbuck y Lutgens, 2000); sin embargo, los preceptos de dicha teora no se aplican al inicio de la Tierra, pues las condiciones no eran semejantes a las actuales, ya que el oxgeno promotor de la oxi-dacin de las rocas estaba ausente y, por lo tanto, las reacciones eran meramente fisicoqumicas, altamente reductoras y no haba bioqumica generada por los microorganismos. En cambio, estaban muy presentes la meteorizacin y alte-racin hidrotermal de las rocas y su consecuente erosin, tal y como lo seala Ebert (1970) en su trabajo sobre la geologa del Precmbrico en lo que se conoce como el Cinturn de Borborema.

    El estado primordial de la Tierra: glaciacin

    Durante el Precmbrico, el 88% de la his-toria de la Tierra (4.500 a 570 Ma), se produjeron dos glaciaciones; primero, la Huroniana con una duracin de 400 Ma, dividida en tres etapas fras, la cual pudo ser consecuencia de la reduccin del

  • Rev. Reflexiones 93 (1): 121-132, ISSN: 1021-1209 / 2014 127Evolucin del clima a travs de la historia de la Tierra

    metano y la contribucin de oxgeno producido por las cianobacterias, pues el marcado descen-so trmico regula la dinmica de los gases, la cual est regida por la presin, el volumen y la temperatura. La segunda glaciacin, a finales del Precmbrico (1.000 a 580 Ma), se extendi por todos los continentes y abarc incluso, latitudes tropicales; sin embargo, se desconoce el grosor de la capa de hielo formada sobre los ocanos, y los organismos unicelulares se refugiaron en algunos mares tropicales no congelados y en fondos mari-nos. La magnitud de la glaciacin precmbrica convirti al planeta en lo que hoy se denomina, segn Hoffman y Schrag (2002), la Teora de la Bola de Nieve. Entre las causas que se atribuyen al fenmeno estn la destruccin de los gases de invernadero, el enorme albedo planetario, el movimiento de las placas continentales con la conformacin del sper continente Rodinia y la eventual fragmentacin y dispersin de este.

    La calidez del planeta: madre de la explosin de la vida

    A comienzos del Cmbrico, los mares se elevaron, se inici el ciclo de Wilson que cerrara, a finales del Paleozoico, las masas continentales para conformar el Pangea (Wilson, 1963), las cuales se fueron fraccionando a gran velocidad (15 cm/ao), comparada con la cifra actual que es de 2,5 cm/ao, para formar los escudos de Laurentia, Bltica y Siberia hacia el ecuador desde el gran continente austral, Gondwana, al formar la orognesis pana-fricana que se extendi desde el polo sur hasta el ecuador. En esta etapa, se produjo la mayor explo-sin de vida, la cual coincidi con una bonanza climtica en un proceso dinmico de co-evolucin, aunado a la abundancia de mares someros y abier-tos por la separacin de las masas continentales, donde la temperatura promedio se estima en 22C, lo que desencaden el consecuente aislamiento de especies, las cuales se fueron diversificando filoge-nticamente hasta conformar otras nuevas, proceso denominado vicarianza (Mayr, 1976).

    Durante el Ordovcico, el desplazamiento de la corteza lleg hasta las porciones australes del globo y se desencaden una gran glaciacin que dur cerca de 20 Ma. A mediados del Silri-co, los hielos se retiraron y de nuevo predomin

    un clima clido. Posteriormente, entre el Car-bonfero y el Prmico, se produjo la mayor gla-ciacin del Paleozoico, la cual dur 100 Ma. El inicio del Carbonfero fue clido; en los bloques continentales situados en torno al ecuador, en gran parte de la antigua Amrica del Norte y de Europa se desarrollaron extensos bosques en ambientes pantanosos que formaron los actuales depsitos de carbn. Paralelamente, se establecie-ron en las plataformas continentales, abundantes sedimentos calcreos que pudieron emitir ingen-tes volmenes de CO2 hacia la atmsfera para enfriar el clima de la Tierra. Nuevamente, entre el Carbonfero Medio y el Superior ocurri otra expansin de glaciares, y descendi el nivel del mar. As, la gnesis y evolucin del Pangea pro-dujeron importantes fluctuaciones climticas, con caractersticas ridas en el interior del continente y hmedas o de gran maritimidad hacia los lito-rales, lo cual ocasion con ello, la gran extincin del Prmico (Crowley et al., 1991; Agust, 1996).

    Mosaico orogrfico y celdas de circulacin atmosfrica: motores de la biodiversidad

    En el Mesozoico (248 a 65 Ma), predo-minaron los climas clidos, no hubo ninguna glaciacin. Probablemente, la separacin de los diversos bloques que constituyeron el Pangea estuvo acompaada de una gran actividad volc-nica. Con esta separacin, se mitigaron los climas ridos, se volvieron ms hmedos y favorecieron un gran desarrollo vegetal. A travs del Trisico, Jursico y Cretcico, la separacin de los conti-nentes y la orognesis fueron colosales, trajeron consigo un efecto fundamental en los climas de la Tierra, denominado sombra orogrfica y, en consecuencia, una mayor diversidad de ambientes climticos que funcionaron como nuevos nichos ecolgicos. Finalmente, en el Cenozoico, los continentes continuaron su desplazamiento hasta alcanzar su distribucin actual. Lo estructural-mente distinto, respecto a las anteriores etapas geolgicas, es la disposicin de las celdas de Had-ley, las cuales desencadenan la circulacin gene-ral de la atmsfera, sobre todo en la tropsfera, porcin particularmente importante para el desa-rrollo de la vida. En anteriores eras, el anlisis

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    de la disposicin, tamao e intensidad de las celdas, junto con la composicin de la atmsfera, podran aportar datos para comprender los climas de entonces. Asimismo, es importante destacar que cada periodo glacial conlleva alteraciones en la difusin de los gases entre la atmsfera y el ocano, al reducir la humedad ambiental y des-encadenar importantes sequas. Sin embargo, un aspecto favorable para los organismos terrestres son los puentes intercontinentales que se forman durante las glaciaciones para la radiacin de especies hacia otras regiones.

    Eventualmente, las condiciones climticas, geolgicas y oceanogrficas, aunadas a las influen-cias lunar y solar, varan irremisiblemente, de mane-ra que para poder analizar cada era geolgica hay que contemplar el lento descenso de la rotacin de la Tierra, el cual influenci la duracin de los das respecto a las noches, los ciclos de actividad solar, el clima de los continentes, la composicin y la din-mica atmosfrica. Con ello se podrn comprender adaptaciones biolgicas especficas de acuerdo con las caractersticas geolgicas y fsicas del entorno; como sera el caso de las semillas de los pinos de la especie Pinus hartwegii.

    Durante la poca en la que se conform la genealoga de la especie sealada, la atms-fera respecto a la actual era ms abundante en oxgeno y predominaban las temperaturas altas; estas condiciones pudieron haber generado nubes de gran desarrollo vertical en donde imperaba una alta convectividad, la cual se alimentaba de la abundante humedad relativa proveniente de elevadas tasas de evaporacin. Todas estas caractersticas propiciaron el desarrollo frecuente de tormentas elctricas, eventualmente detona-doras de incendios. El fuego como condicin recurrente orill a las incipientes especies de pinos a desarrollar mecanismos para continuar y mantener su poblaciones; de manera que la viabi-lidad de las semillas contenidas en la estructura reproductiva (estrbilos) debi desarrollar dos estrategias paralelas: contener semillas viables en ausencia y presencia de fuego, para que bajo cualquiera de las condiciones meteorolgicas sealadas, las semillas tuvieran xito. De manera que la estrategia que se observa en la actualidad explica el porqu slo un tercio de las semillas contenidas en dicha estructura reproductiva sean

    biolgicamente viables cuando las testas o envol-turas de stas estn sometidas a las altas tempe-raturas registradas durante un incendio; mientras que los otros dos tercios lo hacen bajo condicio-nes normales y aseguran as la reproduccin de la especie bajo una u otra situacin.

    Este mecanismo de viabilidad en las tes-tas de las semillas de las conferas podra ser una alternativa de reproduccin en la cual se obtendran dos ventajas: primero, aprovechar la abundancia de humus, con gran disponibilidad de nutrientes por la degradacin de la materia orgni-ca durante el incendio y; segundo, la ruptura de la testa que alberga la semilla, slo en una porcin de la pia. Este mecanismo alternativo de reproduc-cin se convierte en una propiedad emergente para la sobrevivencia de la especie. Se podran ejempli-ficar diversas adaptaciones de distintas especies a lo largo de cada era geolgica, lo que dara pie a una nueva visin integradora de la evolucin de la vida bajo condiciones que ahora podramos pensar extremas, pero que lejos del catastrofismo desen-cadenan la sinergia de los procesos co-evolutivos.

    Invasin terrestreDurante la transicin de la vida marina a la

    terrestre, gran parte de los organismos desarrolla-ron exoesqueletos que impidieron la desecacin y pudieron colonizar tierra firme. Algunos peces desarrollaron pulmones y generaron la opcin de un nuevo grupo filtico capaz de colonizar las tierras emergidas.

    La vida marina tard miles de millones de aos en colonizar la corteza terrestre; las primeras plantas terrestres se establecen hacia finales del Silrico (Era Paleozoica), de manera que transcurrieron 408 Ma (Cuadro 1). Una de las causas probables fue la falta de suelo como un sustrato para la vegetacin, pues las rocas tuvieron que pasar por innumerables procesos de erosin y sedimentacin, en los que la elevacin del nivel del mar pas por etapas sucesivas de inundacin y transgresin marina. Otra de las causas pudo haber sido que las mareas eran muy rpidas y amplias, la presencia de las diferentes capas de la atmsfera con desigual concentracin de gases, sobre todo de oxgeno, constituyen junto con otros elementos, la radiacin tarda de la vida en otro tipo de sustrato.

  • Rev. Reflexiones 93 (1): 121-132, ISSN: 1021-1209 / 2014 129Evolucin del clima a travs de la historia de la Tierra

    Cuadro 1Escala de tiempo geolgico (Datos de la Sociedad Geolgica de Amrica)

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    Oxgeno vs bixido de carbono: buscando el equilibrio en un planeta viviente

    Uno de los mayores enigmas a lo largo de la historia biolgica de la Tierra es porque

    el oxgeno no continu aumentando conforme la vida vegetal, sino que fue colonizando el planeta hasta nuestros das, estabilizndose su concentracin en el 21% de la atmsfera actual (Cuadro 2).

    Cuadro 2Oxgeno atmosfrico segn Cloud (1981)

    Tiempo en Ma Hecho que determina la necesidad de oxgeno Oxgeno atmosfrico (porcentaje respecto al actual)

    2.000 Metabolismo de oxidacin Capas rojas generalizadasInicio de la acumulacinFormacin de una capa de O3

    1.400-1.300 Clulas eucariotas Ms del 1%

    700-670 Seres multicelulares 6 a 7%

    600-550 Esqueletos externos 10%

    400 Plantas terrestres 100%

    Dado que la vida vegetal produce ox-geno, debe existir algn sumidero que lo retire conforme se forma; sin embargo, los dos sumideros conocidos, hasta ahora, son la oxidacin de la materia orgnica e inorgnica, ambas insuficientes para frenar su aumento. Mediavilla (2010) sugiere que en los ltimos cientos de millones de aos, la actividad vol-cnica ha descendido y la oxidacin de los nuevos materiales inorgnicos emplea mucho menos oxgeno que en sus orgenes. Asimismo, seala que el otro sumidero de oxgeno es la oxidacin de los hidrocarburos generados por la descomposicin anaerobia, los cuales se acumulan en suelos, zonas pantanosas y fondo del ocano cercano a la costa, pero cuando ocu-rren levantamientos continentales o descensos del nivel del mar, ocurre una desecacin de los humedales aunada a su deforestacin y, en consecuencia, los sedimentos quedan expues-tos a la intemperie, la erosin se acelera y con ella se impulsa la descomposicin aerobia de los hidrocarburos y del humus de los suelos con una disminucin del oxgeno y aumento del CO2. No obstante, estas reacciones de

    oxidacin se han desarrollado a lo largo de la historia biolgica de la Tierra y jams frenaron el aumento del oxgeno del aire.

    Tras analizar lo anterior, Lovelock (1992) sugiri que la Tierra utiliza el fuego como mtodo para mermar el oxgeno atmosfrico; sin embargo, por debajo de un 15% nada ardera y por encima de un 25% la combustin es instan-tnea y destruira todos los bosques. De manera que la reaccin de combustin mantiene en equi-librio la concentracin del oxgeno superficial, al tiempo que produce CO2 y frena la fotosn-tesis en las reas carbonizadas en la siguiente secuencia. Al comienzo del incendio, la materia orgnica reacciona con el oxgeno formando CO2 y agua; posteriormente, el fuego consume rpidamente el oxgeno cercano a la superficie y los compuestos presentes en el suelo resienten su escasez para oxidarse por completo, por lo que se generan compuestos de carbono ms reducidos; tras la escasez del oxgeno superficial el fuego se amortigua hasta que eventualmente se apaga, a no ser que rachas de viento traigan consigo aporte de oxgeno y aviven las llamas. El mecanismo antes mencionado constituye una

  • Rev. Reflexiones 93 (1): 121-132, ISSN: 1021-1209 / 2014 131Evolucin del clima a travs de la historia de la Tierra

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    bsqueda del equilibrio de ambos gases indis-pensables para la vida, mecanismo que la biota vegetal ha utilizado como un recurso evolutivo en aquellas especies en las cuales el fuego es imprescindible para que sus semillas se liberen al ambiente, reforesten las reas siniestradas y colonicen otras ms en un proceso cclico, en tanto otra perturbacin mayor no cambie las concentraciones de ambos gases en la atmsfera. Situacin que se mantiene en constante equili-brio dinmico hasta la actualidad.

    Eplogo

    La visin sistmica aplicada a la Astrobio-loga y la evolucin de la Tierra resulta funda-mental para visualizar procesos interrelacionados e interdependientes que han co-evolucionado de manera paralela. Desde esta perspectiva, se visualiza el efecto que procesos astronmicos, como la evolucin del Sol como fuente primor-dial de energa externa y el distanciamiento en la cercana entre la Luna y la Tierra, inciden en la evolucin de la duracin del da y la noche, as como la paulatina, pero sostenida disminucin de enormes mareas ocenicas. De igual forma, la transicin de la composicin de la atmsfera a travs de la historia geolgica de la Tierra y los diversos procesos geolgicos han interveni-do sobre los mecanismos biolgicos de carcter fisiolgico en animales, fenolgico en plantas y, eventualmente, evolutivo en ambos reinos, sobre los ritmos circadianos, las estrategias reproduc-tivas y la radiacin a travs de la vicarianza; por enunciar slo algunos. En sentido opuesto, se puede visualizar el proceso de retroalimentacin que los seres vivos han ejercido en la composicin de la atmsfera y el intemperismo, entre otros. Sin caer en una visin causa-efecto, sino de un complejo mecanismo de relojera, que pese a lo fino de sus intrincadas relaciones, ha permitido, gracias al potencial evolutivo tanto de los seres vivos como de los entornos geolgicos, atmosf-ricos y ocenicos, procesos y mecanismos que a travs de la evolucin abren camino a cada nuevo reto planteado en su entorno, ya sea de manera abrupta o bajo un pausado, pero sostenido proce-so de cambio en el planeta.

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