Pequeñas Galaxias y Materia Oscura

La verdadera Historia de la Teoría del Caos

Son muchas las cosas que no sabemos y, de cada una de ellas, nosotros los humanos, creamos hipótesis y hacemos conjeturas, construimos modelos y, con los datos que hemos podido reunir, dejamos expuesta una teoría de lo que pudo ser. De esa manera hemos creado la “historia” de cómo se formó nuestro Sistema solar a partir de una explosión de supernova que creando una nebulosa sería el origen, hace algunos miles de millones de años, de todo el sistema planetario en el que está la Tierra y nos cobijamos nosotros.

A mayor escala y viajando mucho más lejos en el Tiempo, también hemos “recreado” el escenario que suponemos que pudo existir cuando “nació” el universo, cuando dio comienzo la existencia del Tiempo y apareció el Espacio, se creó la materia y comenzaron a formarse los objetos que hoy podemos contemplar por todo el inmenso Cosmos. De todo ello, de manera “misteriosa” (nadie sabe a ciencia cierta como fue), apareceron los primeros signos de vida, primero en forma de rústicas criaturas y más elaboradas después, cuando con el paso de los años, pudieron evolucionar.

En nuestra región, situada en el interior del brazo de Orión a unos 30.000 años-luz del centro galáctico, las cosas se pudieron suceder, más o menos, como nos dicen al margen de la imagen, con algunas dudas y algunas preguntas sin contestar, así pudieron suceder, a grandes rasgos las cosas. Sin embargo, no es ese el tema que el título nos señala, nos vamos a centrar en la “vida” esa explosión de imaginación que ha tenido el universo para que, al menos en nuestro caso, haya alguien que comente sobre él y también, sobre esa maravilla que representamos: Seres Conscientes en un universo de materia, de explosiones y cambios, de energías sin fin.

Lo cierto es que, el recuerdo de los miles de millones de años de la historia de la vida, no ha podido ser inscrito en la memoria de los seres que la representan, al igual que los últimos millones de años no están grabados en la memoria de los seres humanos, los primeros naturalistas que se sintieron intrigados por los fósiles que encontraban, no pudieron presentir de qué manera aquello que estaban sacando a la luz del día, acabaría por servir para reconstruir el pasado a través de los archivos sedimentarios de la tierra.

De nada sirvieron los razonamientos poéticos y religiosos que les habían preparado para lo contrario. La realidad nos hizo descubrir un mundo distinto, una cronología distinta y una historia distinta. Resulta fácil comprender, en qué medida, los primeros  descubrimientos paleontológicos les pudieron parecer (en aquellos tiempos), por tanto, maravillosos y también, desconcertantes, hasta que punto aquella extraordinaria diversidad de formas de vida desaparecidas, su frecuente extravagancia y rareza y el encadenamiento asombroso que parecían ir revelando poco a poco, les debieron fascinar, pero también confundir.

Y, de esa manera, nuestra innata curiosidad, nos llevó a descubrir muchas clases de vida que existió en el pasado, incluso de seres monstruosamente grandes que extinguidos, sirvieron para que todos, antes sus descomunales restos, dejaran volar la imaginación y pudieran construir escenarios ya desaparecidos hacia millones de años. Claro que, todos aquellos descubrimientos, vinieron a ensanchar la mente de lo posible y la concepción de la historia de la vida en la Tierra y también, de manera paralela, hemos ido creando una historia más profunda, de unos 13.750.000 millones de años para la historia del propio universo. Pero, la historia que nos interesa, la de la vida, se remonta a unos 4.000 millones de años (al menos en nuestro planeta), que es el tiempo que tienen los fósiles más antiguo hallados en las rocas más viejas del planeta.

Ya el hombre de Neanderthal se interesaba por los fósiles.

El descubrimiento de edades anteriores a la aparición del hombre tuvo una enorme repercución, a finales del siglo XIX, mucho más allá de los círculos científicos, en buena parte porque reveló paisajes desaparecidos y poblados por criaturas extrañas, predominantemente mostruosas. Incluso en nuestros días los grandes vertebrados del pasado ejercen a menudo una especie de fascinación: ¿no se ha convertido acaso el mamut en el emblema de una cadena de supermercados y no resultan los nombres de muchos dinosaurios mucho más familiares, incluso para los niños, que los numerosos animales actuales?.

Esa familiaridad relativa con criaturas que hasta hace dos siglos, su existencia era inimaginable, es así mismo, un gran logro de la paleontología de los vertebrados sacados a la luz por la ciencia. Claro que, si hablamos de vida, no sólo de grandes animales se compone la gran relación que podríamos hacer de todas aquellas especies que poblaron nuestro planeta y de las que, el 99% están desaparecidas. Ahora, sólo el 1% de todas las especies vivientes siguen presentes y, las demás, por una u otra causa, quedaron extinguidas al no poder adaptarse, al ser eliminadas en las grandes extinciones… ¡y vaya usted a saber cómo!

Cuentan que, durante uno de sus viajes por el Mediterráneo, san Pablo, según la leyenda que circula, naufragó ante las costas de Malta. Habiendo logrado llegar a esa isla, fue mordido por una vibora. Encolerizado, maldijo entonces a todas las serpientes maltesas, por lo que sus lenguas bífidas se transformaron en piedra. Esas lenguas petrificadas, llamadas a veces “lenguas de san pablo”, son muy comunes en Malta; no son otra cosa que los dientes de los tiburones del período mioceno, cuyas formas evocan las lenguas bífidas de las serpientes.

El relato ilustra muy bien la fascinación que han ejercido desde tiempos inmemoriales ciertos fósiles sobre la imaginación humana y la forma en que pueden ser explicados los orígenes de esos objetos misteriosos, más allá de toda hipótesis científica, en los sistemas de pensamientos tradicionales. Sin embargo, jamás conoceremos las más antiguas de esas leyendas explicativas, ya que el interés por los fósiles se remonta a la prehistoria lejana, tal como nos lo demuestran los diversos descubrimientos arqueológicos.

En el transcurso de sus excavaciones en las cuevas de Arcy-sur-Cure,  en Borgoña, el célebre prehistoriador francés André Leroi Gourhan descubrió en un estrato correspondiente qal paleolítico medio una pequeña pero muy antigua “colección paleontológica” ; se trataba de un polípero y de un gasterópodo fósiles, y habían sido llevados a esa cueva por un hombre de Neardenthal. Hará más de 50.000 años posiblemente, que la atención de un “hombre fósil” se vio atraida por esos objetos curiosos, hasta el punto de que se los llevó consigo. No cabe duda de que nunca sabremos cuáles eran las interpretaciones que los hombres prehistóricos daban a los fósiles que recogían. En todo caso, ciertas conchas profundamente enterradas, le pudieron recordar a sus conchas actuales, y bien pudiera ser que se hubieran preguntado en aquel entonces qué hacían sobre las rocas unos animales que se encuentran habitualmente en el agua.

Es cierto que siempre, a lo largo de la Historia, hemos tenido pensadores y naturalistas. La Historia natural es un término cuya definición es problemática, en tanto que diversas disciplinas la abordan de manera diferente. Muchas de estas concepciones incluyen el estudio de las cosas vivientes (por ejemplo, la biología, incluyendo botánica, zoología y ecología); otras concepciones extienden el término al campo de la paleontología, la geografía y la bioquímica, así como a la geología, astronomía y la física. Lo cierto es que, al final del camino, todas esas disciplinas se encuentras, es decir, están de una u otra manera relacionadas. Todo en el Universo tiene una conexión que no siempre podemos ver o comprender.

Claro que, algunos pensadores griegos ya especularon con las viejas conchas fósiles que se hallaban dentro de las piedras y que eran el orgien de especulaciones “geológicas” de algunos que, como Jenófanes o Heródoto, quiénes habían comprendido la naturaleza auténtica de ciertas conchas fósiles y habían sacado conclusiones pertinentes, aquellos restos de organismos marinos, encontrados tierra adentro, demostraba que los mares, se extendían en otras épocas mucho más allá de sus límites actuales.

Lo cierto es que, hacer historia de la vida en nuestro planeta es imposible, sólo podemos ir atando cabos a medida que se encuentran huellas de ella en las viejas rocas, y, como la vida consciente tardó mucho más en llegar… ¡Carece de historia, toda vez que no existieron cronistas para escribirla! Así, nos vemos abocados a especular juntando todos los datos que hemos podido reunir y, de esas especulaciones, hemos formado un conjunto, si no plausible en su totalidad, sí aceptable mientras no encontremos más respuestas a la gran pregunta: ¿Cómo surgió la vida en la Tierra, y, es nuestro planeta el único lugar del Universo que la contiene?

Claro que, si creemos que la vida es ciudadana del universo sin fronteras, no debemos perder de vista la Panspermia, esas esporas viajeras que llegan a los mundos y en ellos, se posan y dejan pasar el tiempo para que, las condiciones locales, las radiaciones exteriores y propias del lugar, hagan su trabajo para que, con el tiempo suficiente por delante, puedan emerger y crecer hasta llegar a conformar seres con ideas y pensamientos.

Los animales unicelulares han descubierto el método más corto para comer las plantas. La muerte y el sexo han de crearse para que los organismos pluricelulares sean capaces de envejecer y dejar de funcionar como una cooperativa colonial de células. Los animales han descubierto como comerse a otros animales. Por encima de todo, ha evolucionado una especie inteligente, una especie tan lista que ha llegado a descubrir una vía para poder salir de la Tierra y llevar todo el proceso de la evolución hasta el extremo.

Nunca nadie ha sabido explicar lo que es la Vida a pesar de que también siempre nos lo hemos preguntado. Cuál es su origen y cómo surgieron los seres vivos que conocemos y que tenemos a nuestro alrededor, así como aquellos que con el paso de tiempo no supieron adaptarse y se extinguieron. La especie humana, la única que en nuestro planeta alcanzó la plenitud de conciencia, siempre ha tratado de responder a esa pregunta: ¿Qué es la Vida? Pero siempre también, resultó un gran problema el poder responderla y las Ciencias Naturales nunca pudo confeccionar una respuesta plausible. Hemos podido llegar a saber que sin los materiales fabricados en las estrellas, la vida no sería posible en nuestro Universo. Así muchos, dicen que somos…

¡Polvo de estrellas!

La célula viva es un sistema dinámico, en cambio constante en el cual las sustancias químicas se tornan ordenados por un tiempo en estructuras microscópicas, tan solo para disolverse nuevamente cuando otras moléculas se juntan para formar los mismos tipos de estructuras nuevamente, o para sustituirlas nuevamente en la misma estructura. Las organelas de las cuales las células están hechas no son más estáticas que la llama de una vela. En cualquier instante, la vela exhibe un patrón dinámico de casamientos y divorcios químicos, de procesos que producen energía y procesos que la consumen, de estructuras formándose y estructuras desapareciendo. La vida es proceso no una cosa.

¿Cómo ese proceso ordenado llegó a existir? Una vez que la célula es una entidad altamente ordenada y no aleatoria (evitando, la torpe regularidad de un cristal), se puede pensar en ella como un sistema que contiene información. La información es un ingrediente que adicionado, trae a la vida lo que serían átomos no vivos. ¿Cómo –nos preguntamos- la información puede ser introducida sin una inteligencia creativa sobrenatural? Este es el problema que la Ciencia aún tiene que responderse, lo que colocaría a Dios en la categoría de completamente desempleado.

La vida, seguramente, fue el resultado de los mismos procesos químicos y físicos que formaron los océanos y la corteza continental de nuestro planeta. Sin embargo, la vida es distinta porque puede experimentar evolución darwiniana. La selección natural ha desempeñado un pepel fundamental en la evolución de plantas y animales durante los primeros tiempos de la historia de nuestro planeta, pero también dirigió la evolución química que hizo posible la propia vida. A grandes rasgos entendemos cómo pueden haber evolucionado las moléculas a partir de precursores simples presentes en la Tierra joven. Sin embargo, sigue siendo un misterio cómo las proteínas, los ácidos nucleicos y las membranas llegaron a interaccionar de forma tan compleja.

Según todos los indicios, en los primeros años del planeta, los continentes que hoy conocemos estaban todos unidos formando la denominada Pangea. El movimiento de las placas tectónicas terrestres logró que estos se separaran y, con el transcurso de millones de años, llegaron a adquirir la moderna forma que hoy conocemos. En todo ese transcurrir y, mientras tanto, una serie de condiciones nuevas aparecieron para hacer posible el surgir de la vida.

Distribución de los continentes hace 260 millones durante el Pérmico. El súper continente con forma de “C” es Pangea; dentro de la C se localizan los océanos Paleo-Tetis al norte y Tetis al sur; separando ambos océanos se sitúa el continente Cimmeria; cerrando la “C” al noreste se sitúan los micro continentes de China del Norte y China del Sur; mientras que el resto del globo está ocupado por el océano Panthalassa.

Microfósiles de sedimentos marinos. “Microfósil” es un término descriptivo que se aplica al hablar de plantas o animales fosilizados cuyo tamaño es menor de aquel que puede llegar a ser analizado por el ojo humano. Normalmente se utilizan dos rasgos diagnósticos para diferenciar microfósiles de eucariotas y procariotas.

A partir de todos los fragmentos que la ciencia ha podido ir acumulando, ¿qué tipo de planeta podemos recomponer y qué porcesos tuvieron que darse para que, la vida, tal como la conocemos pudiera surgir? Sin temor a equivocarnos podemos afirmar que, cuando se formó el mar de Warrawoona la Tierra ya era un planeta biológico. Además, las mediciones de isótopos de carbono indican que ya podía haber comenzado la gran liberación ecológica de la fotosíntesis. No podemos tener la certeza si entre los microorganismos de aquel entonces había cianobacterias reproductoras de oxígeno, pero la presencia de cualquier tipo de organismo fotosintético en el océano de Warrawoona es de por sí muy informativa, pues nos permite colocar un punto de calibración en el árbol de la vida.

Los estromatolitos forman parte del registro fósil y son los responsables del oxígeno de la Tierra

Son la evidencia de vida más antigua que se conoce en la Tierra. Las rocas ígneas más antiguas de la Tierra están en Groenlandia y tienen 3800 millones de años. Los estromatolitos más antiguos son de Warrawoona, Australia y tienen unos 3500 millones de años (Precámbricos – Arqueanos). La edad de la Tierra como planeta acrecionado se calcula en 4500 millones de años. La teoría dice que, dadas las condiciones en esa época, los primeros habitantes de la Tierra debieron ser organismos unicelulares, procariontes, y anaerobios. Por tanto, los estromatolitos forman parte del registro fósil más importante de la vida microbiológica temprana. Pero además, vida microscópica fototrófica.

En la nueva concepción de la evolución microbiana que simboliza el árbol, los organismos fotosintéticos aparecen relativamente tarde y se diversifican mucho después del origen de la vida y de la divergencia de los principales dominios de la biología. Si la materia orgánica de Warrawoona es producto de la fotosíntesis, hay que concluir que para entonces la evolución de la vida ya debía llevar en marcha un buen tiempo.

Las observaciones geológicas indican que hace tres mil quinientos millones de años la atmósfera de la Tierra contenía nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua, pero muy poco oxígeno libre. La mayoría de las inferencias acerca de ambientes antiguos se realizan a partir de pistas sutiles que nos proporcionan la geoquímica; la signatura sedimentaria del oxígeno, sin embargo, es muy llamativa: bandas de color rojo vivo en rocas con silex ricos en hermatita (Fe₂ O₃), un mineral de óxido de hierro.

En la actualidad, nuestros conocimientos de la vida y ambientes arcaicos son a un tiempo frustrantes y emocionantes: frustrantes por las pocas certezas que tenemos y, sólo muchas hipótesis a partir de los datos dispersos que se van obteniendo, emocionante porque sabemos algo, por poco que esto pueda ser, es estimulante contar con un punto de partida que nos permita continuar en el estudio y la observación, seguir experimentando para que, algún día, sepamos a ciencia cierta, de donde pudo venir la vida.

Es verdad que las rocas más antiguas que podemos identificar nos indican la presencia de organismos complejos ¿qué clase de células vivían en aquellos tiempos aún más lejanos? En última instancia, ¡cuál será el verdadero origen de la vida?

Ademas de las cianobacterias, la microflora puede incluir algas (verdes y diatomeas), hongos, crustaceos, insectos, esporas, polen, rodofitas, fragmentos y sedimentos de todo tipo. La variedad biologica de cada comunidad estromatolitica dependerá de condiciones ambientales e hidrológicas: hipersalino, dulceacuicola, intermareales, submareales, fuertes corrientes, moderadas nulas, calidos, templado, altitud (afecta a la exposicion de la luz uv). En la superficie, es rugosa, porosa y cubierta por mucilago, filamentos, etc. Las particulas de carbonato van quedadonde atrapadas, hasta que la cementacion por crecimiento de cristales, forma una capa mas, de esta forma la estructura aumenta de tamaño.

La Tierra es el tercer planeta del Sistema Solar. Esta situación orbital y sus características de masa la convierten en un planeta privilegiado, con una temperatura media de unos 15º C, agua en forma líquida y una atmósfera densa que pudo evolucionar, con oxígeno y otros ingredientes, condiciones imprescindibles para el desarrollo de la vida.

La creencia general es que hace unos 4.600 millones de años la corteza de la Tierra comenzó a consolidarse y las erupciones de los volcanes empezaron a formar la atmósfera, el vapor de agua y los océanos. El progresivo enfriamiento del agua y de la atmósfera permitió el nacimiento de la vida, iniciada en el mar en forma de bacterias y algas, de las que derivamos todos los seres vivos que habitamos hoy nuestro planeta tras un largo proceso de evolución biólogica.

Aun los organismos más simples son máquinas moleculares extraordinariamente sofisticadas. Las primeras formas de vida tenían que ser muchísimo más sencillas. Necesitamos encontrar una familia de moléculas lo bastante simples como para formarse por procesos químicos y lo bastante complejas como para servir de cimiento a la evolución de las células vivas. Una molécula capaz de contener información y estructura suficientes como para replicarse a sí mismas y, al cabo, para dirigir la síntesis de otros componentes que puedan canalizar la replicación con una eficiencia cada vez mayor.

ESTRUCTURA DE LA CELULA BACTERIANA

Unas moléculas, en fin, que pudieran iniciar una trayectoria evolutiva que permitiera a la vida emanciparse de los procesos físicos que le dieron nacimiento, sintetizando las moléculas necesarias para el crecimiento en lugar de incorporarlas de su entorno y captando energía química o solar para alimentar el funcionamiento de la célula.

El descubrimiento de las enzimas de ARN, o ribosomas, realizado de forma independiente y aproximadamente al mismo tiempo por el bioquímico de Yale Sidney Altman, tuvo un efecto catalítico sobre el pensamiento acerca del origen de la vida.

Los enzimas de ARN (llamadas “ribozimas” o “aptazimas”) son moléculas de ARN capaces de autorreplicarse a temperatura constante en ausencia de proteínas. Utilizan la llamada replicación cruzada, en la que dos enzimas se catalizan el uno al otro de forma mutua. Este proceso permite entender cómo surgió la vida, pero los biotecnólogos las usan para algo mucho más prosaico. Estos enzimas de ARN pueden ser utilizados para detectar una gran variedad de compuestos, incluyendo muchos relevantes en diagnóstico médico. El compuesto orgánico se liga al aptazima, que se replica exponencialmente, amplificando exponencialmente la concentración del compuesto hasta permitir que sea fácilmente detectado.

En palabras del filósofo de la biología Iris Fry, esta extraordinaria molécula se alzó como “el huevo y la gallina al mismo tiempo” en el rompecabezas del orgien de la vida. La vida, esa misteriosa complejidad que surgió a partir de la “materia inerte” que, bajo ciertas y complejas condiciones, dio lugar a que lo sencillo se conviertiera en complejo, a que lo inerte pudiera despertar hasta los pensamientos.

Sabemos que, en ciertas condiciones prebióticas, los aminoácidos se forman fácilmente, así quedó demostrado por Stanley Miller en su gamoso experimento. Como los ácidos nucléicos, pueden unirse para formar péptidos, las cadenas de aminoácidos que se pliegan para formar proteínas funcionales.

Hay teorías para todos los gustos, y, el afamado Freeman Dyson, un renombrado físico que ha pensado profundamente sobre el origen de la vida, sugiere que en realidad la vida comenzó en dos ocasiones, una por la vía del ARN y otra vez por vía de las proteínas. Las células con proteínas y ácidos nucleicos interactivos habrían surgido más tarde en función protobiológica.  Y, está claro que, la innovación por alianzas es uno de los principales temas de la evolución.

En el árbol de la vida, nosotros (“tan importantes”), sólo somos una pequeña ramita.

Hay muchos procesos que son de una importancia extrema en la vida de nuestro planeta y, dado que los organismos fotosintéticos (o quimiosinteéticos) no pueden fraccionar isótopos de carbono en más de unas treinta parte por 1.000, necesitamos invocar la participación de otros metabolismos para poder explicar los resultados de las mediciones que se han realizado. Los candidatos más probables son bacterias que se alimentan de metano en los sedimentos. Estas bacterias obtienen tanto el carbono como la energía del gas natural (CH₄) y, al igual que los organismos fotosintéticos, son selectivos con los isótopos. A causa de su preferencia química por el ¹²CH₄ frente al ¹³CH₄, los microbios que se alimentan de metano fraccionan los isótopos de carbono en unas veinte o vejnticinco partes por 1.000 en los ambientes donde el metano es abundante. ¿Habeis pensado en la posibilidad de que esos organismos fotosintéticos estén presentes en Titán? ¡El fetín está servido!

               Los océanos de metano de Titán podrían ser una buena fuente de vida

La fotosíntesis anoxigénica se da en los organismos que utiliza la energía de la luz del sol, dióxido de carbono (sustrato a reducir) y sulfuro de hidrógeno (en lugar del agua) como dador de electrones que se oxida, se fabrican glúcidos y se libera azufre a el medio acuoso donde habitan o se aloja en el interior de la bacteria.

Otra característica es que los organismos fotosinteticos anoxigénicos contienen bacterioclorofila, un tipo de clorofila exclusiva de los foto-organotrofos, usan longitudes de onda de luz que no son absorbidas por las plantas. Estas bacterias contienen también carotenoides, pigmentos encargados de la absorción de la energía de la luz y posterior transmisión a la bacterioclorofila. El color de estos pigmentos dan el nombre a estas bacterias: bacterias púrpuras del azufre y bacterias verdes del azufre. En las cianobacterias los pigmentos captadores de luz son las ficobilinas, por lo tanto se les nombra, bacterias azules.

Cualquiera de estas imágenes de arriba nos cuenta una larga y compleja historia de cómo se pudieron formar cada uno de los ahí representados, y, en cualquiera de sus fases, formas y colores, es toda una gran obra de la Ingenieria de la Naturaleza que, al fin y al cabo, es la única fuente de la que debemos beber para saciar nuestra sed de sabiduría y alejar la ignorancia que nos abruma.

No pocas veces he dejado aquí constancia de que, el Universo, en todas sus regiones, por muy alejadas que estén, se rige por unas leyes que están presentes en todas parte por igual, y, así lo confirman mil observaciones y mil proyectos que a tal efecto se han llevado a buen término. Por ejemplo, mediaciones precisas de isótopos de azufre en muestras de Marte traídas a la Tierra por meteoritos demuestran que muy pronto en la historia del planeta vecino el ciclo del azufre estaba dominado por procesos atmosféricos que producían un fraccionamiento independiente de la masa.

Valles en Marte. (ESA) La región de Valles Marineris, que tiene una longitud de 4.000 kilómetros y una anchura de 600 kilómetros, es el sistema de cañones más grande conocido en el sistema solar, con profundidades que llegan a los diez kilómetros.

Basándose en este descubrimiento del fraccionamiento independiente de la masa, se dirigió la atención sobre las rocas terrestres más antiguas. Para sorpresas de muchos geoquímicos, lo que se hayó fue que el yeso y la pirita de las sucesiones sedimentarias más antiguas de la Tierra  también como en Marte, han dejado constancias del fraccionamiento independiente de la masa de los isótopos de azufre. Al igual que en Marte, en la Tierra primitiva la química del azufre se encontraba al parecer influenciada por procesos fotoquímicos que sólo pueden producirse en una atmósfera pobre en oxígeno. La etapa del oxígeno comenzó en nuestra atmósfera a comienzos del eón Ptoterozoico. En suma, todos los caminos de la biogeoquímica llevan al mismo sitio, es decir, lo que pasa aquí pudo pasar allí y, al decir allí, quiero decir en cualquier planeta de cualquier galaxia. Las leyes fundamentales de la Naturaleza son, las mismas en todas partes. No existen sitios privilegiados.

                                                 Es difícil imaginarse hoy una Tierra sin oxígeno

Dos equipos independientes de investigadores descubrieron que el oxígeno gaseoso apareció en la atmósfera terrestre unos 100 millones de años antes del evento de la gran oxidación de hace 2400 millones de años. Es decir, cuando cambió la antigua atmósfera y el planeta se equipo con la que hoy conocemos.

El oxígeno es un gas muy reactivo, no existe de manera libre durante un largo período de tiempo, pues forma óxidos o reacciona con otras sustancias de manera rápida. Si está presente en la atmósfera es porque las plantas lo reponen continuamente. Antes de la invención de la fotosíntesis y durante muchos cientos de millones de años no había oxígeno libre en la Tierra.

En los estratos geológicos se pueden encontrar pruebas de la existencia de un momento en el que se produjo una gran oxidación mineral, prueba de que el oxígeno se encontraba ya libre en la atmósfera terrestre por primera vez y en gran cantidad. A este hecho se le ha denominado evento de gran oxidación, o GOE en sus siglas en inglés, y fue un hecho dramático en la historia de la Tierra. Este oxígeno permitió más tarde la aparición de vida animal compleja. Los geólogos creían que durante el GOE los niveles de oxígeno subieron rápidamente desde niveles prácticamente despreciables.

                                     El mundo bacteriano es fascinante

Con estas bacterias es posible obtener dos tipos de celdas microbianas o baterías. Unas llamadas celdas de sedimento emplean el lodo donde habitan estos microorganismos; ahí, se produce energía simplemente conectando un electrodo en la parte donde, a cierta profundidad, no hay oxígeno, con otro electrodo que se encuentre en presencia de oxígeno.

¿Cómo respondió la vida a la revolución del oxígeno? Podemos imaginar, un “holocausto de oxígeno” que habría llevado a la muerte y la extinción a innumerables linajes de microorganismos anaeróbicos. Pero hace dos mil doscientos millones de años los ambientes anóxicos no desaparecieron; simplemente, quedaron relegados bajo una capa oxigenada de agua y sedimentos superficiales.

Aquello permitió a la Tierra dar cobijo a una diversidad biológica sin precedentes. Los microorganismos anaeróbicos mantuvieron un papel esencial en el funcionamiento de los ecosistemas, igual que en la actualidad.

En la primera fase de cualquier ejercicio aeróbico, el oxígeno se combina con la glucosa procedente del glucógeno. Al cabo de unos minutos, cuando el cuerpo nota que escasea el azúcar, empieza a descomponer las grasas. Entonces disminuye un poco el rendimiento, mientras el cuerpo se adapta al cambio de origen de su energía. Superado este punto, se vuelve a los niveles y sensaciones normales, pero se queman grasas en lugar de glucosa.

De otro lado, los organismos que utilizan, o al menos toleran el oxígeno se expandieron enormemente. La respiración aeróbica se convirtió en una de las formas principales de metabolismo en las bacterias, y las bacteria quimiosintéticas que obtienen energía de la reacción entre oxígeno e hidrógeno o iones metálicos se diversificaron a lo largo de la frontera entre ambientes ricos en oxígeno y ambientes pobres en oxígeno. Desde ese momento, la Tierra comenzó a convertirse en nuestro mundo.

Nuestro mundo, rico en agua líquida que cubre el 71% de la superficie del planeta, y, su atmósfera con un 78% (en volumen) de Nitrógeno, un 21 de Oxígeno y un 0,9 de Argón, además de dióxido de carbono, hidrógeno y otros gases en cantidades mucho menores que, permiten que nuestros organismos encuentren el medio indóneo para poder vivir. Otros muchos factores presentes en la Tierra contribuyen a que nuestra presencia aquí sea posible.

Las algas verdeazuladas también son llamadas bacterias verdeazuladas porque carecen de membrana nuclear como las bacterias. Sólo existe un equivalente del núcleo, el centroplasma, que está rodeado sin límite preciso por el cromatoplasma periférico coloreado. El hecho de que éstas se clasifiquen como algas en vez de bacterias es porque liberan oxígeno realizando una fotosíntesis similar a la de las plantas superiores. Ciertas formas tienen vida independiente, pero la mayoría se agrega en colonias o forma filamentos. Su color varía desde verdeazulado hasta rojo o púrpura dependiendo de la proporción de dos pigmentos fotosintéticos especiales: la ficocianina (azul) y la ficoeritrina (rojo), que ocultan el color verde de la clorofila.

Mientras que las plantas superiores presentan dos clases de clorofila llamadas A y B, las algas verdeazuladas contienen sólo la de tipo A, pero ésta no se encuentra en los cloroplastos, sino que se distribuye por toda la célula. Se reproducen por esporas o por fragmentación de los filamentos pluricelulares. Las algas verdeazuladas se encuentran en hábitats diversos de todo el mundo. Abundan en la corteza de los árboles, rocas y suelos húmedos donde realizan la fijación de nitrógeno. Algunas coexisten en simbiosis con hongos para formar líquenes. Cuando hace calor, algunas especies forman extensas y, a veces, tóxicas floraciones en la superficie de charcas y en las costas. En aguas tropicales poco profundas, las matas de algas llegan a constituir unas formaciones curvadas llamadas estromatolitos, cuyos fósiles se han encontrado en rocas formadas durante el precámbrico, hace más de 3.000 millones de años. Esto sugiere el papel tan importante que desempeñaron estos organismos cambiando la atmósfera primitiva, rica en dióxido de carbono, por la mezcla oxigenada que existe actualmente. Ciertas especies viven en la superficie de los estanques formando las “flores de agua”.

Sin descanso se habla de quer nosotros, con nuestro comportamiento estamos cambiando la atmósfera de la Tierra, que contaminamos y que, de seguir así, podemos acabar con la vida placentera en el planeta. Tal exageración queda anulada por la realidad de los hechos.

Gigantescas ciudades son una buena muestra de nuestra presencia aquí, y, ¿qué duda nos puede caber? Nuestro morfología nos ha convertido en el ser vivo dominante en el planeta. Sin embargo, no somos los que más hemos incidido en sus condiciones. Si se estudia la larga historia de la vida en la Tierra, podremos ver que una inmensa cantidad de especies han interactuado con la biosfera para modificar, en mayor o menor medida los ecosistemas del mundo. En realidad, la especie que cambió el planeta de manera radical, la que en verdad modificó la Tierra hasta traerla a lo que hoy es, creando una biosfera nueva a la que todas las especies se tuvieron que adaptar (también nosotros), esa especie que, aunque diminuta en su individualidad forma un gigantesco grupo, no son otras que las cianobacterias.

De esa manera, si el oxígeno trajo consigo un cambio revolucionario, las heroínas de la revolución fueron las cianobacterias. Fósiles extraordinarimente bien conservados en síles de Siberia de mil quinientos millones de años de edad demuestran que las bacterias verdeazuladas se diversificaron tempranamente y se han mantenido hasta la actualidad sin alterar de manera sustancial su forma. La capacidad de cambiar con rapidez, pero persistir indefinidamente, compendia la evolución bacteriana.

Las cianobacterias comparten con algunas otras bacterias la habilidad de tomar el N2 del aire, donde es el gas más abundante, y reducirlo a amonio (NH4), una forma que todas las células pueden aprovechar. Los autótrofos que no pueden fijar el N2, tienen que tomar nitrato (NO3-), que es una sustancia escasa. Esto les ocurre por ejemplo a las plantas. Algunas cianobacteria son simbiontes de plantas acuáticas, como los helechos del género Azolla, a las que suministran nitrógeno. Dada su abundancia en distintos ambientes las cianobacterias son importantes para la circulación de nutrientes, incorporando nitrógeno a la cadena alimentaria, en la que participan como productores primarios o como descomponedores.

La resistencia general de las bacterias a la extinción es bien conocida, las bacterias que hayan sobrevivido al cepillo de dientes, a media tarde se habrán multiplicado hasta el extremo de recubrir nuevamente el interior de la boca. Además, las bacterias saben habérselas muy bien con medios cambiantes. El aire, por ejemplo, está lleno de bacterias; un plato de leche colocado en el alfeizar de la ventana no tarda en fermentar.

Nosotros tenemos un “convenio” de simbiosis con muchas bacterias que conviven con nuestra especie que sin ellas, no podría existir. ¿Os acordáis de aquel trabajo sobre las mitocondrias? El cuerpo humano, en seco, tiene un diez por ciento de bacterias.

emilio silvera

Sir Roger Penrose es una leyenda viva de la Física. Durante el festival Starmus tuve el placer de escucharle explicando su controvertida teoría cosmológica. Su exposición fue tan elocuente, convincente e incluso divertida, que me causó una profunda impresión. A ver si en este artículo consigo explicarla de forma mínimamente coherente.

Estamos bastante seguros de que el Universo entero comenzó con lo que se llama el Big Bang (la «gran explosión») hace la friolera de 13,700 millones de años. En realidad, lo de la explosión no es una muy buena metáfora. Este nombre lo acuñó despectivamente el astrofísico Fred Hoyle durante la retransmisión de un programa de radio de la BBC en 1949. Hoyle se burlaba con él de la absurda teoría que había propuesto el sacerdote (además de físico y matemático) Georges Lemaître. El propio Einstein al principio tampoco creía en las ideas de Lemaître. El prejuicio de la época era que el Universo debía ser algo estático e inmutable. Pero las matemáticas de Lemaître eran impepinables.

Georges Lemaître y Albert Einstein que, tras muchas discuosiones…

Su solución de las ecuaciones de Einstein implicaba que el Universo debía estar o bienexpandiéndose o bien colapsando, cayendo sobre sí mismo como un edificio en demolición. Visto con perspectiva histórica, debe dar mucha rabia eso de que alguien coja las ecuaciones que son el trabajo de tu vida y las resuelva magistralmente para llegar a una conclusión que aborreces. Las discusiones entre Einstein y Lemaître, que llevaron al primero a proponer la existencia de una «constante cosmológica», merecerían un artículo aparte. Por lo pronto, baste decir que, como buen científico, Einstein acabó aceptando la evidencia, tanto teórica como empírica, que comenzaba a acumularse. Pese a sus prejuicios iniciales, terminó abrazando la idea de que, efectivamente, el Universo se estaba expandiendo.

La singularidad original

Se sabe que el universo tuvo un origen. Pero ¿de dónde provino? ¿Qué se originó exactamente? Sabemos que comenzó expandiéndose rápidamente, y que sus pequeñas partículas terminaron convirtiéndose en innumerables e inmensas galaxias. ¿Qué pasó antes? ¿Cómo eran las leyes físicas cuando todo empezó?

La historia sería más o menos así: Al principio de los tiempos, todo el Universo estaba concentrado en una singularidad, un punto de densidad infinita que repentinamente estalló en ese instante inicial, saltando toda la materia, energía y espacio despedidos en todas direcciones. A medida que pasa el tiempo, la Física nos dice que las galaxias van a sentir el tirón gravitatorio unas de otras, y esto debería hacer que poco a poco se vayan frenando. Cuánto se van a frenar dependerá de cuánta masa haya en el Universo. Si hay mucha, la gravedad terminará por dominar, la expansión se detendrá y el Universo volverá a caer sobre sí mismo.

Si hay poca, la atracción será incapaz de frenar la expansión y el Universo continuará expandiéndose por toda la eternidad, aunque a menor velocidad. La distinción es trascendental, con implicaciones hasta en el plano espiritual. Porque un Universo que vuelve a colapsar se presta a la perspectiva del ciclo infinito de big bang-big crunch, el ciclo continuo y eterno de creación y destrucción. Mientras que la otra posibilidad nos lleva a una insulsa muerte final de toda la existencia, más que nada por aburrimiento.

La sorpresa de la densidad crítica

De la Densidad Crítica, o lo que los Cosmólogos llaman el Omega Negro (la materia existente en el Universo), dependerá su final. Tres podrían ser las clases de Universo en el que vivimos.

De hecho, estamos tan cerca de esta divisoria crítica que nuestras observaciones no pueden decirnos con seguridad cuál es la válida a largo plazo. En realidad, es la estrecha proximidad de la expansión a la línea divisoria lo que constituye el gran misterio: a priori parece altamente poco probable que se deba al azar. Los universos que se expanden demasiado rápidamente son incapaces de agregar material para la formación de estrellas y galaxias, de modo que no pueden formarse bloques constituyentes de materiales necesarios para la vida compleja. Por el contrario, los universos que se expanden demasiado lentamente terminan hundiéndose antes de los miles de millones de años necesarios para que se tomen las estrellas.

Sólo universos que están muy cerca de la divisoria crítica pueden vivir el tiempo suficiente y tener una expansión suave para la de estrellas y planetas… y ¡vida!

La cantidad de masa (o, hablando con más precisión, de energía) que se necesita para pasar de un comportamiento a otro se llama «densidad crítica». No hace mucho, cuando yo estudiaba, sin ir más lejos (y créanme que tampoco hace tanto de eso), nos preguntábamos si en el Universo había más o menos densidad que la crítica. Parecía que no, que era muy pequeña, que no sería suficiente toda la masa para volver a cerrar el ciclo. Pero claro, en aquella época no se conocían la materia y la energía oscura. Si tenemos en cuenta estos factores, nos encontramos con uno de los grandes misterios de la cosmología moderna: ¡Resulta que tiene exactamente la densidad crítica!

La revelación de que la densidad del Universo es exactamente la crítica (con tanta precisión como somos capaces de medir), sacudió el mundo de la Física. Y es que, aunque sea en el plano subconsciente, se hace difícil no evocar la imagen de un creador para explicar tal coincidencia cósmica. La situación de crisis existencial se resolvió poco después, para alivio de muchos, con la llegada de la teoría de la inflación.

Por ponerlo en términos muy simples, esta teoría nos dice que durante la primera fracción de segundo (técnicamente, desde los 10-36 hasta los 10-32 segundos), el Universo sufrió una expansión tan brutalmente violenta, que el término «explosión» se queda muy corto para describir lo que ocurrió. La expansión en esa época fue acelerada exponencialmente, que es una forma que hay en Física de decir enormemente rápida.

Los cosmólogos suelen decir que todo lo que existe pasó de tener el tamaño de un átomo al de un melón. Por alguna razón se suele usar el melón como medida de referencia. Podrían decir que medía 30 centímetros, que era como un balón de baloncesto o como un florero grande. Pero no, parece que lo del melón lleva camino de convertirse en la unidad estándar de volumen cósmico, algo así como el campo de fútbol lo es hoy en día para medir áreas de monte quemado.

La cuestión es que a este disparatado crecimiento del espacio, infinitamente más rápido que la luz, se le llama inflación. Es un poco contraintuitivo porque, en lenguaje cotidiano, el verbo inflar nos suena mucho más suave y benigno que explotar. Es bien conocido que los físicos no son muy buenos para poner nombres a las cosas. No entendemos bien cómo y por qué ocurrió la inflación salvo que parece estar relacionado con lo que se llama «gran unificación», la época en la que las tres fuerzas fundamentales de la naturaleza eran una, grande y única.

El Universo no se frena

El otro gran descubrimiento que ha tenido lugar desde los tiempos de Einstein es otro hallazgo reciente que también ha causado cierta zozobra existencial. Discutíamos antes las dos posibilidades sobre hasta qué punto sería la gravedad capaz de frenar la expansión del Universo, creando un ciclo continuo de explosión-colapso (Big Bang-Big Crunch) o bien una expansión que se iría ralentizando eternamente pero sin llegar nunca a detenerse del todo. Pues bien, hoy en día sabemos que no va a ser ni lo uno ni lo otro. Resulta que el Universo no se está frenando. No tiene visos de querer volver a colapsar pero tampoco está ralentizando su marcha.

Antes al contrario, las observaciones nos muestran que desde hace 5,000 millones de años (un tercio de su vida), el Universo ha dejado de frenarse y ¡ha comenzado a acelerar! Este resultado fue obtenido por dos grupos independientemente y ambos recibieron el Premio Nobel en 2011. Fue tan sorprendente que ninguno de los dos grupos se atrevió a publicarlo hasta que se enteraron de los resultados del otro. Para explicar el fenómeno, los teóricos han tenido que postular la existencia de una «energía oscura», que sería omnipresente en todo el espacio vacío.

El ciclo continuo de Penrose

Hasta aquí hemos explicado la cosmología moderna canónica, la visión aceptada mayoritariamente por los expertos en el tema. ¿Qué es, entonces, lo que añade Penrose? Pues, según su teoría, estas dos revelaciones, la inflación y la expansión acelerada del Universo, están íntimamente relacionadas. De hecho, serían la misma cosa. Para Penrose, el Universo vive un ciclo continuo e infinito de «creaciones», pero no en el modelo tradicional de explosión-colapso.

En su lugar, Penrose postula que cada uno de los ciclos (que él llama eones) acaba con una fase de expansión acelerada que se convierte en la inflación del eón siguiente. Lo de Penrose no es una ocurrencia, es una teoría. Esto significa que ha resuelto las ecuaciones de la relatividad general y los números cuadran salvo por un factor de escala. Quiere decirse que las escalas del nuevo universo son mucho mayores, tanto en el espacio como en el tiempo.

De Universo a melón

Así, todo nuestro Universo en expansión acelerada, está camino de convertirse en lo que sería un melón del Universo siguiente. Y los miles de millones de años que dura esta expansión serían la breve fracción de segundo en aquel nuevo Universo. Quizás en un futuro increíblemente distante, habrá criaturas inconcebiblemente grandes y lentas en el siguiente eón, investigando esta época en la que vivimos hoy en día, a la que quizás den el absurdo nombre de inflación y quizás la consideren el origen de su universo. Una implicación particularmente profunda de todo esto es que, de ser cierto, estaríamos ahora mismo viviendo un nuevo big bang que comenzó hace 5,000 millones de años y lo estaríamos viendo transcurrir a cámara súper lenta.

Sir Roger Penrose, sustentador de esta teoría, en el Festival della Scienza, Génova, 2011.

Quiero resaltar que esta teoría, llamada Cosmología Cíclica Conforme, no es la aceptada por la mayoría de los cosmólogos. Sin embargo, no hay nada incorrecto o erróneo en ella, que sepamos. Penrose es uno de los mayores expertos mundiales en la física de la relatividad general y la cosmología. Su teoría cumple con la física conocida y esto sí que es un mérito que le concede la comunidad. Al igual que hizo Lemaître hace un siglo, ha encontrado una solución matemática correcta a las ecuaciones de la Física que conocemos, pero es una solución que aborrecen sus colegas por razones más filosóficas que científicas.

Un aspecto particularmente fascinante es que, como toda buena teoría, la naturaleza cuantitativa de la cosmología de Penrose le permite hacer predicciones. Las ecuaciones indican que los eones no son completamente independientes y algo de información se puede transmitir de uno a otro. En particular, las ondas gravitacionales (ésas que recientemente detectó el experimento LIGO) creadas por catástrofes cósmicas en el eón anterior podrían atravesar la época de la inflación y llegar hasta nuestros días. Estas ondas producirían patrones de anillos concéntricos en el fondo cósmico de microondas. Ni que decir tiene que muchos investigadores están ya manos a la obra buscando esos anillos. Si se encontraran, sería la primera observación de algo que ocurrió antes del Big Bang.

Héctor Socas Navarro es investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y divulgador en «Coffe Break». El autor agradece al Dr Jose Alberto Rubiño por su lectura crítica y comentarios para mejorar este artículo.