Cambio Climático

   VISIÓN GENERAL

   Cuando se habla de cambio climático suele señalarse como su principal causante al efecto invernadero, fenómeno que resulta fundamental para entender cómo se calienta nuestro planeta y por qué nuestro clima cambia con el transcurso tiempo. Sin embargo, esta metáfora no es muy acertada; un invernadero, al igual que el planeta en su conjunto, recibe radiación procedente del Sol, la cual pasa fácilmente a través del cristal o el plástico tal como lo hace a través de la atmósfera. Parte de esta luz solar entrante es absorbida por las distintas superficies dentro del invernadero y, al igual que cualquier otro objeto, las plantas y el suelo del mismo reemiten radiación térmica a longitudes de onda larga que son visibles para nosotros. Hasta aquí, la analogía no presenta problema alguno.

   La radiación térmica procedente de los elementos del invernadero tiende a escapar al espacio, y parte de ella es atrapada en su camino por el plástico o el vidrio, pero muy poca. Lo que ocurre es que lo que realmente se calienta es el flujo de aire, deteniendo la pérdida de calor por convección, mientras que lo que ayuda a mantener el calor de la Tierra es la presencia de ciertos gases en la atmósfera que absorben la radiación térmica y devuelven parte de ella a la superficie. Son los famosos gases de efecto invernadero, cuya función va mucho más allá que la de formar una simple capa alrededor del planeta.  

   Salgamos del invernadero y veamos cómo la luz solar entrante se equilibra con la radiación térmica procedente de la Tierra. La radiación solar, en forma de onda corta visible, entra en la atmósfera hacia la superficie sufriendo modificaciones antes de llegar a ella: una parte es reflejada por las nubes, otro poco es dispersado por las partículas atmosféricas y, por último es absorbida por la capa de ozono y otros gases. El resto alcanza la superficie de la Tierra, no pudiendo ser absorbida o reflejada en su vuelta a través de la atmósfera hacia el Espacio. Esa fracción reflejada por la superficie de la Tierra depende de la naturaleza de la misma y se denomina albedo. 

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   El hielo y la nieve reflejan mucha radiación (tienen un alto albedo), mientras que el océano absorbe gran cantidad de ella (tiene un albedo bajo), de forma que la desaparición de hielo marino descubre y expone el oscuro océano bajo él, causando la absorción de mucha más radiación. En general, la Tierra refleja aproximadamente el 30% de la radiación solar que recibe desde el espacio o, lo que es lo mismo, posee un albedo de 0,3. Pero si la superficie sólo absorbiese el restante 70%, todos estaríamos congelados, pues la temperatura media rondaría los 18ºC bajo cero. Esto no ocurre por la presencia de los gases de efecto invernadero, que provocan un calentamiento extra de otros 33ºC, permitiendo una temperatura media de 15ºC.

   Recapitulando: la Tierra emite radiación en forma de calor, parte de la cual tiene la longitud de onda adecuada para ser absorbida por los gases atmosféricos que, a su vez, emiten radiación térmica, y un porcentaje de ella vuelve a la superficie de la Tierra. Pero, ¿cuáles son esos gases clave? Siempre se identifica al dióxido de carbono como el más importante, pero en realidad es el vapor de agua el que desempeña el papel clave dentro de la "capa". Otros gases importantes son el metano, el ozono y el óxido nitroso.

   Debido a la forma esférica de la Tierra, llega más energía solar a las zonas situadas cerca de los trópicos que a las que se encuentran en latitudes mayores, donde la luz solar impacta en un ángulo inferior. La energía es transportada desde las zonas ecuatoriales a latitudes más altas a través de las circulaciones atmosféricas y oceánicas, incluyendo los sistemas de tormentas. También se requiere energía para evaporar el agua del mar o de la superficie de la Tierra, y esta energía, llamada calor latente, es liberada cuando el vapor de agua se condensa en las nubes (ver imagen abajo). La circulación atmosférica es impulsada principalmente por la liberación de este calor latente y es, a su vez, responsable de la circulación de los océanos a través de la acción de los vientos sobre las aguas superficiales y por medio de cambios en la temperatura de las mismas y de su salinidad, debido a la precipitación y a la evaporación.

Estimación del balance de energía anual y global de la Tierra. www.ipcc.ch

   Los patrones de circulación atmosférica, definidos por la rotación de la Tierra, tienden a ser más de este a oeste que de norte a sur. Incrustados en las latitudes medias, los vientos del oeste son sistemas meteorológicos a gran escala que transportan el calor hacia los polos. Estos sistemas meteorológicos migran, y son los famosos sistemas de bajas y altas presiones, con sus correspondientes frentes fríos y cálidos. A causa de las diferencias de temperatura tierra-océano y de los obstáculos tales como cadenas montañosas y capas de hielo, las ondas atmosféricas a escala planetaria del sistema de circulación suelen ser "ancladas" geográficamente por continentes y montañas, aunque su amplitud puede cambiar con el tiempo. Como consecuencia de los patrones de ondas, un invierno particularmente frío sobre América del Norte puede asociarse con un invierno más caliente de lo normal en otras partes del hemisferio. Los cambios en diversos aspectos del sistema climático, tales como el tamaño de las capas de hielo, el tipo y la distribución de la vegetación o las temperaturas de la atmósfera y el océano influyen en las circulaciones globales de la atmósfera y el océano.

   Clima, sistema climático y "feedbacks"

   Si se quiere entender el cambio climático es imprescindible comprender el clima. ¿Qué es? ¿Cómo se produce? ¿Cuál es la diferencia entre tiempo y clima? Empecemos por responder a esta última pregunta. El tiempo lo forman los elementos que vemos a diario, como la lluvia, la temperatura y el viento, que pueden variar hora a hora y día a día. El clima,  sin embargo, es la variación del tiempo durante un período largo, clásicamente establecido en 30 años. Los científicos han sido capaces de definir las zonas climáticas de todo el mundo, para lo cual deben observar cómo la atmósfera interactúa con los océanos, las capas de hielo, las masas de tierra y la vegetación. Todas estas interacciones configuran un sistema climático. El Sol también conduce nuestro clima, pues su luz proporciona la energía que calienta el Planeta. 

   Para saber por qué cambia el clima es fundamental estudiarlo como un sistema formado por cinco componentes principales: atmósfera, hidrosfera (océanos, ríos, lagos y agua subterránea), biosfera (seres vivos y suelos), criosfera (capas de hielo, hielo marino y glaciares de montaña) y litosfera (superficie de la corteza terrestre). Si examinamos estos elementos detalladamente, descubriremos toda una serie de ciclos que actúan como enlaces activos, interacciones entre los componentes que alimentan el sistema climático. Existen múltiples ciclos naturales, pero un ejemplo realmente bueno que ilustra el acoplamiento entre componentes del sistema climático es el ciclo del agua. La radiación solar hace que el agua se evapore de la superficie de la hidrosfera y de la biosfera, formando vapor de agua que se condensa en la atmósfera, generando nubes. El agua regresa a la superficie posteriormente a través de precipitaciones (lluvias y nevadas), volviendo a la hidrosfera o a la criosfera. La luz del Sol también puede derretir la nieve y el hielo de la criosfera, o transformarlos directamente en vapor de agua mediante un proceso denominado sublimación. Este ciclo del agua está influenciado por una amplia variedad de factores que pueden ser modificados por la actividad humana.

   Existen tres formas fundamentales por las que el balance de radiación de la Tierra puede variar: 1) cambiando la radiación solar entrante (por ejemplo,  por los cambios en la órbita terrestre o en la solar), 2) cambiando la fracción de la radiación solar que es reflejada -albedo- (por ejemplo, por los cambios en la cubierta de nubes, partículas atmosféricas o vegetación), y 3) mediante la alteración de la radiación de onda larga desde la Tierra de vuelta al espacio (por ejemplo, cambiando las concentraciones de gases de efecto invernadero). El clima responde a este tipo de cambios a través de una gran variedad de mecanismos de retroalimentación. 

   Para determinar el estado climático de la Tierra resulta crucial la comprensión de las retroalimentaciones que operan en el sistema climático. Si tenemos en cuenta la dinámica del mismo, no podemos hablar sólo de una simple causa y efecto. Los ciclos que conectan los componentes del sistema climático también crean circuitos de retroalimentación, es decir, circuitos cerrados de causa y efecto. Un ejemplo simple de sistema de retroalimentación es el termostato que controla un sistema de calefacción central: cuando la temperatura es demasiado baja, la calefacción está encendida, calentando las cosas a su alrededor, y cuando se vuelve demasiado caliente, la caldera se apaga, enfriando de nuevo los objetos. Sin embargo, este feedback de ingeniería es mucho menos complejo que el sistema climático, en el que actúan múltiples reacciones para regular el clima hasta un estado en particular.

   Existen tres feedbacks clave en la determinación del estado del sistema climático: retroalimentación del vapor de agua, retroalimentación del albedo del hielo y lo que llamaremos retroalimentación de la radiación. La evaporación se produce cuando la radiación solar calienta la superficie de los cuerpos de agua, transformando el líquido en gas y almacenándose en la atmósfera, como se dijo anteriormente. las moléculas de vapor de agua absorben radiación térmica procedente de la superficie terrestre, lo que las hace vibrar. Posteriormente reemiten esta radiación, parte de la cual vuelve a la superficie, lo que se traduce en un mayor calentamiento de la misma, provocando, a su vez, un mayor cantidad de evaporación en un proceso de amplificación que llamamos una retroalimentación positiva (positiva en un sentido puramente matemático, lo que no quiere decir que este feedback sea algo bueno). Así, si consideramos tres elementos, temperatura, evaporación y vapor de agua, notamos que si se incrementa la temperatura, aumenta la evaporación que, a su vez, aumenta la cantidad de vapor de agua. Esta subida del número de moléculas de vapor provoca una subida de la temperatura, que hace aumentar la evaporación de nuevo, y así sucesivamente. 

   El siguiente tipo de realimentación que tiene una influencia significativa en el sistema climático es la retroalimentación del albedo del hielo. Si tomamos una superficie de océano que está cubierto en su mayoría por el hielo marino , por ejemplo en el Ártico, gran parte de la radiación solar que alcanza la superficie se reflejará de nuevo hacia la atmósfera,  pues el hielo tiene un elevado albedo. La superficie del océano, por otro lado, reflejará algo de radiación solar, pero tiende a absorber más de lo que refleja puesto que tiene un albedo bajo. De modo que si calentamos el sistema y se derrite hielo marino, vamos a tener aún un poco de reflexión desde el mar de hielo resultante. Pero donde se exponen aguas abiertas vamos a conseguir mucha más absorción de luz solar entrante que va al mar en forma de calor. Este calentamiento del océano derretirá más hielo del mar y así sucesivamente.

   El último circuito de retroalimentación, y sin embargo el más importante para el funcionamiento del sistema climático es el feedback de la radiación, que representa un muy buen ejemplo de una retroalimentación negativa . Todos los objetos emiten radiación y, cuanto más caliente está un cuerpo, más radiación emite. Y cuando un cuerpo caliente emite radiación, se enfría. Es lo que ocurre, por ejemplo, cuando el carbón se calienta tanto que la radiación se hace visible para nosotros. Este fenómeno se conoce como el efecto Stefan Boltzmann o  Planck feedback en honor a los físicos que primero lo describieron .

   Próximamente veremos cómo ha cambiado el clima desde hace unos 4,5 billones de años.

Ecosistemas

  

    Introducción y vida en uno de los extremos

   Definir el término ecosistema no es tarea fácil, pues no todos los científicos tienen en cuenta los mismos elementos a la hora de estudiar el medio natural. No obstante, existen dos escuelas de pensamiento que pueden utilizarse como punto de partida para entender qué es un ecosistema. Una de ellas considera un ecosistema como "un área donde los distintos grupos de organismos experimentan condiciones similares". La otra lo define como "un sistema vivo de transferencia de energía, todo un conjunto de organismos que viven juntos unidos por transferencia de energía". La diferencia clave entre ambas descripciones es que mientras el área define a la primera, la segunda está determinada por las relaciones energéticas. Pero si se consideran conjuntamente, puede considerarse que un ecosistema es un conjunto de organismos y componentes abióticos vinculados por procesos de transferencia de energía y reciclado de materiales.

   Para examinar este concepto más detalladamente es aconsejable recurrir a ejemplos que resulten familiares para la mayoría, como puede ser una piscina natural en una playa rocosa.

Piscina natural. The Open University. 

   Al abordar el estudio de un ecosistema es necesario plantearse algunas cuestiones, que para este caso en particular podrían ser las siguientes: ¿cómo cambia la marea la naturaleza del ecosistema? ¿Cómo puede esto extrapolarse y aplicarse a otros ecosistemas con entornos físicos variables? ¿Qué papel tiene el sol en el mantenimiento del ecosistema?

  Como cualquier otro ecosistema, la piscina rocosa está vinculada a otros ecosistemas, lo que se hace evidente a diario con los cambios de marea, la cual modifica el agua de mar y los organismos (trayendo unos y llevándose otros) de la piscina, así como sus características físicas y las de los alrededores. Cuando la marea está baja la piscina es una colección de organismos que viven juntos en un espacio claramente definido, mientras que cuando la marea está alta puede no ser más que una pequeña depresión del fondo marino rocoso.

  Cualquier ecosistema está compuesto por seres vivos, un entorno físico y una fuente de energía. Entre los seres vivos pueden encontrarse desde ejemplares grandes (peces, algas, crustáceos, moluscos, etc.) hasta los que no pueden observarse a simple vista (plancton, bacterias), siendo todos importantes en el funcionamiento del ecosistema.

   En cuanto a los componentes físicos, los más evidentes son la roca que rodea a la piscina, el agua que hay en ella, y el aire (cuando la marea está baja). Pero estos factores físicos no son fijos; las mareas y el efecto de la luz del sol implican una alta capacidad de los organismos de soportar variaciones extremas, por ejemplo de temperatura y sal.

   Por último, casi toda la energía que obtiene la vida en la piscina llega en forma de luz solar. Parte de esta energía es capturada por las algas adheridas a la roca y las plantas microscópicas (plancton). Éstas son comidas por animales, que a su vez son devorados por otros más grandes. Otra fuente de energía puede ser la atracción gravitatoria de la Luna, que provoca el ascenso y el descenso de las mareas.     

Piscina rocosa. cinoby/iStockphoto.com 

   Resulta casi imposible comprender todas las interacciones que se producen en un ecosistema en un momento determinado, pero no qué tipos de interacciones están presentes en él. Existen muy diversos tipos de interacciones entre especies en todo sistema natural, entre las que destacan:

   - Comensalismo: una especie obtiene beneficios y no hay ningún efecto sobre la otra.

   - Amensalismo: un organismo se ve perjudicado en la relación y el otro no experimenta ninguna alteración.

   - Mutualismo: ambas especies se benefician.  

   - Parasitismo, depredación y herbivorismo: una especie gana y otra pierde.

   - Competencia: ambas especies, o individuos de una misma especie, pierden.

  La vida en la Tierra se basa en el carbono, y una característica clave de los ecosistemas es el paso del mismo a través del sistema como parte del ciclo de carbono. La energía del sol es capturada en las hojas de las plantas y conduce la incorporación de carbono en moléculas orgánicas. Así, el dióxido de carbono se combina con agua para producir moléculas simples, fenómeno conocido como fotosíntesis, base de toda vida. Se entiende, pues, que la productividad de un ecosistema se ve afectada por las disponibilidades de luz, agua, dióxido de carbono y nutrientes.

   Hábitats extremos

  Las condiciones en los desiertos y en los Polos son muy duras, por lo que los organismos que viven en estos hábitats poseen una serie de adaptaciones que les permiten vivir allí, aunque, a menudo, al borde de la supervivencia. Parte de la comprensión de los ecosistemas en su conjunto consiste en entender cómo sobreviven esos organismos, lo cual implica considerar un amplio rango de características, como su anatomía, comportamiento, fisiología y bioquímica.

   Desiertos

 

Desierto de Wahiba, Omán. Mlenny/iStockphoto.com

   Los desiertos tienen un clima único, con organismos característicos que desarrollan sus propios nichos. Un nicho abarca el papel del organismo dentro del ecosistema, la forma en que come, lo que come, y sus depredadores. Puede haber nichos vacíos en un hábitat, o incluso un invasor puede ocupar un nicho expulsando a la especie que normalmente lo ocupa, pues dos especies diferentes, en general, no pueden establecerse en la misma localización geográfica.

  En los desiertos, los nichos insectívoros, herbívoros y granívoros suelen estar ocupados por pequeños animales, incluyendo artrópodos, lagartijas, pequeños pájaros, roedores, ardillas y musarañas. Animales de mayor tamaño, como liebres, gacelas, camellos y avestruces ocupan nichos de pastoreo. Los depredadores suelen ser zorros (en todos los desiertos) y pumas (E.E.U.U. y México). Todos ellos hacen uso de una gran variedad de microambientes y sus microclimas asociados, áreas a pequeña escala en las que el clima es diferente al del hábitat en su conjunto. Por ejemplo, una cavidad bajo una roca (microambiente) tendría una temperatura ambiente (Ta) más baja que la superficie y, por tanto, un microclima diferente. 

   Un desierto de arena hiperárida, como el de Arabia, tiene una relativa baja diversidad de microambientes y microclimas asociados disponibles en la superficie para los vertebrados. Sin embargo, a pocos centímetros de profundidad, la arena es más fría, proporcionando un microambiente fresco para ellos. En contraste con estos desiertos se encuentran los americanos, como el de Sonora, que ofrecen una amplia gama de microambientes, por lo que en ellos viven un mayor número de vertebrados.

    Relación superficie/volumen  

   La manera en que los animales interactúan con el medio ambiente se ve afectado por el tamaño y la forma de sus cuerpos. Por ello, un método para clasificar a los animales del desierto es atender al tamaño de su cuerpo y al grado de evaporación.

Relaciones superficie/volumen. The Open University.

   

   Si se representa a un animal pequeño como un cubo y se hace un modelo a gran escala de dos tamaños naturales, todas las dimensiones lineales del animal de mayor tamaño serían dos veces más grandes. Sin embargo, en el modelo el área de superficie no se incrementaría en un factor de 2, ni tampoco el volumen, como se puede ver comparando en la figura los puntos a y b. Si las dimensiones lineales se doblan, el área de superficie aumenta en un factor de 4 (22), y el volumen en un factor de 8 (23). Así, la relación superficie/volumen es menor en un animal grande que en uno pequeño, y puesto que el calor se transfiere en la superficie, un animal pequeño tiene un mayor potencial de obtener y perder calor rápidamente que uno mayor, debido a su área superficial relativamente grande. A su vez, un animal pequeño tiene un mayor potencial relativo para la pérdida de agua por evaporación.

   Sin embargo, los animales no tienen forma cúbica, de modo que las especies que viven en los desiertos han desarrollado características que les permiten aumentar su superficie en relación a su volumen.

    Estrategias de comportamiento en evasores

   Los evasores son un grupo de pequeños animales que incluye anfibios, reptiles y mamíferos, roedores e insectívoros del desierto. El término hace referencia a su conducta, que les ayuda a evitar el sobrecalentamiento en los días calurosos y soleados, disminuyendo la necesidad de refrigeración mediante evaporación de agua, algo no viable para pequeños animales que viven en un hábitat árido. Los evasores hacen uso de microambientes como grietas en las rocas, madrigueras subterráneas y sombras proyectadas por las plantas para su termorregulación conductual. También evitan el enfriamiento excesivo del cuerpo retirándose para buscar protección cuando Ta se desploma por la noche.

    Los evasores extremos son las ranas del desierto Cyclorana spp y Neobatrachus spp, ambas de Australia, que pasan la mayor parte del año en estivación dentro de una madriguera. La estivación es un tipo especial de latencia que permite a los animales sobrevivir con altas Ta y falta de agua durante la estación seca. Durante la corta estación lluviosa, estas ranas acumulan agua en la vejiga y, para evitar su pérdida hacia el suelo seco, se rodean de un capullo; al final de la temporada de lluvias, las ranas se entierran en el suelo y sus pieles se someten a un proceso de muda en la que las capas de la epidermis se separan del cuerpo, pero sin llegar a caer, formando una crisálida protectora que cubre todo su cuerpo excepto las fosas nasales. El capullo se espesa cada vez más, se queratiniza enormemente e impide que la rana pierda agua durante los nueve o diez meses que dura la estivación. Al comienzo de la estación húmeda, las fuertes lluvias provocan la filtración del agua dentro de la madriguera, estimulando a las ranas para emerger de nuevo a la superficie para alimentarse y reproducirse.

Cyclorana spp (izquierda) y Neobatrachus spp (derecha). Robinson, M., A Field Guide to Frogs of Australia.

   Los reptiles son los vertebrados que más  posibilidades hay de ver en un desierto. Con una piel escamosa queratinizada, no son tan propensos a perder agua por evaporación como los anfibios. Son ectotermos, por lo que dependen de fuentes externas para calentar y mantener una alta temperatura corporal (Tb) en sus cuerpos durante el día. Por ejemplo, los lagartos del desierto obtienen energía térmica a través de la radiación solar, la atmósfera y el suelo. A su vez, pierden energía térmica a través de conducción (del cuerpo al suelo), pérdida de agua por evaporación, convección y radiación térmica hacia el cielo. 

   

   En un día soleado, los lagartos obtienen más calor del que desprenden, de modo que es importante para ellos evitar el sobrecalentamiento, así como reducir la pérdida de calor corporal cuando Ta baja en la noche o durante el invierno. Durante el día, los reptiles pueden moverse entre áreas cálidas y frías para mantener Tb. Aquellas especies que mantienen una alta Tb cuando las condiciones ambientales permiten la adopción de estrategias para ello se denominan especialistas térmicas. Por el contrario, existen otras especies, conocidas como generalistas térmicas, que permiten fluctuaciones de Tb aún cuando podrían utilizar las características del medio para mantenerla constante (cobijándose bajo una roca, por ejemplo). 

    

Lagarto expuesto al sol. The Open University.

   La salamanquesa común es una generalista térmica nocturna; durante las pimeras horas del día toma el sol hasta que su piel se vuelve prácticamente negra, mientras que por la noche es muy pálida. Las ventajas que se obtienen del cambio de color en la piel son bastante obvias: los colores oscuros absorben e irradian calor mucho mejor que los claros. Por la noche, un color claro debe reducir la pérdida de calor por radiación, y no hay mucho calor disponible para absorber. Por el contrario, durante el día la piel oscura facilita la absorción de calor y, aunque es cierto que también se induce la radiación hacia la atmósfera, el calor que se pierde carece de importancia si se compara con la gran cantidad absorbida.

   La ventaja concreta que adquiere la salamanquesa al calentarse por la mañana no está del todo clara, aunque existen indicios que apuntan a la necesidad de un proceso fisiológico: la digestión de los alimentos ingeridos durante la noche, para lo cual necesita una Tb más alta de la que puede mantener durante la noche. Esta capacidad de variar el color de la piel muestra que la termorregulación conductual en los reptiles se complementa con mecanismos fisiológicos. 

   La temperatura de la superficie del desierto, de la arena, cambia a lo largo de un día, tanto en verano como en invierno. Sin embargo, bajo ella existe una temperatura benigna en todos los tramos del día, en ambas estaciones. Por tanto, las madrigueras proporcionan microambientes importantes para muchos evasores del desierto, variando su uso y estructura en función de la especie. Para la tortuga del desierto (Xerobates agassizii), por ejemplo, una madriguera supone un refugio clave para su termorregulación, estivación en verano e hibernación en invierno. Las tortugas comienzan a alimentarse por la mañana, y al mediodía se retiran a sus madrigueras para protegerse de la alta Ta. 

   Estrategias conductuales de los evaporadores

   Los evaporadores son animales que dependen de una suficiente ingesta de agua que les permita enfriar Tb para refrescarse por evaporación. Pocas de estas especies son capaces de sobrevivir en los desiertos, y los que lo hacen viven en los límites de los mismos, donde tienen acceso al agua, o bien tienen adaptaciones de comportamiento y fisiológicas que reducen su dependencia de refrigerarse por evaporación. Así, para los evaporadores la evasión puede suponer una parte importante de su estrategia de termorregulación. Los evaporadores comprenden mamíferos de tamaño mediano, como liebres, perros o zorros, y también aves.

Liebre mostrando una adaptación para lidiar con un ambiente tan severo. The Open University.

   Las liebres del desierto, aunque son bastante pequeñas (pesan unos dos kilos), no se entierran, por lo que tendrían que perder un 4% de su masa corporal cada hora para poder termorregularse por evaporación. Su problema es la poca o nula disponibilidad de agua a su alrededor, por lo que deben obtenerla de la dieta, las plantas, incluidos los cactos. Durante la franja horaria más calurosa del día, las liebres escogen una depresión con sombra en el suelo, a menudo al abrigo de un arbusto (ver imagen superior). El fondo de la depresión les proporcionan una temperatura mucho más baja que la del resto de la arena, el viento caliente del desierto y gran parte de la radiación que pasa por encima de sus cabezas. Desde esa posición pueden orientar sus grandes orejas hacia algún claro del cielo; la temperatura de la radiación del cielo del norte al mediodía es de sólo 13ºC, por lo que las orejas, que están altamente vascularizadas y tienen una temperatura de unos 38ºC se dirigen hacia él, y así las liebres pueden irradiar aproximadamente la mitad de su producción metabólica (13 KJ/h). Luego, por la noche, se dedican a alimentarse.

   Estrategias conductuales de los sufridores

   Los sufridores son los grandes mamíferos, como el oryx y el camello, y las grandes aves del desierto, incluyendo avestruces y emús. El término "sufridores" se debe a que estos animales se ven obligados a soportar las condiciones extremas de su entorno, ya que no pueden refugiarse de la alta Ta y la intensa radiación durante el día. ni de la baja Ta en la noche, pues son demasiado grandes como para usar madrigueras o guaridas. Sin embargo, también han desarrollado sus propias estrategias: los grandes mamíferos suelen estar inactivos durante la mayor parte del día, lo que reduce la producción de calor metabólico. Es lo que hace el oryx, que en los días calurosos cava con sus pezuñas para extraer la arena fresca bajo la superficie y sentarse sobre ella, perdiendo calor por conducción. También puede permanecer sentado a la sombra de los árboles, y se alimenta durante la noche, evitando la exposición a altas Ta y a la radiación solar. Incorpora agua a su organismo gracias a las plantas que come.

  La gacela común, por su parte, vive en la frontera del desierto del Sahara y es la especie más pequeña de gacela, con un peso de entre 15 y 20 kilos. Tiene extremidades y orejas muy grandes en relación a su cuerpo,  lo que maximiza cualquier enfriamiento convectivo causado por la brisa. Como el oryx, puede sobrevivir sin beber agua y se alimenta durante la noche.

  Como se ha visto, largos miembros, colas o cuellos, proporcionan grandes superficies por las que el calor puede ser disipado, y los patrones de comportamiento pueden maximizar dicha disipación. El avestruz es el ave más grande, alcanzando un peso de hasta 150 kg, y a diferencia del oryx o la gacela, se alimenta durante el día seleccionando plantas con alto contenido en agua. Su cuello desnudo y sus largas patas le ofrecen una gran superficie de enfriamiento por convección y radiación, especialmente en días ventosos. Las plumas largas de la zona dorsal del animal aumentan el espesor del aislamiento entre la radiación solar y la piel, mientras que los huecos entre las plumas permiten el paso de aire, enfriando la piel por convección. Para completar la respuesta fisiológica a la parte más calurosa del día, estas aves inclinan sus alas formando un paraguas que da sombra al tórax, cuya piel desnuda actúa como superficie para perder calor por radiación y convección. Por la noche, cuando cae la Ta, las avestruces conservan el calor plegando las alas cerca del tórax y situando las patas desnudas bajo el cuerpo mientras se sientan en el suelo. 

   Conclusiones

  La pérdida de agua por evaporación es el medio más eficaz para reducir la temperatura del cuerpo durante el estrés calórico. Sin embargo, prácticamente no hay agua disponible en los desiertos. Por ello, para todos los grupos de vertebrados que viven allí las estrategias de comportamiento para el mantenimiento de Tb juegan un papel crucial en la prevención del sobrecalentamiento del cuerpo, lo que reduce la necesidad de refrigeración por evaporación, conservando el agua. Estas estrategias de comportamiento para controlar la temperatura corporal se relacionan estrechamente con mecanismos bioquímicos y fisiológicos.

   Los animales del desierto se clasifican en función de su tamaño corporal y su fisiología en tres grupos: evasores, evaporadores y sufridores. Según esta clasificación, cuanto más pequeño es el animal, mayor es su relación superficie/volumen, ganando y perdiendo calor más rápido que los animales grandes, o lo que es lo mismo, calentándose rápidamente cuando están expuestos a la radiación solar y enfriándose rápidamente por la noche.

 Los evasores endotérmicos pequeños, como las ratas, descansan en microambientes frescos, como sombras o madrigueras, durante el día. Los lagartos, evasores ectotérmicos, regulan Tb durante el día yendo y viniendo entre las zonas soleadas y las de protección, evitando la hipotermia nocturna retirándose a sus madrigueras. Los evaporadores nocturnos, como los zorros, permanecen en madrigueras frescas durante el día. Los sufridores, especies de gran tamaño, como el oryx, se alimentan por la noche y permanecen sentados a la sombra durante el día. 

   En la siguiente publicación se estudiarán los hábitats fríos, el mundo microscópico, los impactos humanos y los ecosistemas frágiles.

Origen e historia evolutiva de la vida (V)

 

TODA UNA VIDA

  Los indicios geológicos, particularmente el registro paleontológico, han aportado a la comunidad científica mucha información acerca de la historia de la vida en la Tierra: qué tipos de organismos existieron, cuándo vivieron y dónde lo hicieron. Determinados organismos aparecen en el registro fósil, desaparecen y son sustituidos por otros. En una primera etapa predominaron los procariotes unicelulares, a los que siguieron los eucariotes unicelulares. Los primeros eucariotes multicelulares, organismos de cuerpo blando que no dejaron muchos fósiles, surgieron hace unos 630 millones de años en el mar. Los animales con concha y otros muchos invertebrados (aquellos sin columna vertebral) marinos como los trilobites, artrópodos arcaicos, asomaron más tarde.

  A los invertebrados marinos les siguieron los primeros vertebrados, y a éstos, los peces con mandíbulas, que dieron lugar a los anfibios, los cuales se dispersaron y dieron origen, hace unos 300 millones de años, a los reptiles, de los que surgieron las aves y los mamíferos de manera independiente. 

  Las pistas del registro paleontológico 

 

  Los fósiles y las rocas contienen, grabada en ellos, la historia de la vida. Los sedimentos de la corteza terrestre se clasifican en cinco estratos (capas) principales, cada uno subdividido en estratos menores, situados unos sobre otros. Estas capas suelen hallarse en el orden correcto (las rocas más recientes encima de las más antiguas), y se formaron por la acumulación de arena y fango en los lechos de océanos, mares y lagos. Cada una de ellas contiene algunos fósiles característicos que ayudan a identificar depósitos que se formaron más o menos al mismo tiempo en diferentes partes del mundo.

  Los geólogos dividen los 4.600 millones de años de la Tierra en unidades de tiempo basdas en acontecimientos geológicos, climáticos y biológicos de gran magnitud. Se desconoce bastante de nuestro planeta desde su origen hasta hace 570 millones de años, un período llamado informalmente tiempo precámbrico. A partir de entonces, y hasta hoy, el registro paleontológico de seres antiguos se hace abundante, y este espacio temporal se divide en tres eras descritas a partir de organismos que fueron carácterísticos en cada una de ellas. Las eras se subdividen en períodos, compuestos a su vez por épocas.

 

Algunos acontecimientos biológicos importantes en el tiempo geológico. Biología (Solomon, Berg, Martin). McGraw Hill

  Las pruebas de los depósitos del precámbrico

 

  La vida precámbrica se remonta a hace unos 3.800 millones de años, aunque no se dispone de demasiadas pruebas físicas, pues las rocas, al ser tan antiguas, están profundamente enterradas. Sólo en algunas zonas, como el fondo del Gran Cañón del Colorado, hay rocas expuestas de ese tiempo que revelan la existencia de microfósiles.

   En aquel entonces, la actividad volcánica generalizada y los enormes levantamientos formaron montañas, por lo que es probable que la presión, el calor y la distorsión asociados a este tipo de movimientos destruyeran casi todos los fósiles que pudieron haberse producido. Aún así, existen ciertos vestigios de vida en diminutas cantidades de carbono puro o grafito, que pudieran ser los restos transformados de vida primitiva. Estas huellas abundan especialmente en zonas que en ese tiempo fueron mares y océanos.

  Por otro lado, de varias formaciones del precámbrico se han recuperado fósiles que parecen pertenecer a cianobacterias. Los fósiles hallados en rocas precámbricas más recientes presentan grupos de bacterias, hongos, protistas (incluyendo algas pluricelulares) y animales.

  Una importante fuente de fósiles del precámbrico son las colinas Ediacaran, donde se encuentran los más antiguos conocidos de animales multicelulares, correspondientes a una etapa de hace entre 600 y 570 millones de años. Aún no han sido resueltas las afinidades filogenéticas de los animales simples de cuerpo blando hallados ahí y en otros sitios precámbricos en todo el planeta. Algunas de estas criaturas parecen ser ejemplos de antiguas medusas, corales blandos, gusanos segmentados, moluscos y artrópodos de cuerpo blando, mientras que otros carecen de parecido con algún otro fósil u organismo actual conocidos. Si esto es así, al menos algunos de los animales ediacarianos fueron ancestros de los que les siguieron, pero hay biólogos que consideran que dichos animales poseen un plan corporal que difiere del de todos los filos de animales conocidos, por lo que, de ser esta la interpretación correcta, es probable que esos organismos se extinguieran a finales del precámbrico y no tuvieran relación directa con los animales modernos.

 

  Era Paleozoica: diversidad

 

  La era paleozoica comenzó hace unos 570 millones de años y duró 222 millones de años. Está compuesta por seis períodos: cámbrico, ordovícico, silúrico, devónico, carbonífero y pérmico.

  El período cámbrico está representado por rocas ricas en fósiles, pues en aquel entonces la evolución era ya tan activa que a este período se le conoce también como explosión cámbrica. En los sedimentos marinos pueden encontrarse fósiles de todos los filos animales actuales, junto con otros fila extraños ya extintos. El lecho marino estaba cunierto de esponjas, corales, crinoideos, estrellas de mar, caracoles, bivalvos, cefalópodos primitivos, braquiópodos, trilobites, y algún cordado elemental. Los científicos no han podido determinar hasta la fecha los factores que provocaron la explosión cámbrica, sin parangón en la historia evolutiva de la vida. No obstante, existen indicios de que las concentraciones de oxígeno traspasaron algún umbral crítico (más del 10% del oxígeno actual) en algún momento tardío de este período. El lugar más importante en cuanto a fósiles que demuestra la explosión cámbrica es Burgess Shale, en la Columbia Británica, Canadá.

  Al principio de este período, los filum animales habían alcanzado un grado de adaptación que les permitía explorar su ambiente y habituarse a los cambios ambientales mediante modificaciones relativamente limitadas en su plan corporal.

Principales filos aparecidos durante la explosión cámbrica. Darwinodi.com

  Según los geólogos, los continentes se inundaron poco a poco, hasta que en el período ordovícico gran parte de lo que ahora es tierra estaba cubierta por mares someros, habitados por cefalópodos gigantes (animales del tipo nautilus con conchas rectas de cinco a siete metros de longitud), arrecifes coralinos y los primeros vertebrados (peces pequeños sin mandíbulas y con armaduras óseas llamados ostracodermos). Los depósitos del ordovícico contienen también esporas fósiles de plantas terrestres, lo que hace pensar que la colonización de las tierras emergidas había comenzado.

Ostracodermos fósiles. Juntadeandalucía.es

  Durante el período silúrico los peces sin mandíbulas se diversificaron y permitieron la aparición de los mandibulados. Además, hay pruebas de que en este período surgieron dos formas de vida de gran importancia biológica: plantas terrestres y animales que respiraban aire. Las primeras plantas terrestres eran parecidas a los helechos, pues poseían tejido vascular (conductor) y se reproducían por esporas. su manifestación permitió a los animales conquistar la tierra emergida, pues las plantas les proporcionaron alimento y refugio. Los únicos animales que respiraban aire en este período eran artrópodos: milpiés, artrópodos parecidos a arañas y ciempiés. Desde un punto de vista puramente ecológico, resulta interesante el hecho de que el flujo de energía de plantas a animales ocurría a través de detritos (desechos orgánicos de organismos en descomposición), y no de manera directa en forma de materia vegetal viva. Los milpiés actuales comen detritos vegetales, mientras que arañas y ciempiés depredan otros animales.

  En el período devónico apareció una gran variedad de peces, por lo que es conocido como la edad de los peces. Especialmente importante fue la explosión de los peces con mandíbulas, cuya adaptación les permitió masticar y morder. Los placodermos blindados, un grupo extinto de peces con mandíbulas, se diversificaron y dieron lugar a distintos modos de vida, desde los filtradores que moraban en el fondo marino a los más voraces depredadores. En depósitos del devónico se encuentran tiburones y los dos tipos predominantes de peces óseos: peces con aletas lobuladas (incluidos celacantos y peces pulmonados) y peces con aletas radiadas, que dieron origen a los principales órdenes modernos de esta clase. En 1938 se observó por vez primera un celacanto vivo (se le creía extinto) en aguas profundas de la costa de Madagascar.

  Los sedimentos del devónico superior contienen restos fósiles de anfibios semejantes a salamandras, parecidos en muchos aspectos a los peces de aletas lobuladas, que pudieron ser sus ancestros inmediatos. En este período también se originaron los insectos ápteros.

  Las primeras plantas vasculares se diferenciaron durante el devónico en un estallido evolutivo de similares dimensiones al ocurrido con los animales durante la explosión cámbrica, apareciendo todos los grupos importantes, excepto las plantas con flores. Prosperaron, así, los bosques de helechos, licopodios, equisetos y helechos de semilla.

  El período carbonífero recibe su nombre de los grandes bosques pantanosos cuyos restos persisten en la actualidad como importantes depósitos de hulla. Durante este período, gran parte de la tierra emergida se cubrió de pantanos someros habitados por equisetos, licopodios, helechos, helechos de semilla y gimnospermas (plantas con semillas, como las coníferas).

  Los anfibios fueron los carnívoros terrestres dominantes. Surgieron los reptiles, cuya diferenciación formó dos líneas principales en este período: lagartos insectívoros de talla pequeña o intermedia, que dieron origen a lagartos, serpientes, cocodrilos, dinosaurios y aves; y reptiles del pérmico y el mesozoico temprano parecidos a mamíferos. Dos grupos importantes de insectos alados, cucarachas y libélulas se originaron también en este período.

  Durante el período pérmico, los anfibios siguieron siendo importantes, pero los carnívoros dominantes en ecosistemas terrestres pasaron a ser los reptiles parecidos a mamíferos, incluyendo el grupo de los terápsidos, que incluía el ancestro de los mamíferos.

  Las plantas de semilla se diversificaron y dominaron la mayor parte de las comunidades vegetales. Las coníferas se dispersaron, y aparecieron las cicadáceas (plantas parecidas a palmeras) y los ginkgos (árboles con hojas anchas parecidas a abanicos y semillas carnosas expuestas).

  La mayor extinción en masa del tiempo cámbrico tuvo lugar al final de la era paleozoica, entre los períodos pérmico y triásico, hace unos 250 millones de años. Por ejemplo, se extinguieron más del 90% de las especies marinas existentes, posiblemente por los constantes cambios del nivel del mar. La reducción de los mares someros pudo causar inestabilidad climática en tierra, provocando quizá la desaparición de organismos terrestres. Otra hipótesis acerca de esta extinción es el descenso generalizado de la concentración de oxígeno en el océano, un suceso del que se tienen indicios geoquímicos.

Bosque del carbonífero. Neofronteras.com

   Era Mesozoica: dinosaurios

  La era mesozoica comenzó hace unos 248 millones de años y duró 183 millones de años. Se divide en los períodos triásico, jurásico y cretácico, y su característica principal es el origen, la diferenciación y la extinción de una gran variedad de reptiles, por lo que se la conoce como la edad de los reptiles. Caracoles y bivalvos aumenteron en número y diversidad, y los erizos de mar alcanzaron su particular apogeo. Desde una perspectiva botánica, esta era fue dominada por las gimnospermas hasta la mitad del período cretácico, cuando comenzaron a expandirse las plantas con flores.

Ilustración de la era mesozoica. Recursostic.educacion.es

  Durante el período triásico, los reptiles experimentaron una adaptación que dio origen a numerosos grupos. En tierra, los dominantes fueron los terápsidos y un grupo diverso de tecodontos, reptiles primitivos que eran principalmente carnívoros y fueron los ancestros de los dinosaurios, los reptiles voladores y posiblemente las aves.

  Dos grupos importantes de reptiles marinos, los plesiosaurios (reptiles con aletas como remos y longitudes de hasta 15 metros) y los ictiosaurios (reptiles con cuello corto, una aleta dorsal grande y cola como la de un tiburón), aparecieron en este período y persistieron hasta el cretácico, así como las tortugas, que surgieron hace 210 millones de años.

  Los primeros mamíferos en originarse en este período fueron pequeños insectívoros, que se transformaron en insectívoros nocturnos, casi todos pequeños, durante el resto de la era mesozoica; los mamíferos marsupiales y los placentarios surgieron en el período cretácico.

  Durante los períodos jurásico y cretácico emergieron otros grupos importantes como cocodrilos, lagartos, serpientes y aves, y los dinosaurios se propagaron en grado impresionante hasta heredar la Tierra.

  Por su parte, las aves aparecieron a finales del jurásico, y se cree que lo hicieron a partir de un dinosaurio especializado o de un tecodonto relativamente no especializado. De este período se conservan fósiles del ave más antigua, Archaeopteryx, aún con dientes, que vivió hace unos 150 millones de años.

Archaeopteryx. Grandesauri.host22.com

  Descubrimientos recientes sugieren que algunos dinosaurios pudieron ser animales de sangre caliente, en contra de lo que se pensaba, ágiles y capaces de moverse con gran rapidez. Algunas especies vivían en manada y cazaban en grupo.

  A finales del período cretácico, hace 65 millones de años, los dinosaurios, pterosaurios y muchos otros animales se extinguieron de forma abrupta, al igual que la mayor parte de las gimnospermas, a execpción de las coníferas. Se han propuesto varias explicaciones  de esta masiva extinción, aunque cada vez son más las pruebas científicas que apoyan la posibilidad de que un gran cuerpo extraterrestre colisionara con la Tierra y provocara drásticos cambios climáticos. Sin embargo, aunque la mayoría de científicos acepta este hecho, no hay acuerdo general acerca de los efectos de tal impacto sobre los seres vivos.

  Era Cenozoica: mamíferos

  

  La era cenozoica podría conocerse con la misma justicia como edad de los mamíferos, edad de las aves, edad de los insectos o edad de las plantas con flores, pues se caracteriza por la aparición de todas estas formas de vida en gran variedad y número de especies. Esta era se extiende desde hace 65 millones de años hasta la actualidad y se divide en tres períodos: el período paleógeno, que abarca una etapa hasta hace 28 millones de años y se subdivide en tres épocas: paleoceno, eoceno y oligoceno; el período neógeno, subdividido en las épocas mioceno y plioceno; y el período cuaternario, que se compone de los últimos dos millones de años y se subdivide en otras dos épocas: pleistoceno y holoceno.

  Las plantas con flores, que surgieron durante el cretácico, continuaron diversificándose. Los fósiles señalan que en las épocas paleocénicas y eocénicas existían plantas semitropicales que se extendían hasta latitudes considerablemente altas. Posteriormente hubo hábitats más abiertos, como los pastizales y sabanas de Norteamérica durante el mioceno. Los desiertos se formaron más tarde en las épocas pliocénica y pleistocénica. Durante esta última, las comunidades vegetales cambiaron en gran medida por efecto de las fluctuaciones climáticas asociadas a los múltiples avances y retrocesos de los glaciares continentales.

  En el paleoceno tuvo lugar una radiación adaptativa explosiva de mamíferos primitivos, que en su mayoría no eran más que pequeños habitantes de los bosques sin relación con los mamíferos actuales. Durante el eoceno se produjo otra radiación explosiva, a partir de la cual aparecieron todos los órdenes modernos. De nuevo, la mayoría eran pequeños, pero también hubo grandes herbívoros, como los titanoterios.

Algunos animales del cenozoico. Jorgecomputo3.galeon.com

  En el oligoceno surgieron muchas familias modernas de mamíferos, entre las que se encontraban los primeros simios de los que se han descubierto fósiles en África. Muchas especies tenían especializaciones que hacen pensar en hábitats más abiertos, como pastizales o sabanas, especializaciones que continuaron en las épocas miocénica y pliocénicas, sobre todo en los mamíferos de pezuña, como los caballos, que experimentaron una radiación adaptativa que les indujo a modos de vida de ramoneo. En cuanto al ser humano, sus ancestros se encuentran en plioceno, en África, hace unos 4.400 millones de años, mientras que el género Homo apareció hace unos 2.300 millones de años.

  En el eoceno, las aves evolucionaron rápidamente, adquiriendo especializaciones para una gran cantidad de hábitats distintos. Las canoras se dispersaron ampliamente hasta convertirse en el orden más diverso de aves que persiste hoy en día.

  Durante el plioceno y el pleistoceno existió una notable fauna americana de mamíferos grandes, como mastodontes, tigres dientes de sable, camellos, perezosos gigantes o armadillos gigantes. Sin embargo, muchos de ellos se extinguieron a finales del pleistoceno, debido quizás a un cambio climático (glaciación), a la influencia de grupos humanos, o a ambos. El ser humano ya se había dispersado hacia Europa y Asia, y más tarde lo hizo también a América cruzando un puente terrestre entre Siberia y Alaska. Según sólidos indicios arqueológicos, esta extinción en masa coincidió con la aparición de seres humanos cazadores.

 

Origen e historia evolutiva de la vida (IV)

  HIJOS DEL DILUVIO UNIVERSAL

 

      La Tierra, nuestro planeta, tiene una edad aproximada de 4.600 millones de años. Se formó a partir de la colisión y posterior unión de cientos de miles de cuerpos que se encontraban en el disco circumestelar protoplanetario (ver entrada de CIENATEC El Olimpo). Al principio las temperaturas eran tan elevadas que su superficie se componía de material fundido. Sin embargo, a medida que bajaba la radioactividad disminuía también el calor, de modo que la Tierra primitiva comenzó a enfriarse lenta pero constantemente. Con el tiempo, el descenso de las temperaturas dio lugar a la transformación de su superficie, cuyo estado pasó de fluido a sólido. Había nacido la roca volcánica.

 

Tierra primitiva y evolución química

    Los cometas y meteoritos que impactaban sobre la Tierra contenían aproximadamente un 5% de agua, y ésta comenzó a acumularse en la superficie. Las altas temperaturas aún reinantes provocaron la evaporación de esa agua en grandes cantidades que, al llegar a la atmósfera primigenia, se unían al dióxido de carbono, formando espesas nubes que dieron lugar al mayor diluvio que haya habido jamás en nuestro planeta.

    La lluvia cayó sobre el exterior rocoso durante decenas de millones de años, convirtiendo a la Tierra en un planeta constituido en un 90% por agua (sólo existían pequeñas islas volcánicas). El agua, rica en hierro, era de color verde, y el cielo, debido a su alto contenido en dióxido de carbono, rojo. Por aquel entonces, la presión atmosférica era tan grande que podría haber aplastado un cuerpo humano, la temperatura era de unos 93ºC y la toxicidad era muy elevada.

    Posteriormente la corteza fue fracturándose debido a los fenómenos volcánicos ocurridos bajo los océanos, permitiendo al agua entrar en las grietas de lava fundida y mezclarse con ella, formando granito, el cual ascendió y dio origen a la corteza continental, ligera y lo suficientemente resistente como para soportar la fuerza erosiva de las olas, a diferencia de las islas volcánicas, que fueron sucumbiendo a su devastador efecto.

Tierra primitiva. misalumnosliceo48.blogspot.com.es

    Para que pudiera producirse la evolución química de la vida debieron cumplirse cuatro requisitos: ausencia total, o casi, de oxígeno libre, una fuente de energía, bloques de construcción químicos y tiempo. Puesto que el oxígeno es muy reactivo, habría oxidado las moléculas orgánicas, componentes necesarios para el inicio de la vida. La atmósfera terrestre primitiva era altanmente reductora, de modo que el oxígeno libre habría reaccionado con otros elementos para formar óxidos.

    El segundo requerimiento era la existencia de una fuente de energía necesaria para transformar compuestos inorgánicos simples en moléculas biológicas. La Tierra primigenia era un lugar con una elevada energía, con violentas tormentas eléctricas, vulcanismo generalizado, constante bombardeo de meteoritos e intensa radiación. 

    En tercer lugar, debieron estar presentes las sustancias químicas necesarias como constituyentes para la evolución química, entre las que se incluían agua, minerales inorgánicos disueltos (iones) y gases atmosféricos.

    Por último, fue preciso que transcurriera el tiempo suficiente para que las moléculas se acumulasen y reaccionasen entre sí. Los más antiguos vestigios conocidos de vida datan de hace unos 3.800 millones de años, 800 millones de años después de la configuración terrestre.

Chimenea hidrotermal. tectonicsplate.wikispaces.com

    A.I. Oparin, bioquímico ruso, intuyó que durante largos períodos las moléculas orgánicas pudieron acumularse en aguas someras, como un mar de sopa orgánica. Reparó en que en tales condiciones las moléculas orgánicas más pequeñas (monómeros) pudieron haberse combinado para formar otras mayores (polímeros). Sin embargo, estudios más recientes indican que esos polímeros pudieron haberse constituído sobe superficies rocosas o de arcilla, y no en los mares primordiales. Pero existe otro escenario posible para la evolución química: las polimerizaciones iniciales que llevaron al origen de la vida pudieron ocurrir en fisuras del piso oceánico profundo, conocidas como chimeneas hidrotermales, que habrían estado más protegidas que la supeficie de las terribles alteraciones producidas por el bombardeo de meteoritos. Hoy día, dichas fuentes termales siguen originando precursores de moléculas orgánicas y alimento rico en energía, como metano y sulfuro de hidrógeno.

  Primeras células

 

    El estudio de los protobiontes sintetizados en el laboratorio evidencia que las precélulas relativamente sencillas pueden presentar algunas de las propiedades de los seres vivos actuales. Sin embargo, sigue siendo un gran misterio cómo esas precélulas se transformaron en células vivas.

   Las primeras células en surgir fueron procariotas, como muestran fósiles microscópicos encontrados en rocas de Australia y Sudáfrica, con entre 3.100 y 3.500 millones de años de antigüedad. Los estromatolitos son otro tipo de prueba fósil de la existencia de las primeras células; son rocas en forrma de columna compuestas por gran cantidad de capas delgadas de muchas células procariotas, generalmente cianobacterias. 

Célula procariota. celulabhill.galeon.com

    El surgimiento de estas células tal vez ocurrió tras una serie de pasos cortos, siendo una de las partes más importantes del proceso el origen de la reproducción molecular. Como es sabido, la información genética de las células vivas se almacena en el ácido nucleico DNA, el cual se transcribe en el mensaje en RNA, que a su vez se traduce a la secuencia adecuada de aminoácidos en las proteínas. Puesto que tanto DNA como RNA pueden formarse espontáneamente en arcilla de manera muy parecida a como ocurrre con otros polímeros orgánicos, la pregunta es qué molécula, DNA o RNA, apareció antes en el mundo prebiótico.

    

    Algunos autores sugieren que la química de la Tierra primigenia originó moléculas de RNA autoduplicantes que funcionaban a la vez como enzima y sustrato de su propia duplicación (Hipótesis del mundo de RNA). Lo sorprendente es que existen RNA enzimáticos que poseen propiedades catalíticas, denominados ribosomas, que pudieron haber catalizado su propia duplicación en arcillas, pozas someras de roca o chimeneas hidrotermales donde apareció la vida. Ahora bien, si un RNA autoduplicante capaz de codificar proteínas apareció antes que el DNA, ¿cómo surgió éste? Quizá el RNA hizo copias bicaterianas de sí mismo que con el tiempo se convirtieron en DNA. Lo que está claro es que su incorporación en el sistema de transferencia de infomación fue muy ventajosa, pues su conformación de doble hélice es más estable (menos reactiva) que la forma monocateriana del RNA.

Comparativa entre RNA y DNA. commons.wikimedia.org

    Sin embargo, fueron necesarios varios pasos más para que pudiera desarrollarse la primera célula viva a partir de agregados macromoleculares. Por ejemplo, el código genético debió sugir en una fase muy temprana en el mundo prebiótico, porque todos los organismos lo poseen, pero ¿cómo se originó? Y, además, ¿cómo se explica que una membrana plasmática de lípido y proteína envolviera los ensamblajes precelulares y permitiera así la acumulación de algunas moléculas y la exclusión de otras?

  Células heterótrofas y células autótrofas

 

    Las primeras células pudieron obtener del medio las moléculas orgánicas que necesitaban, en lugar de sintetizarlas, consiguiendo la energía necesaria para la vida a través de su fermentación. Así, las primeras células fueron casi con total certeza heterótrofas y anaerobias.

    Cuando disminuyó la existencia de moléculas orgánicas generadas espontáneamente, sólo sobrevivieron determinados organismos que habían sufrido mutaciones que les permitieron obtener energía directamente de la luz solar (quizá para sintetizar ATP), lo que se tradujo en una clara ventaja selectiva. Lo más probable es que los primeros organismos autótrofos fotosintéticos, aparecidos hace entre 3.100 y 3.500 millones de años, emplearan la energía de la luz del sol para romper moléculas ricas en hidrógeno, siendo las cianobacterias las primeras en romper moléculas de agua para obtener hidrógeno. En este proceso se liberó oxígeno, aunque fue necesario un largo período de tiempo para que éste pudiese acumularse en la atmósfera, pues inicialmente oxidaba (es decir, se unía a moléculas) minerales del océano y la corteza terrestre.

  Aerobios

 

     Hace unos 2.000 millones de años, las cianobacterias habían producido suficiente oxígeno para comenzar a modificar significativamente la composición atmosférica, lo que supuso un impacto decisivo en la vida: los anaerobios forzados (aquellos que no pueden utilizar oxígeno para la respiración celular) murieron en su mayoría; algunos anaerobios sobrevivieron en ambientes donde no penetra el oxígeno; otros desarrollaron modos de neutralizarlo para no ser dañados. Los aerobios, por su parte, desarrollaron una vía respiratoria que usaba el oxígeno para extraer más energía del alimento y convertirla en ATP.

   La aparición de seres vivos capaces de emplear oxígeno en su metabolismo tuvo importantes consecuencias. Los organismos que respiran aeróbicamente obtienen mucha más energía de una sola molécula de glucosa de la que extraen los anaerobios mediante la fermentación, lo que quiere decir que los aerobios recién surgidos fueron más eficaces y competitivos que los anaerobios.

    La respiración aerobia tuvo también un efecto estabilizador tanto del oxígeno como del dióxido de carbono en la biosfera. Los organismos fotosintéticos empleaban dióxido de carbono como fuente de carbono para la síntesis de compuestos orgánicos, por lo que dicha materia prima podría haberse agotado de no ser por la aparición de la respiración aerobia, que libera dióxido de carbono como subproducto de la degradación de moléculas orgánicas. De manera similar, el oxígeno era liberado en la fotosíntesis y usado en la respiración aerobia.

Formación de ozono. cvlamps.com

     Otra consecuencia importante de la fotosíntesis tuvo lugar en la atmósfera superior, donde el oxigeno molecular reaccionó para formar ozono. Con el tiempo se formó una capa de ozono que envolvió a la Tierra y que impidió que gran parte de la radiación ultravioleta del sol llegara a la superficie terrestre. Gracias a esta protección, los organismos pudieron vivir más cerca de la superficie en los ámbitos acuáticos para colonizar más tarde las tierras emergidas. Sin embargo, debido a que la energía de la radiación ultravioleta era necesaria para la formación de moléculas orgánicas, su síntesis abiótica disminuyó.

  Células eucarióticas

 

Célula eucariota. recursostic.educacion.es

    Los eucariotes aparecieron hace entre 1.900 y 2.100 millones de años a partir de los procariotes. La Teoría endosimbiótica, propuesta por Lynn Margulis, establece que orgánulos como mitocondrias y cloroplastos pudieron haberse originado gracias a relaciones simbióticas entre dos organismos procarióticos. Se cree que los cloroplastos se originaron de bacterias fotosintéticas (seguramente cianobacterias) que vivían dentro de células heterótrofas más grandes, mientras que las mitocondrias eran posiblemente bacterias aerobias (tal vez bacterias púrpuras) que vivían igualmente en el interior de células anaerobias más grandes. Quizá estas bacterias fueron ingeridas, pero no digeridas, por la célula huésped y, una vez incorporadas, sobrevivieron y se reprodujeron junto a ella, de forma que las generaciones posteriores también contenían endosimbiontes. Con el paso del tiempo, el endosimbionte perdió la capacidad de vivir fuera de su célula huésped, y viceversa, pues ambos socios aportaban a la relación algo de lo que el otro carecía.

Teoría endosimbiótica. http://naturalezacantabrica.blogspot.com.es

    Cómo se desarrollaron las formas de vida de mayor tamaño es otra historia que será contada más adelante.