La historia de la Tierra: un estudio global de la materia.        Introducción     En este trabajo he querido contar la historia de la materia: desde el momento que los átomos se formaron en las estrellas, hasta la situación de la materia terrestre actual. La evolución puede contarse desde muchos puntos de vista: la evolución geológica, que nos habla de los cambios en la esfera rocosa; la evolución biológica, que describe las distintas especies que han habitado el planeta, etc. Pero en este libro lo que vamos a tratar es la evolución biogeoquímica, es decir, cómo se ha comportado la materia (orgánica o inorgánica) durante, y después de, la formación de la Tierra. A pesar de que el hilo conductor de la historia es la Química, a lo largo del texto la Química se mezcla con la Biología, la Geología y la Física, para realizar un relato coherente sobre la evolución del planeta. Entramos en el campo de la Biogeoquímica, una Ciencia que lleva muchos años "funcionando" y que explica el comportamiento real de la materia terrestre. Dicho comportamiento está influido por los cambios geológicos y biológicos, hasta el punto de que, en la Tierra actual, la esfera sólida, la atmósfera, la hidrosfera y la vida parecen "haberse puesto de acuerdo", para hacer que la concentración de los elementos químicos en superficie y la temperatura del planeta sean casi constantes a lo largo del tiempo. El libro se ha dividido en tres partes perfectamente diferenciadas: 1.-Sobre el origen de la materia y de la Tierra, 2.- La Tierra antigua y 3.- La Tierra actual. Las dos primeras partes tratan de la evolución de la materia, desde el origen del Universo hasta el presente; mientras que en la última parte describimos el comportamiento actual de la materia terrestre.   En la primera parte encontraremos la primera clave de la historia terrestre: su distancia al Sol, que ha determinado nuestra temperatura promedio. A su vez, la distancia al Sol condicionó el volumen y la composición química de la Tierra que han sido la base de su evolución posterior. Así, el pequeño volumen de la Tierra ha limitado la cantidad de isótopos radiactivos presentes en el planeta, el calor que estos generan durante su descomposición y la actividad geológica interna; mientras que la composición química definió las características de la atmósfera, el suelo  y la hidrosfera, así como la posibilidad de que se desarrollase la vida. El objetivo de estos primeros temas no son las estrellas y los planetas como cuerpos cósmicos, sino más bien llegar a conocer el origen de los átomos y la razón de la composición química de nuestro planeta. De ahí que haya huido de problemas astrofísicos (momentos angulares, campos magnéticos, etc.) y haya "pasado de puntillas" sobre las definiciones físicas. Los anexos 1 y 2 tratan de la naturaleza de la materia, y se han incluido como un complemento del capítulo 1. En el primero se muestran algunos conceptos importantes: qué es un átomo, un isótopo, y la razón de la estabilidad de la materia y de la abundancia cósmica de los elementos. En el segundo se describe la base de algunos métodos de datación mediante isótopos radiactivos, que se citan a lo largo del texto.   En la segunda parte se cuenta la evolución de la Tierra, desde sus orígenes a la actualidad: cómo se distribuyó la materia inorgánica (capítulo 3), cómo se formaron los primeros seres vivos (capítulo 4) y cómo actuaron dichos seres modificando el medio ambiente (capítulo 5). El capítulo 3 narra los cambios ocurridos en la Tierra durante los primeros cientos de millones de años, dichos cambios definieron las características químicas y la estructura física de la Tierra sólida, que no se han modificado apreciablemente desde entonces, y también nos permitirán descubrir la naturaleza de la atmósfera y la hidrosfera de hace unos 4000 a 3800 millones de años. Es la segunda etapa clave de la historia terrestre y el punto de partida para explicar el origen de la vida en el capítulo 4. Aquí la historia se desliga definitivamente del resto del Sistema Solar y entramos de lleno en la evolución terrestre; aunque en el anexo 3 puede encontrar un resumen de los cambios ocurridos en el transcurso del tiempo en nuestros planetas vecinos. El capítulo 4 se inicia con un repaso de las distintas teorías sobre el origen de la vida, después se describen las claves de la evolución química que condujo al primer ser vivo y se comentan los pasos esenciales de la evolución biológica. El capítulo 5 empieza con un resumen sobre la actividad biológica, que aporta y retira gases de la atmósfera. Ésta es la tercera y última clave de la historia terrestre, puesto que nos permitirá justificar los cambios ocurridos en la Tierra desde el origen de la vida, hace unos 4000 a 3800 millones de años, hasta la actualidad: la aparición del oxígeno atmosférico, la desaparición del dióxido de carbono y la oxidación de la superficie terrestre. Al final del capítulo llegamos a la Tierra de hace unos 400 millones de años, un planeta con unas condiciones ambientales que no han sufrido cambios químicos apreciables desde entonces.   La tercera y última parte del libro explica cómo se comporta la Tierra actual y consta de 4 capítulos. En esta parte descubriremos el comportamiento de la Tierra sólida, la vida, el suelo, el océano y la atmósfera, que se relacionan entre sí dando lugar a un planeta que se autorregula, por cierto, de un modo muy eficaz. El capítulo 6 se inicia comentando cuál es la fuerza impulsora de la evolución terrestre: por un lado, nos encontramos con la energía geotérmica, que es la causa del campo magnético, el desplazamiento de los continentes, la aparición de volcanes o terremotos, y la formación de los relieves geográficos; por otro, la energía solar, que es el origen de la nivelación del terreno, la alteración química superficial, la actividad biológica y las corrientes oceánicas y atmosféricas. Después se analizan el ciclo del agua y el ciclo de las rocas, como punto de partida para comprender los ciclos biogeoquímicos, que son extraordinariamente importantes para la biosfera, ya que regulan la concentración de nutrientes, haciendo que la cantidad de elementos esenciales para la vida permanezca casi constante a nivel global.  A partir de todos estos conceptos, llegamos a la descripción del suelo y del océano en el capítulo 7. El suelo se presenta aquí como la fuente potencial de nutrientes, que deben ser recuperados de las rocas o de la materia orgánica mediante diversos mecanismos, que implican el cambio físico y químico de los minerales y la transformación bioquímica de los restos orgánicos. Parte de los nutrientes liberados en el suelo serán usados por los organismos terrestres, pero el resto serán arrastrados por las aguas superficiales hasta llegar a los lagos o a los océanos, en donde serán consumidos por los seres acuáticos. Los aportes de nutrientes al océano pueden representar un peligro: si se acumulasen, aumentarían la salinidad de los océanos y acabarían destruyendo a sus organismos; sin embargo, esto no ocurre, ya que en el océano se producen una serie de reacciones químicas que favorecen la eliminación de sustancias nutritivas hacia los sedimentos, en donde quedan enterradas y alejadas de los seres vivos. Al final del capítulo 7 se presenta el ciclo biogeoquímico del carbono, uno de los más importantes para la biosfera; he querido resaltar este ciclo por dos motivos, el primero es que constituye un ejemplo claro de la interconexión entre las reacciones de la atmósfera, el suelo, los seres vivos y el océano, el segundo es que el ciclo del carbono regula la concentración del dióxido de carbono en la atmósfera, lo cual influye en el, tan traído y llevado, efecto invernadero. No obstante se resalta el hecho de que las temperaturas medias superficiales no están influidas únicamente por el invernadero atmosférico. Esto queda patente en el capítulo 8, en el que se estudia la naturaleza de la atmósfera y de la radiación solar que llega a la superficie, como punto de partida para comprender el clima terrestre. Al final del capítulo se resumen los factores que pueden modificar las temperaturas superficiales. Pero de nada nos servirían a los seres vivos los procesos de regulación de nutrientes o de control de las temperaturas, si llegasen a la superficie las radiaciones solares o cósmicas de alta energía, que son capaces de destruir nuestras moléculas. En el capítulo 9 veremos que no estamos indefensos frente a la radiación, ya que nos encontramos protegidos de ella por la atmósfera y por el campo magnético, que filtran y desvían las radiaciones destructoras, al tiempo que permiten el paso de la luz necesaria para la biosfera. Por último en el anexo 4 muestro mi opinión personal sobre el descenso de ozono estratosférico.   A pesar de que hasta este momento la Tierra ha dispuesto de mecanismos de regulación que han permitido la presencia de vida, no debemos sacar la conclusión de que la evolución es un proceso dirigido a estabilizar la biosfera. Por ejemplo, nuestra atmósfera no filtra las radiaciones energéticas porque éstas sean perjudiciales para la vida, sino todo lo contrario: sólo han sobrevivido aquellos seres capaces de adaptarse al tipo de radiación solar que llega a la superficie. Escribo esto porque, a veces, cuando oímos o leemos algo acerca de la evolución, da la impresión de que la evolución "piensa y se dirige a un fin", nos encontramos frases como: "el planeta ha evolucionado en el sentido que nos interesa a los seres vivos". Pero no es así, la evolución del planeta está marcada únicamente por las leyes de la Física y de la Química, que son rigurosas e inmutables. La Tierra no ha evolucionado en el sentido que le interesaba a los seres vivos, si lo hubiera hecho nuestra atmósfera continuaría siendo hoy de dióxido de carbono, que era la atmósfera adecuada para los primeros organismos; sin embargo la atmósfera cambió y aquellos seres sucumbieron. El planeta no se adapta a la vida sino justo lo contrario: es la vida la que está influenciada por el medio ambiente y sólo sobreviven los individuos capaces de adaptarse a las condiciones terrestres. Pero aunque hablemos de organismos perfectamente adaptados, la supervivencia de una determinada línea evolutiva no es ilimitada y los organismos van cambiando en el transcurso del tiempo. Esta evolución biológica tampoco está dirigida, ni ha venido marcada por las necesidades de los organismos: las enormes orejotas de los elefantes no aparecieron porque tuviesen necesidad de ventilarse, los largos rabos de algunos "monos" no surgieron porque les hiciesen falta para encaramarse a los árboles cuando huían de sus depredadores, ni nacieron las jorobas de los dromedarios porque ellos o la evolución pensasen que precisaban de ellas como reserva de agua en su caminar por el desierto. Estas características se originaron como consecuencia de reacciones químicas aleatorias en las moléculas encargadas de la herencia, y los individuos que poseían dichos caracteres se adaptaron al medio mejor que los demás, vivieron más tiempo y legaron los cambios a sus descendientes. Los seres vivos no pueden dirigir su evolución y ella tampoco es un ente pensante, de modo que la vida no ha avanzado en línea recta hacia la adaptación al medio terrestre; por el contrario, la evolución surge como consecuencia de sucesivas mutaciones aleatorias que, si son útiles, se heredan y perviven durante algún tiempo, justo hasta la siguiente mutación. Esto queda patente al analizar la enorme cantidad de restos fósiles que han encontrado los paleontólogos en los estratos geológicos, ya que muchos de ellos poseen caracteres evolutivos sin continuidad en estratos posteriores. Los restos petrificados de los seres extinguidos nos muestran que la vida ha estado sometida a cambios continuos, unos cambios que continuarán tan sólo durante unos 1000 a 1500 millones de años más, ya que después el calor del Sol será demasiado intenso para permitir la vida. Hasta entonces nadie puede predecir el sentido que tomará la evolución biológica pero, con toda seguridad, estará marcado por la dirección de los cambios físicos y químicos de la Tierra. Por ahora, todo lo que sabemos es que el Hombre podrá seguir disfrutando de este planeta "casi perfecto" hasta que seamos reemplazados en el curso de la evolución.   Las Palmas de Gran Canaria a 20 de febrero de 1999.   María Jesús Mediavilla Pérez Departamento de Química de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria.   Indice:   Parte 1: Sobre el origen de la materia y de la Tierra   Capítulo 1:  El origen de los átomos.   1.- El origen de la materia. 2.- El origen de los elementos químicos. 2.1.- Nucleosíntesis  estelar. 3.- La materia del Universo actual.   Capítulo 2:  La formación del Sistema Solar.   1.- La edad del Sistema Solar. 2.- Nuestra galaxia y el material interestelar. 3.- La formación del Sistema Solar. 3.1.- La formación de los planetas. 3.2.- La formación del Sol. 3.3.- El final de la acreción. 4.- Composición de los planetas: Primera segregación química. 4.1.- El volumen de los cuerpos. 5.- Diferenciación en los planetas terrestres: Segunda segregación química. 5.1.- Acreción y calor radiactivo. 5.2.- Composición de los meteoritos. 6.- Las atmósferas de los planetas interiores. 6.1.- La formación de una atmósfera.   Parte 2: La Tierra antigua   Capítulo 3:  El ambiente prebiológico.   1.- La edad de la Tierra. 2.- La Tierra antigua. 2.1.- Evolución interna. 3.- Composición química de la Tierra sólida. 3.1.- Composición de la corteza terrestre. 3.2.- Composición del manto. 3.3.- Composición del núcleo. 4.- La desgasificación. 4.1.- Los datos del argón. 5.- La primera atmósfera de la Tierra. 5.1.- La atmósfera reductora. 5.2.- La atmósfera no reductora. 5.3.- Comentario. 6.- Proporción de gases en la Tierra primitiva. 6.1.- Similitud con Venus. 6.2.- Contenido de carbono de la Tierra. 7.- Los antiguos océanos.   Capítulo 4:  El origen de la vida.   1.- Las primeras teorías. 2.- Evolución Química y Biológica. 2.1.- Lo intrínsecamente biológico. 2.2.- La química de la vida. 3.- Evolución Química. 3.1.- La asimetría de la vida. 3.2.- Síntesis de monómeros. 3.3.- Síntesis de biopolímeros. 3.4.- Las otras posibilidades. 3.5.- Comentario. 4.- El final de la evolución química. 5.- Antigüedad de la vida sobre la Tierra. 6.- Evolución Biológica. 7.- Los pasos de la evolución biológica.   Capítulo 5: Después de la vida.   1.- Evolución de la atmósfera. 2.- La vida como fuente de oxígeno. 3.- Velocidad de aparición del oxígeno. 3.1.- La aparición tardía del oxígeno. 3.2.- Límite superior del oxígeno. 4.- La desaparición del dióxido de carbono. 4.1.- El enterramiento de materia orgánica. 4.2.- Formación de rocas carbonatadas. 5.- Retirada de carbono atmosférico en la Tierra antigua.     Parte 3: La Tierra actual   Capítulo 6: Los ciclos de la Tierra.   1.- Equilibrio y desequilibrio. 1.1.- Un ejemplo: la energía de la vida. 2.- El calor de la Tierra. 2.1.- La convección: dinámica de placas. 2.2.- La convección: el campo magnético. 3.- El ciclo del agua. 4.- El ciclo de las rocas. 5.- El ciclo de la vida: ciclos biogeoquímicos.   Capítulo 7:  Los elementos a través de la tierra y el agua.   1.- Interacción orgánico-inorgánico. 2.- El suelo. 2.1.- La formación del suelo. 2.2.- Accesibilidad de los nutrientes. 2.3.- Evolución del suelo. 3.- Los océanos. 3.1.- Eliminación de potasio del agua oceánica. 3.2.- Reacciones hidrotermales. 3.3.- Depósitos salinos: eliminación de cloro y azufre. 3.4.- Regulación biológica: la vida en los océanos. 4.- El ciclo del carbono. 4.1.- El ciclo del carbonato silicato y el efecto invernadero.   Capítulo 8: La atmósfera y la energía del Sol.   1.- La atmósfera terrestre. 2.- Composición de la atmósfera. 2.1.- La homosfera. 2.2.- La heterosfera. 3.- La energía solar. 4.- Interacción de la radiación solar con la atmósfera. 5.- La radiación que llega a la superficie. 6.- Los movimientos del aire. 6.1.- La circulación general del aire. 7.- Las temperaturas medias superficiales.   Capítulo 9: La protección de la vida.   1.- La radiación. 2.- Reacciones nucleares en la atmósfera. 3.- El escudo magnético. 4.- La ionosfera. 5.- Fotodisociación del agua. 6.- Formación del ozono. 7.- El "agujero de ozono de la Antártida". 7.1.- Óxidos de nitrógeno. 7.2.- Ciclo catalítico del cloro. 7.3.- Los movimientos atmosféricos.   Anexo 1:   1.- La estructura de la materia: estabilidad química. 1.2.- Isótopos. 1.3.- Un ejemplo del uso de isótopos no radiactivos. 2.- Estabilidad nuclear y abundancia.   Anexo 2:   Radiactividad y métodos radiométricos.   Anexo 3:   1.- Evolución de la atmósfera de Venus. 2.- Evolución de la atmósfera de Marte.   Anexo 4:   Otras explicaciones para la disminución del ozono polar. 1.1.- Entrada de radiación sobre las zonas polares. 1.2.- Sombra producida por la atmósfera de altas latitudes.   Bibliografía.