Hipótesis de la Tierra Inusual
Este año se cumplen 20 años de la publicación de un libro sumamente influyente en el campo de la astrobiología: “Rare Earth” de Peter Ward and Donald Brownlee. En este ensayo los autores plantean una propuesta sumamente interesante e inquietante a la pregunta de si estamos solos en el universo.
Según esta obra, las formas de vida unicelulares simples pueden ser comunes en la galaxia, pero la vida compleja, incluidas las plantas y animales multicelulares, seria extremadamente rara. Las condiciones que se dieron en la Tierra podrían ser únicas e irrepetibles por lo que no debería extrañarnos que la humanidad sea la primera y única civilización inteligente de la galaxia.
Para llegar esta conclusión los autores abordan el análisis desde varios campos científicos, incluida la astronomía, la geología, la ciencia planetaria y la biología.
Un época cosmológica adecuada
Los elementos químicos necesarios para la vida (carbono, nitrógeno y oxígeno) y para la formación de planetas que puedan sustentar vida no fueron creados en el Big Bang sino que fueron sintetizados en el interior de generaciones de estrellas extintas. Se necesito cierto tiempo para acumular estos materiales en cantidad suficiente.
Además fenómenos catastróficos capaces de erradicar la vida en grandes volúmenes de las galaxias, como las súper novas (explosiones de estrellas súper masivas), cuásares (fuentes de energía electromagnética) y ráfagas de rayos gamma de altísima energía, eran enormemente más comunes en el universo primitivo.
Se estima que debieron pasar al menos 2 mil millones de años para que el universo reuniera las condiciones necesarias para ser habitable. Nuestra galaxia se formó cuando el universo tenía unos 4 mil millones de años y nuestro sistema solar unos 5 mil millones de años después, tiempo suficiente para cumplir con estas 2 condiciones.
Un lugar adecuado en el universo
Clústeres globulares, galaxias elípticas y galaxias enanas están formadas por estrellas con poca cantidad de los elementos químicos necesarios para la vida. Además presentan alta densidad de estrellas lo que aumenta enormemente los niveles de actividad radiactiva producida por supernovas, cuásares y ráfagas de rayos cósmicos de alta energía.
Solo las galaxias espirales como la nuestra, presentan zonas donde las condiciones son adecuadas para la vida. Nuestro Sol se encuentra a 26 mil años luz del centro galáctico, precisamente dentro de esta zona habitable, no demasiado cerca del centro donde existe una enorme cantidad de estrellas y por ende una excesiva actividad radiactiva, pero tampoco demasiado lejos, donde las estrellas son más viejas y poseen menor cantidad de elementos químicos necesarios para la vida. Esta franja habitable que se estima que se extiende entre los 23 y 30 mil años luz de distancia al centro galáctico, contiene el 5% de la estrellas de la galaxia.
Un sistema planetario adecuado
El Sol es una estrella de un tipo G. Estrellas tipo G y tipo K son lo suficientemente grandes y calientes para sostener sistemas planetarios con zonas habitables amplias y lo suficientemente pequeñas y frías para que pueda existir establemente durante miles de millones de años, tiempo suficiente para que la vida pueda desarrollarse. Solo el 10% de las estrellas de la galaxia cumplen con estos requisitos.
Los 2500 sistemas planetarios descubiertos (y más de 4000 exoplanetas) nos sugieren que la configuración planetaria de nuestro sistema solar podría ser bastante atípica. Se cree que solo los planetas rocosos son capaces de sostener vida, en especial vida avanzada.
Un tercio de los exoplanetas descubiertos son gigantes gaseosos y la mayoría de ellos se encuentran en órbitas muy próximas a sus estrellas anfitrionas. Se los llama “Jupiteres Calientes”. En estos sistemas no existen planetas rocosos capaces de sustentar vida. En nuestro sistema solar, los dos gigantes gaseosos se encuentran en la zona exterior del sistema solar, permitiendo la existencia de una sistema solar interior con 4 planetas rocosos. Los 2 gigantes gaseosos (más los 2 gigantes de hielo) actúan como escudos protectores contra impactos de asteroides, disminuyendo la probabilidad de impactos catastróficos en más de 10 mil veces. Además poseen órbitas casi circulares, dando al sistema solar una enorme estabilidad a largo plazo.
Desde su formación, la Tierra se ubica dentro de la zona habitable de nuestro sistema solar, esto es, dentro del rango de distancia al Sol donde la temperatura superficial del planeta es la adecuada para que pueda existir agua en estado líquido.
En la actualidad Marte se encuentra dentro de la zona habitable también. En el pasado, cuando se formó el sistema solar, el Sol irradiaba un 25% menos de energía, por lo que la zona habitable estaba más cerca del Sol y Marte quedaba fuera de ella.
El agua es sumamente importante para la vida tal y como la conocemos. Debido a su polaridad magnética, es el mejor solvente conocido, facilitando las reacciones químicas que fueron necesarias para generar vida. Se mantiene en estado líquido en un amplio rango de temperaturas y cuando se congela se hace menos densa, impidiendo la congelación completa de los océanos en épocas glaciales.
Un planeta adecuado
El proceso de formación de la Tierra fue rápido en términos astronómicos. Se estima que la edad de la a Tierra es de 4540 millones de años, es decir, se formó unos 50 millones de años después que el Sol.
El gran inconveniente de los planetas rocosos es que si se forman lo suficientemente cerca de su estrella como para estar en la zona habitable, normalmente terminan con muy poca agua y escasez de los elementos necesarios para la vida, pues estos elementos son muy volátiles y tienden a escaparse a zonas más alejadas de la estrella. Sin embargo, la Tierra tiene agua en cantidad suficiente. Se cree que el agua y estos elementos llegaron durante el periodo de bombardeo intensivo de asteroides que sufrió la Tierra en los primeros 700 millones de años. Convenientemente, estos elementos llegaron en cantidad suficiente y no en exceso. Una excesiva cantidad de carbono podría haber resultado en una atmósfera con demasiado CO2 lo que habría aumentado la posibilidad de que la Tierra hubiera entrado en un efecto invernadero descontrolado, calentado la superficie de la Tierra a temperaturas no aptas para la vida, como ocurre en Venus.
El proceso se diferenciación de capas, que ocurre durante la formación de todos los planetas ha sido muy generoso con de la Tierra. La alta concentración de materiales metálicos pesados permitió la formación de un gran núcleo metálico compuesto por 80% hierro y 20% níquel en 2 capas bien diferenciadas: una central sólida y una externa líquida, ambas con temperaturas superiores a 5 mil grados. Esta combinación de materiales y estados, junto con una velocidad de rotación ligeramente diferente a la Tierra, genera un intenso campo magnético que protege a la biosfera de radiaciones peligrosas. Esto no ocurre en ninguno de los otros planetas rocosos.
Por sobre el núcleo metálico, la Tierra posee un manto, que es la capa más gruesa. Formado principalmente de hierro, magnesio y silicio, es denso, caliente y semi sólido. Al igual que en la capa líquida del núcleo, existen corrientes de circulación, pero mucho más lentas. Su parte superior, llamada astenóafera, está formada por roca derretida sobre la que se apoyan y deslizan las placas tectónicas de la Tierra, que son grandes bloques sólidos fragmentados. Por sobre el manto se encuentra una capa fina (5 a 70 km) fría y rígida llamada corteza. La corteza está hecha de elementos relativamente ligeros, especialmente sílicio, aluminio y oxígeno. La corteza se apoya en las placas técnicas que se mueven entre 3 y 5 centímetros por año.
La presencia de materiales radioactivos, como el uranio y el torio, permitieron producir un largo período de calentamiento radiactivo de las regiones internas del planeta, que ha hecho posible una tectónica de placas muy activa. Sin ellas, no habría sido posible la formación de grandes extensiones de tierras que se elevan por sobre los océanos, algo que creemos necesario para el desarrollo de vida inteligente superior.
Se estima que hace unos 4530 millones años, es decir a escasos 10 millones de años se la formación de la Tierra, ocurrió un cataclismo astronómico de magnitudes épicas donde un proto planeta del tamaño de Marte colisionó con la joven Tierra. Esto produjo una reconfiguración a gran escala de nuestro planeta. Se cree que fue precisamente este cataclismo el responsable de que la Tierra resultante tenga una corteza exterior muy delgada de material de baja densidad, que permitió que la tectónica de placas funcione más eficientemente y un enorme núcleo metálico que generó un intenso campo magnético.
Además, esta colisión dio lugar a la formación de la Luna. La Luna posee un enorme tamaño, un cuarto del tamaño de la Tierra. La fuerte interacción gravitatoria entre ambos estabilizó el eje de rotación de la Tierra en un ángulo adecuado para tener estaciones con variaciones térmicas moderadas, permitiendo así, una estabilidad inusual en el clima de nuestro planeta.
La masa resultante de la Tierra luego de esta reorganización fue lo suficientemente grande para generar un campo gravitatorio capaz de retener una atmósfera y el agua en los océanos.
El milagro de la vida
Las evidencias de existencia se vida más antiguas datan de hace 3700 a 3800 millones de años. Considerando que la Tierra atravesó un periodo de 700 millones de años de intenso bombardeo de asteroides, esto significa que la vida surgió con una rapidez casi indecente, en unos pocos millones de años, apenas las condiciones estuvieron dadas.
Esto parecería indicar que el surgimiento de la vida no seria un fenómeno muy improbable. Sin embargo, todo estadista conoce el riesgo de inferir probabilidades en base a muestras únicas. Bien podría ser que la vida sea un fenómeno extremadamente improbable y que hayamos tenido una increíble dosis de suerte. Caso contrario no estaríamos aquí para analizar lo afortunados que somos. Por eso es necesario buscar vida en otros mundos. Aunque aún no hemos podido determinar cómo exactamente surgió la vida, se cree que los elementos básicos para la vida, los aminoácido, pudieron haber llegado del espacio en meteoritos. Estos aminoácidos se convirtieron en ARN y este a su vez fabricó a las proteínas y al ADN. Sin embargo cómo exactamente los aminoácidos se convirtieron en ARN es algo que aún no hemos podido dilucidar ni recrear en laboratorio. Estudios más recientes proponen que la vida pudo haber comenzado en algún respiradero térmico de aguas profundas.
Otra posibilidad es que la cuna de la vida fueran cristales de arcilla o pirita. Las caras de estos minerales y cristales planos podrían haber presentado regiones microscópicas donde se encontraban acumuladas las primeras moléculas orgánicas. Este modelo sugiere la siguiente progresión: crecimiento de cristales de arcilla (minerales), seguido de una “absorción orgánica” (donde las moléculas puramente inorgánicas son reemplazadas por moléculas basadas en carbono), lo que permite la formación de macromoléculas orgánicas que en a su vez condujo al ADN y las células.
2 eventos claves: la evolución celular eucariota y la explosión cámbrica de diversidad
Durante casi 2000 millones se años, todo tipo de vida estaba formado por células simples llamadas procariotas, que incluyen a las bacterias y a las arqueas. Durante este periodo, las bacterias transformaron la atmósfera de la Tierra produciendo oxígeno. Un evento llamado la Gran Evento de Oxidación ocurrió hace alrededor de 2400 millones de años.
Luego, algo increíblemente improbable ocurrió. Una arquea engulló a una bacteria pero no pudo digerirla como había sucedido infinidad de veces antes. La bacteria pasó a residir en la nueva célula y así surgió la primera célula compleja llamada eucariota. El hecho de que hicieran falta más de 2 mil millones de años de evolución para que eso ocurriera nos da una idea de lo improbables que debieron ser esas uniones de células.
Durante 1000 millones de años, los organismos eucariotas no eran más que criaturas unicelulares planas de cuerpo blando. Luego, hace 1000 millones de años aparecen los primeros animales multicelulares. Y hace 550 millones de años otro evento asombroso ocurrió. Comenzó una era de enorme proliferación de formas de vida pluricelulares que condujo a la variedad de vida que hoy puebla la Tierra. Un estallido de vida conocido como la explosión cámbrica.
A los científicos les llama la atención que estos 2 eventos transcendentales de la evolución de la vida, la aparición de las células Eucariotas y la explosión Cámbrica, ocurrieron luego de 2 periodos glaciaciones globales donde prácticamente la totalidad de la superficie terrestre se congeló, episodios llamados “Tierra Bola de Nieve”. La primera ocurrió hace 2600 millones de años y la segunda durante un periodo que va desde los 800 a los 600 millones de años.
Algunos creen que durante estas glaciaciones globales, los nichos de vida fueron forzados a cooperar de una manera distinta y eso potenció la selección natural. Otros creen que la temperatura de la Tierra se moderó luego de la glaciaciones globales de hace 800 millones de años haciéndola más apta para la vida. La activa geología de nuestro planeta vino al rescate de la continuidad de la evolución de la vida por medio de una intensa actividad volcánica.
Extinciones en masa adecuadas para el surgimiento de la humanidad
Hubo al menos 9 extinciones en masa en la historia de la Tierra, 4 de ellas ocurrieron antes de la explosión cámbrica, una durante y 5 después.
- Bombardeo intensivo de asteroides: ocurrió hace 4.600 a 3.800 millones de años. Se cree que el período de fuertes bombardeos esterilizó la superficie de la Tierra al menos varias veces.
- La Gran Oxidación y Tierra Bola de Nieve: ocurrió hace 2.500 a 2.200 millones de años. El aumento del oxígeno ciertamente condenó a la extinción a la mayoría de las especies bacterianas anaeróbicas de la Tierra.
- Evento Tierra Bola de Nieve: hace 800 a 600 millones de años. Casi no tenemos información sobre estos eventos, que pueden haber incluido tres o cuatro extinciones separadas que coinciden con glaciaciones repetidas.
- Extinciones Cámbricas: hace 560 a 500 millones de años. Ocurrieron inmediatamente antes y luego durante el período Cámbrico. Es el más enigmático de todos los episodios de extinción.
Los 5 siguientes ocurrieron luego de la explosión cámbrica.
- Fin Ordovícico: hace 450 millones de años. Se extinguieron entre el 60% y 70% de todas las especies, poniendo fin a uno de las etapas de biodiversidad más grandes de las historia.
- Fin Devónico: hace 375 millones de años. Se cree que fueron una serie de eventos de extinción en un periodo de 25 millones de años. Se extinguieron el 70% de todas las especies.
- Fin Pérmico: hace 250 millones de años. Conocida como “La Gran Muerte”, fue la más grande de las extinciones. Se extinguieron entre el 90% y 95% de todas las especies.
- Fin Triásico: hace 200 millones de años. Se extinguieron entre el 70% y 75% de todas la especies dejando a los dinosaurios sin competencia.
- Fin Cretácico: 65 millones de años. Provocado por el impacto de asteroide de 15 km de diámetro, se extinguieron el 75% de las especies, entre ellos todos los dinosaurios. Surgimiento del dominio de los mamíferos y aves.
Las extinciones en masa se creen que fueron producto de cambios climáticos extremos producidos por cambios en el eje de rotación de la Tierra, en la órbita, en la composición química de la atmósfera que aumenta o disminuye los gases de efecto invernadero o por los movimientos de los continentes.
Otra posible cause son impactáis de asteroides de más de 10 km de tamaño que se estima ocurren en promedio cada 100 millones de años.
Otra posible causa son los estallidos de supernovas cercanas (menos de 30 años luz) que se estima que ocurren en promedio cada 200 a 300 millones de años.
Finalmente los más peligrosos de todos, las ráfagas de rayos cósmicos gamma de altísima energía, que se cree que pueden esterilizar grandes regiones de la galaxia podrían ocurrir en promedio cada 200 millones de años.
En todos los casos, las extinciones masivas, nunca exterminaron completamente la vida, y dieron paso a una renovación de la biosfera que culminó con el dominio de los mamíferos, la clase a la que pertenecemos los humanos. Sin estas extinciones y en especial la última es muy probable que hoy, luego de 4500 millones de años aún no existiera un animal de inteligencia superior.
Un mono muy especial
Es la necesidad la que determina cómo evolucionan los supervivientes de una extinción en masa a medida que se adaptan a las condiciones en las que viven. Por que la evolución natural generó un mamífero primate inteligente en 65 millones de años mientras que los dinosaurios dominaron la Tierra por más de 150 millones se años sin lograr algo parecido?. Una posible respuesta es que durante el largo intervalo del dominio de los dinosaurios las presiones evolutivas eran menos apremiantes que en tiempos recientes. Fue una época de estabilidad ambiental sin grandes glaciaciones debido a la disposición geográfica de los continentes que eliminaran especies y premiaran la inteligencia y la capacidad de adaptación. Aún asi, los lentos pero eficaces procesos de evolución dieron lugar, hace 75 millones de años un tipo de dinosaurio muy interesante: el Troodon. Tuvo la desgracia de que 10 millones de años después la última gran extinción lo borro de la faz de la Tierra. Sin embargo simulaciones realzadas por biólogos evolutivos llegaron a la conclusión de que podría haber evolucionado en un dinosaurio humanoide inteligente en un periodo de 25 millones de años.
Sabemos que los humano descendemos de un ancestro común con los simios modernos y que según nuestros reloj molecular (cambios genéticos producto de la evolución natural) no hay nada especial en el linaje humano. No somos más que una variedad de simio africano que ha evolucionado del mismo modo que lo han hecho otros simios. Fue la presión ambiental que obligó a algunos primates primitivos a bajar del los árboles y comenzar a caminar erguido en la sabana hace unos 4 millones de años. Los humanos nos separamos de los chimpancés hace unos 6 millones de años y de los gorilas hace unos 8 millones de años.
Los primeros humanos que caminaron la Tierra aparecieron hace unos 2,5 millones de años. Hubo varios tipos de humanos en los últimos 2 millones de años. Nuestra especie, el Homo Sapiens, aparece hace unos 200 mil años. Se cree que es descendiente del Homo Heidelbergensis que a su vez desciende del Homo Antecesor. Más atrás, la linea evolutiva esta más en duda aun. La mayoría cree que el Homo Antecesor desciende del Homo Ergaster pero otros creen que desciende del Homo Erectus.
Desde el punto de vista cognitivo, el Homo Sapiens de hace 200 mil años no era igual a nosotros. El salto cognitivo ocurrió hace alrededor de 70 mil años, cuando el Homo Sapiens abandona exitosamente África y se propaga a todos el mundo.
