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Sin él no seríamos nada: el oxígeno y la vida

César Esteban / 02-07-2012

Con ocho protones y neutrones en el núcleo, el átomo de oxígeno es uno de los elementos químicos más simples de la tabla periódica. Podría parecer un pedigrí escaso, pero podemos asegurar que ha sido todo un protagonista en la historia del Cosmos y, especialmente, en la evolución de la vida en nuestro planeta.

Leonardo da Vinci ya intuyó que el aire estaba compuesto por una mezcla de gases y que dos procesos que involucran al oxígeno, la combustión y la respiración, estaban relacionados. A finales del siglo XVI, el alquimista polaco Sendivogius ideó un método para producir oxígeno, que él denominó el “alimento aéreo de la vida”, calentando salitre. Este descubrimiento fue utilizado por el Holandés Cornelius Drebbel para producir aire respirable para la tripulación del primer submarino de la historia, que fue presentado en 1621 al rey inglés Jaime I y recorrió el Támesis desde Westminster hasta Greenwich manteniéndose sumergido durante tres horas. Pero su auténtico descubridor y el que le dio nombre fue Antoine de Lavoisier. Lo bautizó como oxígeno, que proviene del griego “generador de ácido”. Constató que el aire contenía aproximadamente un 20% de este elemento.

Según la teoría cosmológica más aceptada, la Gran Explosión o Big Bang, al principio no había oxígeno. El estallido primigenio produjo únicamente hidrógeno, helio y trazas de algunos otros elementos ligeros como el litio y quizás berilio. Fue con la formación de las primeras estrellas cuando el oxígeno hizo su aparición en el escenario cósmico, y eso ocurrió al transcurrir 400 millones de años desde su creación.

El oxígeno se forma en las estrellas, sobre todo en las masivas, aquellas que tienen más de unas ocho veces la masa del Sol. Estas estrellas pueden experimentar todas las cadenas de reacciones nucleares posibles en su interior y producen oxígeno tanto en las etapas de combustión de helio como en la del neón, aunque es en el momento de su muerte como supernovas de tipo II cuando contribuyen de forma más importante al enriquecimiento en este elemento químico.

En nuestro Sistema Solar y en lo que los astrónomos denominamos la vecindad solar (nuestro entorno estelar más inmediato dentro de nuestra galaxia), los elementos químicos más abundantes (con gran diferencia, ambos suponen el 97% de la masa) son el hidrógeno y helio, mientras que el oxígeno ocupa un muy meritorio tercer puesto. Al contrario, en la Tierra nuestro protagonista es el elemento más abundante (un 47% de la masa), en forma de silicatos en la corteza y el manto y también en el agua de los océanos.

La cantidad o abundancia de oxígeno se puede medir en multitud de objetos astronómicos: meteoritos, estrellas de distintos tipos (desde enanas a gigantes, incluyendo el Sol) y nebulosas. Las medidas a lo largo de los discos de las galaxias espirales (como la nuestra) indican la existencia de un gradiente radial de abundancias: la cantidad de oxígeno (y en general de todos los elementos pesados) crece hacia al centro de las galaxias. Esta variación se origina por diferencias evolutivas entre las distintas zonas como, por ejemplo, diferentes ritmos de formación estelar, la acción de flujos de gas, etcétera. Un objetivo sobre el que trabajan varios grupos de investigación es el estudio de la denominada relación masa-metalicidad (la dependencia de la abundancia promedio de oxígeno en función de la masa de las galaxias) y cómo varía a lo largo de la historia del Universo. Los datos indican una evolución clara: según la edad del Universo aumenta las galaxias de una misma masa tienen mayores abundancias, la proporción de elementos pesados en el Universo crece con el tiempo.

Nuestro planeta se formó hace casi 4.600 millones de años y todas las pruebas geológicas nos indican que la vida apareció muy pronto, hace unos 3.800 millones de años. Posiblemente fue en lo más profundo de los océanos, alrededor de las fuentes hidrotermales sulfurosas. Los primeros seres vivos fueron bacterias que obtenían energía de la quimiosíntesis, usando sulfuro de hidrógeno y produciendo carbohidratos como alimento de la materia viva.

El oxígeno, que en la atmósfera terrestre se encuentra en forma molecular (como O2), ha experimentado un incremento espectacular en su concentración. A lo largo de 4.000 millones de años, pasó de representar una ínfima parte en un millón a un 23%. Sólo hay dos fuentes de oxígeno en la atmósfera. La más eficiente es la fotosíntesis, la forma en que las plantas, algas y cianobacterias usan la energía solar para romper la molécula del agua. Este mecanismo usa el dióxido de carbono atmosférico para producir carbohidratos de alta energía de enlace como los azúcares, grasas y proteínas que forman parte de la materia orgánica de los seres vivos. La fotosíntesis genera O2 como residuo. El otro proceso de formación de oxígeno es la fotólisis del agua: la radiación ultravioleta del Sol rompe el agua generando O2 libre. Es un mecanismo muy lento y fue el responsable de la desaparición de los océanos de Marte. El oxígeno que se iba formando se empleaba en la oxidación de las rocas de la corteza, compuesta mayormente por óxido de hierro (por eso el color rojizo del planeta) en vez de acumularse en la atmósfera, que cada vez se iba haciendo más rica en dióxido de carbono. ¿Por qué no ocurrió esto en la Tierra? La existencia de la propia vida salvó a los océanos terrestres de sufrir el mismo triste destino del agua marciana. La fotosíntesis proporcionó O2 a un ritmo superior y pudo acumularse en la atmósfera y frenar la pérdida de agua. Los microorganismos que salvaron la Tierra fueron las humildes cianobacterias o algas azul-verdes, que inventaron la fotosíntesis hace posiblemente unos 3.500 millones de años.

Al contrario que otros procesos biológicos, como la visión o el vuelo, que aparecieron y evolucionaron de forma independiente en distintos tipos de seres vivos, la fotosíntesis sólo apareció una vez. Todas las algas y plantas usan el mismo proceso, que deviene de un ancestro común: la cianobacteria. Ningún otro microorganismo aprendió a romper la molécula del agua de ninguna otra manera

La respiración de los animales, hongos y bacterias es el proceso inverso de la fotosíntesis. Usamos oxígeno para quemar u oxidar material orgánico (azúcares, grasas o proteínas elaboradas por los productores fotosintéticos), extraemos energía para nuestro organismo y devolvemos dióxido de carbono a la atmósfera. Casi todo el oxígeno que se produce por la fotosíntesis se emplea en la respiración de los seres vivos. Una pequeña parte queda atrapado en materiales oxidados en la corteza terrestre.

Hace 2.700 millones de años la concentración de oxígeno en la atmósfera era de una centésima la de ahora. Entre hace 2.200 y 2.000 millones de años se constata un aumento muy importante de la cantidad de O2 en el aire, hasta una décima del actual. Este incrementó se produjo tras un fenómeno de glaciación global que experimentó la Tierra entre 2.400 y 2.100 millones de años atrás y que cubrió todo nuestro planeta de una capa de hielo. Aunque no sabemos exactamente el motivo de esta glaciación global, la hipótesis más plausible es que todos los continentes se dispusieron alrededor del ecuador (y por lo tanto libres de hielo) aumentando la cantidad de dióxido de carbono que pasaba a las rocas en forma de carbonatos, disminuyendo el efecto invernadero y por lo tanto bajando la temperatura media del planeta. Los hielos polares fueron aumentando de extensión y, al reflejar cada vez más luz solar, contribuyeron a su vez a disminuir todavía más la temperatura. Este proceso se detuvo cuando los volcanes rompieron los hielos e insuflaron dióxido de carbono a la atmósfera, subiendo de nuevo lentamente las temperaturas y derritiendo la capa helada.

La Tierra parece haber sufrido cuatro glaciaciones globales. Durante cada glaciación la vida (que era sólo microbiana) sufrió grandes extinciones. Las cianobacterias sobrevivieron mal que bien y después de cada una de las glaciaciones se reprodujeron como locas debido a la gran cantidad de minerales y nutrientes erosionados por los glaciares que, al derretirse estos, fueron llevados a los océanos. El incremento espectacular del oxígeno libre en la atmósfera se debe a este “boom” de nuestras amigas cianobacterias.

Al final de la última glaciación global (hace aproximadamente 635 millones de años), los niveles de O2 alcanzaron valores similares a los actuales y, unos 50 millones de años más tarde, aparecieron los primeros seres vivos pluricelulares, la denominada biota ediacárica, unos organismos algo aburridos, parecidos a nuestras esponjas y corales actuales que habitaban los mares poco profundos. Pero fue con la explosión del Cámbrico, hace unos 530 millones, cuando surgieron los vertebrados, los animales con conchas y la mayor parte de los fila (filos o troncos) biológicos que han existido jamás.

La alta concentración de oxígeno atmosférico favoreció esta explosión. El metabolismo con O2 es alrededor de diez veces más eficiente que las otras formas posibles. Esto permitió que aumentara la longitud de las cadenas alimenticias. Los animales del Cámbrico fueron los primeros depredadores. Hubiera sido difícil la aparición de los grandes animales y plantas en ausencia de cantidades importantes de oxígeno pues los componentes principales de su estructura, el colágeno y la lignina, requieren este elemento químico para su síntesis.

Otro momento interesante en la evolución biológica de la Tierra fue el periodo Carbonífero. De este periodo, que se extiende desde 320 a 260 millones de años atrás, proviene el 90% de las reservas de carbón de nuestro planeta. Los continentes convergieron en el supercontinente conocido como Pangea y el clima era húmedo. Las enormes praderas aluviales se poblaron densamente por plantas gigantes que produjeron una cantidad de lignina como nunca más se ha vuelto a repetir y que acabó sepultada como carbón. La concentración de O2 atmosférico durante el Carbonífero alcanzó el 35%, cerca del doble de la actual, favoreciendo la combustión y los fuegos frecuentes incluso en zonas pantanosas, algo imposible en las condiciones actuales. La alta concentración de oxígeno también favoreció la aparición de insectos y anfibios gigantes. Las tráqueas por las que respiran los insectos pudieron ser más largas y por lo tanto aumentar el volumen de sus cuerpos. Las libélulas alcanzaron un tamaño sensacional, algunas como la meganeura tenían una envergadura de más de 75 cm. Otro monstruo de la época fue la araña megarachne, que podía medir unos espantosos 50 cm. ¿Quién no se asustaría del ciempiés anthropleura armata, con una longitud de 2 m?

La mayor parte de los gigantes del Carbonífero desaparecieron al no poder sobrevivir a la caída del nivel de O2 al final del periodo Pérmico (hace 250 millones de años), cuando la concentración disminuyó al 15%, por debajo incluso del nivel actual. Este momento coincidió con la extinción masiva del Pérmico-Triásico, conocida con el acongojante nombre de la “Gran Mortandad”. La extinción más catastrófica que la vida terrestre haya sufrido jamás, donde desaparecieron casi el 90% de todas las especies. Otras extinciones como la más conocida, que acabó con los dinosaurios, (extinción masiva del Cretácico-Terciario, ocurrida hace 65 millones de años) también vino seguida por una caída del nivel de O2.

Por todo lo que hemos visto no resulta extraño que algunos llamen al oxígeno “el elixir de la vida”. Lo necesitamos para respirar, tiene probadas propiedades terapéuticas e incluso nos induce a la euforia. Una particularidad importante del oxígeno es su enorme poder como agente oxidante. El proceso químico de la oxidación se refiere a la sustracción de electrones de las moléculas. No es casualidad que el nombre del proceso provenga del oxígeno. El fenómeno contrario es la reducción, que consiste en la adición de electrones a una molécula. Lo malo del asunto es que la oxidación es el principio molecular del envejecimiento.

El oxígeno es paradójico, es necesario para la vida pero daña la materia viva por ser un fuerte agente oxidante. En las reacciones intermedias, el proceso de la respiración genera lo que denominamos radicales libres, moléculas con electrones desapareados o cargadas debido a la ganancia o pérdida de un electrón. Cuando el radical libre se encuentra con otra molécula como un lípido, proteína o incluso ADN, puede arrancarle un electrón, transformándola a su vez en otro radical libre, pudiéndose generar una reacción en cadena. Las mitocondrias son uno de los orgánulos que se encuentran dentro de las células y están encargadas de las funciones metabólicas y de respiración de los seres vivos. Sus membranas retienen los radicales libres producidos por esos procesos pero no son infalibles. Con la edad las mitocondrias empiezan a fallar y los radicales libres se desparraman por la célula pudiendo dañar la estructura de las moléculas orgánicas, incluso el material genético contenido en el núcleo, llegando a producir mutaciones en casos extremos.

Nuestras defensas frente a la acción de los radicales libres son los antioxidantes, donantes de iones que anulan o aminoran sus efectos. Algunos de estos antioxidantes son el glutatión, las vitaminas C y E o la enzima catalasa. Suelen encontrarse en las frutas y las verduras, por lo que debemos hacer caso a nuestras madres y comerlas con fruición, pues favorecen el retardo del envejecimiento celular.

Todavía no hemos encontrado vida fuera de nuestro planeta, pero parece claro que si la vida en el resto del Universo sigue las mismas pautas que en la Tierra, un primer paso para encontrarla sería la búsqueda de O2 en las atmósferas de los exoplanetas. Hasta la fecha hemos detectado más de 700 planetas girando alrededor de otras estrellas, aunque la mayoría de ellos son todavía mucho más grandes que la Tierra. El observatorio espacial Kepler ha hallado una gran cantidad de candidatos a planetas con un tamaño similar al de la Tierra, aunque falta su confirmación. La previsión es que en los próximos años detectaremos muchos planetas terrestres.

Hay astrofísicos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de otros centros que estudian las propiedades del espectro integrado de la Tierra tal como lo vería un observador externo con el objetivo de usarlo como referencia en nuestras investigaciones futuras sobre las atmósferas de los exoplanetas, cosa que posiblemente se podrá hacer cuando entren en funcionamiento los telescopios gigantes. Es significativo que en la zona infrarroja del espectro terrestre (producido por la luz solar reflejada o la que pasa a través de la atmósfera) los rasgos distintivos del O2 y de otras moléculas importantes, como el dióxido de carbono o el metano (lo que se conoce como biomarcadores) pueden distinguirse. Encontrar indicadores de este tipo implicaría que el planeta tiene una alta probabilidad de albergar vida e incluso vida compleja. Pero ¿quién nos asegura que la vida terrestre es como la nuestra?

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El autor

César Esteban es Doctor en Astrofísica, Profesor Titular del Departamento de Astrofísica de la Universidad de La Laguna e investigador adscrito al Instituto de Astrofísica de Canarias.

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