El Fósforo y la explosión Cámbrica

Tiempo geológico

La importancia del fósforo para la vida Forma parte de las moléculas de ADN y ARN. Constituye los fosfolípidos en las membranas celulares. Es utilizado para almacenar y transportar la energía mediante el ATP. Permite regular la actividad de proteínas intracelulares, y de ese modo el metabolismo de las células. Forma parte de algunos esqueletos (como los nuestros).

Por lo tanto constituye un elemento esencial y limitante para la vida tal como la conocemos….

Donde se encuentra… En rocas sedimentarias llamadas fosforitas.

Las fosforitas no son abundantes en el registro geológico, pero se encuentran de forma continua desde el Precámbrico, hasta los tiempos presentes. Aparecen tanto en ambientes marinos, como continentales. Hay controversias importantes en cuanto al origen.

Ciclo del fósforo El ciclo del fósforo es un ciclo biogeoquímico. Los seres vivos toman el fósforo, en forma de fosfatos a partir de las rocas, que se descomponen mediante meteorización.  Éstos pasan a las plantas mediante el suelo, y luego a los animales. Cuando éstos lo eliminan o mueren, los organismos descomponedores, vuelven a transformarlo en fosfato.

Otra parte es absorbido por el plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos son comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra. Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos.

¿De dónde proviene ese fósforo? Fosfogénesis La mayoría de los depósitos de fosforitas se encuentran en zonas de upwelling. Las cianobacterias pueden generar grandes cantidades de materia orgánica, consumiendo el oxígeno de la superficie del agua, produciendo la muerte masiva. Los organismos muertos caen al fondo, liberando fósforo en la columna de agua, cuya concentración se incrementa en condiciones de anoxia.

El fósforo luego es regenerado durante la diagénesis, es decir el conjunto de procesos que actúan para modificar los sedimentos luego de su depositación. Posteriormente puede retornar a la columna de agua mediante corrientes de upwelling, o bien concentrarse en los sedimentos hasta formar rocas. En las zonas donde no hay upwelling, como deltas o estuarios, los cuales presentan gran cantidad de materia orgánica. El agua de los sedimentos de estos ambientes presenta soluciones saturadas en fósforo. Durante los períodos postglaciares, al subir el nivel del mar permite el retorno del fósforo, mediante el upwelling. La formación de fosforitas depende depende del enriquecimiento de fósforo de las aguas mediante actividad microbiana, o bien por el reciclado de materia de los sedimentos.

¿Qué es un Snowball Earth (SBE)? Sentando las bases… Son glaciaciones extremas, en las cuales los hielos polares se extienden hasta el ecuador, cubriendo eventualmente todo el planeta. Para corroborar la paleolatitud de las rocas se utilizan técnicas de paleomagnetismo. Se utilizan rocas marinas, ya que hay certeza que hallaban al nivel del mar. Debido a que actualmente se encuentran glaciares de altura en bajas latitudes.

¿Por qué se forma un SBE? La hipótesis más aceptada propone una inusual preponderancia de los hielos continentes hasta las regiones ecuatoriales, a nivel del mar, provocando una retroalimentación positiva del hielo y de albedo alto, permitiendo a las masas de hielo crecer. Otra explicación es una oblicuidad extrema de la Tierra, en ángulos mayores a 60. Provocando mayor insolación en los polos que en el ecuador. Se supone que el efecto estabilizador de la Luna impediría que esta ocurra. Así como también se desconocen mecanismos que permitan un cambio tan rápido de oblicuidad, sin haber dejado evidencias geológicas. Así como también su relación con un cambio tan brusco de temperaturas.

Haciendo un poco de historia La finalización de los eventos de SBE, se relacionan con eventos de evolución de la vida. Durante el límite Arqueano-Proterozoico, hay evidencias de glaciaciones que se atribuye a evento tipo SBE. Posteriormente, se registran evidencias de la radiación de las cianobacterias, las cuales contribuyeron a cambiar la atmósfera, de reductora a oxidante, debido a la liberación de oxígeno como subproducto de la fotosíntesis. También se observa el registro de las primeras células eucariotas. Como consecuencia del aumento de oxígeno en la atmósfera, aparecen con mayor frecuencia las formaciones de hierro bandeado en rocas sedimentarias.

Hacia finales del Proterozoico Hacia finales del Neoprotrozoico se registra la ruptura de un supercontinente llamado Rodinia.

La ruptura de Rodinia, trajo consigo cambios biogeoquímicos globales La ruptura de Rodinia, trajo consigo cambios biogeoquímicos globales., los cuales tuvieron significancia en la evolución de los organismos. El rifting de Rodinia permitió la iniciación de una serie de eventos que terminaron con un evento SBE. El enfriamiento fue probablemente generado debido a un aumento en la meteorización química como consecuencia del rift. Lo que produjo una reducción del CO2 disponible en la atmosfera, reduciendo el efecto invernadero.

Posteriormente el evento de SBE, se registran aumentos en la productividad primaria, a partir de evidencias geoquímicas, como biomarcadores orgánicos. Llegando al límite Cámbrico-Proterozoico, el derretimiento de la grandes masas de hielo, fueron seguidas por un período de excesiva circulación marina, lo cual fue propicio para la formación de fosforitas. Los efectos combinados del rifting y las trangresiones marinas postglaciales, acompañadas de un intenso efecto invernadero, aumentaron las tasas de meteorización química, permitiendo la disponibilidad de fosfato en el agua de mar.

Para recordar el fósforo es un elemento químico, que sólo está disponible para la vida a partir de la meteorización de rocas. A diferencia de otros elementos químicos esenciales para la vida como el N, C, H y O, entre otros, que se encuentran en los gases de la atmósfera. La disponibilidad de fosfato en el agua de mar permitió el aumento de la productividad primaria y la disponibilidad de oxígeno para los organismos, esto favoreció la radiación de los primeros animales, en lo que se conoce como la Explosión Cámbrica.

Evidencias del aumento en la disponibilidad de fosfato en el agua de mar, posterior al último evento de SBE (entre el Neoproterozoico y Cámbrico), es evidenciado por una mayor complejidad y diversidad de los organismos fosilizados, preservados como fosfatizaciones (es decir cuya estructura interna es reemplazada por cristales de fosfato de calcio) y también por la presencia de estromatolitos fosfáticos. Todos ampliamente distribuidos a nivel mundial. Un ejemplo lo constituyen los embriones fosfatizados de animales de Donshantuo de China, de finales del Neoproterozoico.

Antes de continuar algunos conceptos… ¿Qué es un fósil? Los fósiles (del latín fossile, lo que se extrae de la tierra) son los restos o rastros de organismos que vivieron en el pasado geológico. Se encuentran principalmente en las rocas sedimentarias.

¿Qué es un yacimiento excepcional? Un yacimiento excepcional ó lagerstätte (en alemán literalmente, almacén; en plural lagerstätten) es un depósito sedimentario con una gran riqueza de fósiles, bien por su abundancia, o por su estado de conservación. Lagerstätten de conservación: los organismos fosilizados se han preservado de manera excepcional, incluyendo impresiones de las partes blandas que usualmente no fosilizan. Esto ocurre por descomposición incompleta de los restos biológicos, por ejemplo en un entorno anóxico. Resultan de importancia para aportar información de los organismos y funcionan como una ventana al pasado geológico.

Dilema de Darwin «A la pregunta de por qué no encontramos ricos depósitos fosilíferos correspondientes a estos [...] períodos anteriores al sistema Cámbrico, no puedo dar respuesta satisfactoria alguna», escribió Darwin. Estaba convencido, no obstante de que dichos fósiles acabarían por aparecer, puesto que «sólo una pequeña parte de la Tierra se conoce con exactitud».

¿Qué ocurrió luego del SBE? Resolución al Dilema de Darwin Ediacara (635-542 Ma): Ocurrió unos pocos centenares de millones años antes de la Explosión Cámbrica, a finales del Proterozoico. La localidad fosilífera de Ediacara, se encontró por primera vez en Australia, actualmente estratos portadores de fósiles similares de igual antigüedad se encuentran en diversas partes del mundo, razón por la cual, muchas veces se considera a la última parte del Proterozoico como Ediacariano. Están preservados como moldes, es decir que no conservan las estructuras originales.

Presenta los primeros organismos multicelulares de cuerpos blandos registrados, de afinidades inciertas. Razón por la cual han sido llamados como “Fauna de Vendobionta”, considerado como experimento “fallido” en la evolución. Aunque algunos de ellos probablemente estén relacionados con Cnidarios (anémonas, medusas). Son organismos desde 10 cm hasta 1m de longitud. Abundan formas planas con simetrías radiales o espirales de tres o cinco radios; y en menor medida organismos con simetría bilateral.

¿Qué es la Explosión Cámbrica? La Explosión Cámbrica se denomina a la aparición repentina (geológicamente hablando), de la mayoría de los phyla de animales. Hecho que ocurrió entre 530 y 520 Ma atrás. Existen evidencias de animales de una antiguedad de 600 Ma, que corresponden a restos de galerías dejados por organismos similares a gusanos.

Controversias respecto a la Explosión Cámbrica Muchos autores consideran que la Explosión Cámbrica no es tal cosa. Sino que sólo reprensenta la aparición de organismos con esqueletos duros, que presentan más posibilidades de quedar representados en el registro fósil. Por lo tanto no sería un reflejo del surgimiento de la mayoría de los grupos animales, sino el surgimiento de los esqueletos duros y fosilizables.

Yacimientos fosilíferos Chengjiang (Cámbrico Inferior, 522 Ma) Se encuentra en la región de Chengjiang en la provincia de Yunnan, al sur de China. Presenta los primeros registros de vertebrados.

Burgess Shale (Cámbrico Medio, 505 Ma) Se encuentra en la Columbia Británica, Canadá. La preservación excepcional de los fósiles se debe al enterramiento súbito de los organismos, por lo que aparecen en posición de vida, por flujos de arcilla en un ambiente de marisma somera. Esto provocó que se conservaran una gran cantidad de organismos que normalmente no se preservan debido a la ausencia de esqueleto mineralizado. 

Presenta una gran diversidad de artrópodos, muchos de ellos de afinidades inciertas.

Presenta uno de los primeros registros de Cordados Pikaia

Otros organismos presentes

Conclusiones En el pasado geológico las grandes radiaciones de vida, estuvieron relacionadas con una mayor disponibilidad de fósforo en el agua de mar, el cual favoreció una mayor productividad primaria, mayormente por cianobacterias, generando así mayor cantidad de oxígeno disponible para la vida.