Antes de que evolucionara la fotosíntesis , la atmósfera de la Tierra no tenía oxígeno diatómico libre (O 2 ). [2] Se liberaron pequeñas cantidades de oxígeno mediante procesos geológicos [3] y biológicos, pero no se acumularon en la atmósfera debido a reacciones con minerales reductores.
El oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera aproximadamente a los 1,85 Ga. Al ritmo actual de producción primaria , la concentración actual de oxígeno podría ser producida por organismos fotosintéticos en 2000 años. [4] En ausencia de plantas , el ritmo de producción de oxígeno por fotosíntesis era más lento en el Precámbrico , y las concentraciones de O 2 alcanzadas eran inferiores al 10 % de las actuales y probablemente fluctuaban mucho.
El aumento de las concentraciones de oxígeno tuvo efectos amplios y significativos en la vida. El más importante fue que el aumento de las concentraciones de oxígeno provocó una extinción masiva de microbios anaeróbicos y allanó el camino para la vida multicelular.
Los organismos fotosintéticos procariotas que producían O 2 como producto de desecho vivieron mucho antes de la primera acumulación de oxígeno libre en la atmósfera, [5] quizás hace 3.500 millones de años. El oxígeno que producían habría sido rápidamente eliminado de los océanos por la erosión de minerales reductores, [ cita requerida ] sobre todo hierro . [1] Esta oxidación condujo a la deposición de óxido de hierro en el fondo del océano, formando formaciones de hierro en bandas . Por lo tanto, los océanos se oxidaron y se volvieron rojos. El oxígeno solo comenzó a persistir en la atmósfera en pequeñas cantidades unos 50 millones de años antes del inicio del Gran Evento de Oxigenación . [6]
Las fluctuaciones tempranas en la concentración de oxígeno tuvieron poco efecto directo sobre la vida, y no se observaron extinciones masivas hasta aproximadamente el comienzo del período Cámbrico , hace 538,8 millones de años . [7] La presencia de O
2proporcionó a la vida nuevas oportunidades. El metabolismo aeróbico es más eficiente que las vías anaeróbicas, y la presencia de oxígeno creó nuevas posibilidades para que la vida explorara. [8] [9] Desde el comienzo del período Cámbrico , las concentraciones atmosféricas de oxígeno han fluctuado entre el 15% y el 35% del volumen atmosférico. [10] El carbón fosilizado de 430 millones de años producido por incendios forestales muestra que los niveles de oxígeno atmosférico en el Silúrico deben haber sido equivalentes a, o posiblemente superiores a, los niveles actuales. [11] El máximo del 35% se alcanzó hacia el final del período Carbonífero (hace unos 300 millones de años), un pico que puede haber contribuido al gran tamaño de varios artrópodos , incluidos insectos, milpiés y escorpiones. [9] Si bien las actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles , afectan las concentraciones relativas de dióxido de carbono, su efecto sobre la concentración mucho mayor de oxígeno es menos significativo. [12]
El Gran Evento de Oxigenación tuvo el primer efecto importante en el curso de la evolución. Debido a la rápida acumulación de oxígeno en la atmósfera, muchos organismos que no dependían del oxígeno para vivir murieron. [9] La concentración de oxígeno en la atmósfera se cita a menudo como un posible contribuyente a fenómenos evolutivos a gran escala, como la explosión de Avalon , la explosión del Cámbrico , las tendencias en el tamaño corporal de los animales, [13] y otros eventos de diversificación y extinción. [9]
Los datos muestran un aumento del biovolumen poco después del Gran Evento de Oxigenación de más de 100 veces y una correlación moderada entre el oxígeno atmosférico y el tamaño corporal máximo más tarde en el registro geológico. [13] El gran tamaño de muchos artrópodos en el período Carbonífero , cuando la concentración de oxígeno en la atmósfera alcanzó el 35%, se ha atribuido al papel limitante de la difusión en el metabolismo de estos organismos. [14] Pero el ensayo de JBS Haldane [15] señala que solo se aplicaría a los insectos. Sin embargo, la base biológica de esta correlación no es firme, y muchas líneas de evidencia muestran que la concentración de oxígeno no limita el tamaño en los insectos modernos. [9] Las restricciones ecológicas pueden explicar mejor el tamaño diminuto de las libélulas posteriores al Carbonífero; por ejemplo, la aparición de competidores voladores como pterosaurios , pájaros y murciélagos. [9]
Las crecientes concentraciones de oxígeno se han citado como uno de los varios impulsores de la diversificación evolutiva, aunque los argumentos fisiológicos detrás de tales argumentos son cuestionables, y no es claramente evidente un patrón consistente entre las concentraciones de oxígeno y la tasa de evolución. [9] El vínculo más celebrado entre el oxígeno y la evolución ocurre al final de la última de las glaciaciones de la Tierra Bola de Nieve , donde se encuentra por primera vez vida multicelular compleja en el registro fósil. Con bajas concentraciones de oxígeno y antes de la evolución de la fijación de nitrógeno , los compuestos de nitrógeno biológicamente disponibles eran limitados [16] y las "crisis de nitrógeno" periódicas podían hacer que el océano fuera inhóspito para la vida. [9] Las concentraciones significativas de oxígeno fueron solo uno de los requisitos previos para la evolución de la vida compleja. [9] Los modelos basados en principios uniformistas (es decir, extrapolando la dinámica oceánica actual al tiempo profundo) sugieren que tal concentración solo se alcanzó inmediatamente antes de que los metazoos aparecieran por primera vez en el registro fósil. [9] Además, las condiciones oceánicas anóxicas o químicamente "inhóspitas" que se asemejan a las que supuestamente inhiben la vida macroscópica vuelven a aparecer a intervalos a lo largo del Cámbrico temprano y también a fines del Cretácico, sin ningún efecto aparente sobre las formas de vida en esos momentos. [9] Esto podría sugerir que las firmas geoquímicas encontradas en los sedimentos oceánicos reflejan la atmósfera de una manera diferente antes del Cámbrico, tal vez como resultado del modo fundamentalmente diferente de ciclo de nutrientes en ausencia de planctívoro. [7] [9]
Una atmósfera rica en oxígeno puede liberar fósforo y hierro de las rocas, mediante la erosión, y estos elementos quedan entonces disponibles para el sustento de nuevas especies cuyos metabolismos requieren estos elementos en forma de óxidos. [2]