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Atmósfera prebiótica

El punto naranja pálido , una impresión artística de la Tierra primitiva que se cree que parecía anaranjada a través de su segunda atmósfera prebiótica rica en metano , siendo algo comparable a la atmósfera de Titán [1]

La atmósfera prebiótica es la segunda atmósfera presente en la Tierra antes de la tercera atmósfera biótica, rica en oxígeno, de la actualidad , y después de la primera atmósfera (que estaba compuesta principalmente de vapor de agua e hidruros simples ) de la formación de la Tierra. La formación de la Tierra, hace aproximadamente 4.500 millones de años, [2] implicó múltiples colisiones y coalescencias de embriones planetarios. [3] A esto le siguió un período de menos de 100 millones de años en la Tierra en el que había un océano de magma , la atmósfera estaba compuesta principalmente de vapor y las temperaturas superficiales alcanzaron los 8.000 K (14.000 °F). [4] Luego, la superficie de la Tierra se enfrió y la atmósfera se estabilizó, estableciéndose la atmósfera prebiótica. Las condiciones ambientales durante este período de tiempo eran bastante diferentes a las de hoy: el Sol era aproximadamente un 30% más tenue en general, pero más brillante en longitudes de onda ultravioleta y de rayos X , [5] [6] había un océano líquido , se desconoce si había continentes , pero probablemente había islas oceánicas, [7] [8] la química interior de la Tierra (y, por lo tanto, la actividad volcánica ) era diferente, [9] y había un flujo mayor de impactadores (por ejemplo, cometas y asteroides ) que golpeaban la superficie de la Tierra. [10]

Los estudios han intentado delimitar la composición y la naturaleza de la atmósfera prebiótica mediante el análisis de datos geoquímicos y el uso de modelos teóricos que incluyen nuestro conocimiento del entorno de la Tierra primitiva. Estos estudios indican que la atmósfera prebiótica probablemente contenía más CO2 que la Tierra moderna, tenía N2 dentro de un factor de 2 de los niveles modernos y tenía cantidades extremadamente bajas de O2 . [ 9] Se cree que la química atmosférica era " débilmente reductora ", donde los gases reducidos como CH4 , NH3 y H2 estaban presentes en pequeñas cantidades. [9] La composición de la atmósfera prebiótica probablemente fue alterada periódicamente por impactos, que pueden haber causado temporalmente que la atmósfera se hubiera "reducido fuertemente". [11]

Limitar la composición de la atmósfera prebiótica es clave para comprender el origen de la vida , ya que puede facilitar o inhibir ciertas reacciones químicas en la superficie de la Tierra que se cree que fueron importantes para la formación del primer organismo vivo. La vida en la Tierra se originó y comenzó a modificar la atmósfera hace al menos 3.500 millones de años y posiblemente mucho antes, [12] lo que marca el final de la atmósfera prebiótica.

Contexto ambiental

Establecimiento de la atmósfera prebiótica

Se cree que la Tierra se formó hace más de 4.500 millones de años mediante la acreción de material de la nebulosa solar . [2] La Luna de la Tierra se formó en una colisión, el impacto que formó la Luna, que se cree que ocurrió entre 30 y 50 millones de años después de que se formara la Tierra. [3] En esta colisión, un objeto del tamaño de Marte llamado Theia chocó con la Tierra primitiva y los restos de la colisión formaron la Luna. [13] La colisión probablemente proporcionó suficiente energía para derretir la mayor parte del manto de la Tierra y vaporizar aproximadamente el 20% de este, calentando la superficie de la Tierra hasta 8.000 K (~14.000 °F). [4] La superficie de la Tierra después del impacto que formó la Luna se caracterizó por altas temperaturas (~2.500 K), una atmósfera hecha de vapor de roca y vapor, y un océano de magma. [3] A medida que la Tierra se enfrió al irradiar el exceso de energía del impacto, el océano de magma se solidificó y los volátiles se repartieron entre el manto y la atmósfera hasta que se alcanzó un estado estable. Se estima que la Tierra pasó del ambiente cálido posterior al impacto a un ambiente potencialmente habitable con reciclaje de la corteza, aunque diferente de la tectónica de placas moderna , aproximadamente entre 10 y 20 millones de años después del impacto que formó la Luna, hace unos 4.400 millones de años. [3] La atmósfera presente desde este punto de la historia de la Tierra hasta el origen de la vida se conoce como atmósfera prebiótica.

Se desconoce cuándo exactamente se originó la vida. La evidencia directa más antigua de vida en la Tierra tiene alrededor de 3.500 millones de años, como los estromatolitos fósiles del Polo Norte, Australia Occidental. [14] La evidencia putativa de vida en la Tierra de épocas más antiguas (por ejemplo, hace 3.800 y 4.100 millones de años [15] [16] ) carece del contexto adicional necesario para afirmar que es verdaderamente de origen biótico, por lo que todavía se debate. [17] Por lo tanto, la atmósfera prebiótica concluyó hace 3.500 millones de años o antes, lo que la ubica en el Eón Arcaico temprano o en el Eón Hádico medio o tardío . [18]

Factores ambientales

El conocimiento de los factores ambientales en juego en la Tierra primitiva es necesario para investigar la atmósfera prebiótica. Gran parte de lo que sabemos sobre el entorno prebiótico proviene de los circones , cristales de silicato de circonio (ZrSiO 4 ). [3] [19] Los circones son útiles porque registran los procesos físicos y químicos que ocurren en la Tierra prebiótica durante su formación y son especialmente duraderos. La mayoría de los circones que datan del período de tiempo prebiótico se encuentran en la formación Jack Hills de Australia Occidental, [7] [20] pero también se encuentran en otros lugares. [7] Los datos geoquímicos de varios circones prebióticos muestran evidencia isotópica de cambio químico inducido por agua líquida, lo que indica que el entorno prebiótico tenía un océano líquido y una temperatura superficial que no causaba que se congelara o hirviera. [7] Se desconoce cuándo exactamente surgieron los continentes sobre este océano líquido. [8] Esto agrega incertidumbre a la interacción entre la superficie prebiótica de la Tierra y la atmósfera, ya que la presencia de tierra expuesta determina la tasa de procesos de meteorización y proporciona entornos locales que pueden ser necesarios para que se forme la vida. [21] Sin embargo, es probable que existieran islas oceánicas. Además, es probable que el estado de oxidación del manto terrestre fuera diferente en épocas tempranas, lo que modifica los flujos de especies químicas que llegan a la atmósfera a partir de la desgasificación volcánica. [9]

Los factores ambientales de otras partes del sistema solar también afectaron a la Tierra prebiótica. El Sol era un 30% más tenue en general en la época en que se formó la Tierra. [5] Esto significa que los gases de efecto invernadero pueden haber sido necesarios en niveles más altos que en la actualidad para evitar que la Tierra se congelara. A pesar de la reducción general de la energía proveniente del Sol, el Sol primitivo emitía más radiación en los regímenes ultravioleta y de rayos X de la que emite actualmente. [6] Esto indica que diferentes reacciones fotoquímicas pueden haber dominado la atmósfera de la Tierra primitiva, lo que tiene implicaciones para la química atmosférica global y la formación de compuestos importantes que podrían conducir al origen de la vida. [21] Finalmente, hubo un flujo significativamente mayor de objetos que impactaron la Tierra, como cometas y asteroides , en el sistema solar primitivo. [10] [22] Estos impactadores pueden haber sido importantes en la atmósfera prebiótica porque pueden entregar material a la atmósfera, expulsar material de la atmósfera y cambiar la naturaleza química de la atmósfera después de su llegada. [21]

Composición atmosférica

La composición exacta de la atmósfera prebiótica es desconocida debido a la falta de datos geoquímicos de ese período. Los estudios actuales indican en general que la atmósfera prebiótica estaba "débilmente reducida", con niveles elevados de CO2 , N2 dentro de un factor de 2 del nivel actual, cantidades insignificantes de O2 y más gases portadores de hidrógeno que la Tierra moderna (ver más abajo). Los gases nobles y los productos fotoquímicos de las especies dominantes también estaban presentes en pequeñas cantidades. [23] [24] [25]

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono (CO 2 ) es un componente importante de la atmósfera prebiótica porque, como gas de efecto invernadero , afecta fuertemente la temperatura de la superficie; además, se disuelve en el agua y puede cambiar el pH del océano. [26] La abundancia de dióxido de carbono en la atmósfera prebiótica no está directamente limitada por los datos geoquímicos y debe inferirse. [9]

La evidencia sugiere que el ciclo de carbonato-silicato regula la abundancia de dióxido de carbono atmosférico de la Tierra en escalas de tiempo de aproximadamente 1 millón de años. El ciclo de carbonato-silicato es un bucle de retroalimentación negativa que modula la temperatura de la superficie de la Tierra al repartir el carbono entre la atmósfera y el manto a través de varios procesos superficiales. [27] Se ha propuesto que los procesos del ciclo de carbonato-silicato darían lugar a altos niveles de CO2 en la atmósfera prebiótica para compensar la menor entrada de energía del débil Sol joven. [28] [29] Este mecanismo se puede utilizar para estimar la abundancia de CO2 prebiótico , pero es debatido e incierto. [30] La incertidumbre se debe principalmente a la falta de conocimiento sobre el área de tierra expuesta, la química y la estructura del interior de la Tierra primitiva, la tasa de erosión inversa y erosión del fondo marino, y el aumento del flujo de impacto. [31] Un extenso estudio de modelado sugiere que el CO2 era aproximadamente 20 veces más alto en la atmósfera prebiótica que el valor moderno preindustrial (280 ppm), lo que daría como resultado una temperatura superficial promedio global de alrededor de 259 K (6,5 °F) y un pH del océano de alrededor de 7,9. [31] Esto concuerda con otros estudios, que generalmente concluyen que la abundancia de CO2 atmosférico prebiótico era mayor que la moderna, [9] [29] [28] [32] aunque la temperatura superficial global aún puede ser significativamente más fría debido al débil Sol joven.

Nitrógeno

El nitrógeno en forma de N2 representa el 78% del volumen de la atmósfera moderna de la Tierra, lo que lo convierte en el gas más abundante. [33] El N2 generalmente se considera un gas de fondo en la atmósfera de la Tierra porque es relativamente poco reactivo debido a la fuerza de su triple enlace. [9] A pesar de esto, el N2 atmosférico fue al menos moderadamente importante para el entorno prebiótico porque impacta el clima a través de la dispersión de Rayleigh y puede haber sido más activo fotoquímicamente bajo la radiación mejorada de rayos X y ultravioleta del joven Sol. [9] El N2 también fue probablemente importante para la síntesis de compuestos que se cree que son críticos para el origen de la vida, como el cianuro de hidrógeno (HCN) y los aminoácidos derivados del HCN. [34] Los estudios han intentado restringir la abundancia de N2 en la atmósfera prebiótica con estimaciones teóricas, modelos y datos geológicos. Estos estudios han dado como resultado una variedad de posibles restricciones en la abundancia de N2 prebiótico . Por ejemplo, un estudio de modelado reciente que incorpora el escape atmosférico , la química del océano de magma y la evolución de la química interior de la Tierra sugiere que la abundancia atmosférica de N 2 era probablemente menos de la mitad del valor actual. [35] Sin embargo, este estudio encaja en un cuerpo de trabajo más amplio que generalmente restringe la abundancia prebiótica de N 2 a entre la mitad y el doble del nivel actual. [35] [36] [37] [38]

Oxígeno

El oxígeno en forma de O 2 constituye el 21% de la atmósfera moderna de la Tierra por volumen. [39] El O 2 atmosférico moderno de la Tierra se debe casi en su totalidad a la biología (p. ej., se produce durante la fotosíntesis oxigénica ), por lo que no era tan abundante en la atmósfera prebiótica. [40] [9] Esto es favorable para el origen de la vida, ya que el O 2 oxidaría los compuestos orgánicos necesarios en el origen de la vida. [41] La abundancia de O 2 en la atmósfera prebiótica se puede calcular teóricamente con modelos de química atmosférica. [9] [42] [43] [44] [45] La fuente principal de O 2 en estos modelos es la descomposición y las reacciones químicas posteriores de otros compuestos que contienen oxígeno. Los fotones solares entrantes o los rayos pueden romper las moléculas de CO 2 y H 2 O, liberando átomos de oxígeno y otros radicales (es decir, gases altamente reactivos en la atmósfera). El oxígeno libre puede luego combinarse en moléculas de O 2 a través de varias vías químicas. La velocidad a la que se crea O 2 en este proceso está determinada por el flujo solar entrante, la frecuencia de los rayos y las abundancias de los demás gases atmosféricos que participan en las reacciones químicas (por ejemplo, CO 2 , H 2 O, OH), así como sus distribuciones verticales. El O 2 se elimina de la atmósfera mediante reacciones fotoquímicas que involucran principalmente H 2 y CO cerca de la superficie. La más importante de estas reacciones comienza cuando el H 2 se divide en dos átomos de H por los fotones solares entrantes. El H libre luego reacciona con O 2 y finalmente forma H 2 O, lo que resulta en una eliminación neta de O 2 y un aumento neto de H 2 O. Los modelos que simulan todas estas reacciones químicas en una atmósfera prebiótica potencial muestran que es probable que haya una abundancia atmosférica de O 2 extremadamente pequeña . [9] [42] [43] [44] [45] En un modelo de este tipo que asumió valores para las abundancias y fuentes de CO 2 y H 2 , se calcula que la relación de mezcla de volumen de O 2 está entre 10 −18 y 10 −11 cerca de la superficie y hasta 10 −4 en la atmósfera superior. [9]

Hidrógeno y gases reducidos

La abundancia de hidrógeno en la atmósfera prebiótica puede verse desde la perspectiva de la química de reducción-oxidación (redox) . La atmósfera moderna es oxidante, debido al gran volumen de O 2 atmosférico . En una atmósfera oxidante, la mayoría de los átomos que forman compuestos atmosféricos (p. ej. C) estarán en forma oxidada (p. ej. CO 2 ) en lugar de forma reducida (p. ej. CH 4 ). En una atmósfera reductora , más especies estarán en sus formas reducidas, generalmente portadoras de hidrógeno. Debido a que había muy poco O 2 en la atmósfera prebiótica, generalmente se cree que la atmósfera prebiótica estaba "débilmente reducida" [9] [45] [11] - aunque algunos argumentan que la atmósfera estaba "fuertemente reducida". [46] [47] En una atmósfera débilmente reducida, están presentes tanto gases reducidos (p. ej. CH 4 y NH 3 ) como gases oxidados (p. ej. CO 2 ). La abundancia real de H 2 en la atmósfera prebiótica se ha estimado haciendo un cálculo que tiene en cuenta la velocidad a la que el H 2 se desgasifica volcánicamente a la superficie y la velocidad a la que escapa al espacio . Uno de estos cálculos recientes indica que la abundancia de H 2 en la atmósfera prebiótica era de alrededor de 400 partes por millón, pero podría haber sido significativamente mayor si la fuente de desgasificación volcánica se hubiera mejorado o el escape atmosférico hubiera sido menos eficiente de lo esperado. [9] Las abundancias de otras especies reducidas en la atmósfera se pueden calcular entonces con modelos de química atmosférica.

Atmósferas post-impacto

Se ha propuesto que el gran flujo de impactadores en el sistema solar primitivo puede haber cambiado significativamente la naturaleza de la atmósfera prebiótica. Durante el período de tiempo de la atmósfera prebiótica, se espera que hayan ocurrido unos pocos impactos de asteroides lo suficientemente grandes como para vaporizar los océanos y derretir la superficie de la Tierra, y se esperan impactos más pequeños en cantidades aún mayores. [48] [3] [49] Estos impactos habrían cambiado significativamente la química de la atmósfera prebiótica calentándola, expulsando parte de ella al espacio y entregando nuevo material químico. Los estudios de atmósferas posteriores al impacto indican que habrían causado que la atmósfera prebiótica se redujera fuertemente durante un período de tiempo después de un gran impacto. [3] [11] [50] En promedio, los impactadores en el sistema solar primitivo contenían minerales altamente reducidos (por ejemplo, hierro metálico) y estaban enriquecidos con compuestos reducidos que ingresan fácilmente a la atmósfera como gas. [11] En estas atmósferas post-impacto fuertemente reducidas, habría abundancias significativamente mayores de gases reducidos como CH 4 , HCN y quizás NH 3 . Se predice que las atmósferas reducidas post-impacto después de que el océano se condense durarán hasta decenas de millones de años antes de volver al estado de fondo. [11]

Relación con el origen de la vida

La atmósfera prebiótica puede proporcionar ingredientes químicos y facilitar las condiciones ambientales que contribuyen a la síntesis de compuestos orgánicos involucrados en el origen de la vida. Por ejemplo, los compuestos potenciales involucrados en el origen de la vida se sintetizaron en el experimento Miller-Urey . En este experimento, se deben hacer suposiciones sobre qué gases estaban presentes en la atmósfera prebiótica. [51] Los ingredientes importantes propuestos para el origen de la vida incluyen (pero no se limitan a) metano (CH 4 ), amoníaco (NH 3 ), fosfato, cianuro de hidrógeno (HCN), varios orgánicos y varios subproductos fotoquímicos. [52] [53] [54] La composición atmosférica afectará la estabilidad y producción de estos compuestos en la superficie de la Tierra. Por ejemplo, la atmósfera prebiótica "débilmente reducida" puede producir algunos, pero no todos, de estos ingredientes a través de reacciones con rayos. [9] Por otro lado, la producción y estabilidad de los ingredientes del origen de la vida en una atmósfera fuertemente reducida se mejoran en gran medida, lo que hace que las atmósferas posteriores al impacto sean particularmente relevantes. [11] También se propone que las condiciones requeridas para el origen de la vida podrían haber surgido localmente, en un sistema aislado de la atmósfera (por ejemplo, un respiradero hidrotermal ). [55] Sin embargo, compuestos como los cianuros utilizados para fabricar nucleobases de ARN estarían demasiado diluidos en el océano, a diferencia de los lagos en la tierra. [56] Una vez que la vida se originó y comenzó a interactuar con la atmósfera, la atmósfera prebiótica pasó a ser la atmósfera postbiótica, por definición.

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