Revisando la chispa de la explosión cámbrica

fósil de Opabinia regalis
Espécimen fósil de Opabinia regalis del esquisto de Burgess en exhibición en el Smithsonian en Washington, D.C. Crédito: Smithsonian Institution.

Un pequeño cambio en los niveles de oxígeno de la Tierra pudo haber provocado un gran salto evolutivo

Una nueva investigación proporciona la evidencia más clara hasta el momento de que la explosión del Cámbrico, un rápido estallido de evolución hace 540 millones de años, podría haber sido provocada sólo por un pequeño aumento en los niveles de oxígeno en la atmósfera de la Tierra y en las aguas poco profundas del océano.

El nuevo estudio reúne conjuntos de datos de un consorcio internacional de científicos para mostrar que pequeños aumentos en el oxígeno pueden haber sido suficientes para impulsar grandes saltos evolutivos observados en el registro fósil.

"La explosión del Cámbrico fue un período notable de rápida diversificación de la vida en la Tierra. Anteriormente, la vida estaba formada por organismos unicelulares y pequeños organismos multicelulares", dijo el autor principal del estudio, el Dr. Richard Stockey, paleobiólogo de la Universidad de Southampton que trabajó en la investigación como estudiante de doctorado en la Universidad de Stanford.

"Luego, dentro de 20 o 30 millones de años, en un parpadeo geológico, veremos emerger una variedad de extrañas y complejas criaturas con nuevos planes y características corporales, como caparazones mineralizados, apéndices prensores y órganos sensoriales complejos como los ojos".

Suficiente oxígeno

Durante décadas, los científicos han teorizado que la explosión del Cámbrico fue provocada por un repentino aumento del oxígeno atmosférico que acercó el oxígeno del antiguo océano a los niveles modernos. Pero la evidencia de esto ha sido dispersa y, en algunos casos, contradictoria.

Al realizar un exhaustivo análisis de datos a gran escala, los investigadores han identificado sólo un pequeño aumento en el oxígeno atmosférico en el momento de la explosión del Cámbrico.

"Los animales del Cámbrico probablemente no necesitaban tanto oxígeno como los científicos solían creer. Encontramos aumentos menores en la oxigenación que tienen la magnitud correcta para impulsar grandes cambios en la ecología", dice el autor principal del estudio, Erik Sperling, profesor asociado de ciencias terrestres y planetarias en la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford, quien lidera el consorcio.

fósiles de trilobites

Imagen: Trilobites fósiles de la Formación Mural Cámbrica en el Parque Nacional Jasper en Alberta, Canadá. | Erik Sperling

La mayoría de los animales vivían en ese momento en aguas poco profundas, y la mezcla causada por el viento y las olas habría oxigenado estas áreas incluso cuando el océano más profundo permanecía sin cambios.

"No es un gran aumento de oxígeno, pero podría ser suficiente para cruzar umbrales ecológicos críticos, según lo que vemos en áreas modernas con niveles naturalmente bajos de oxígeno", añade Sperling.

Los investigadores también encontraron evidencia de que los niveles de oxígeno en las profundidades del océano no se acercaron a los de los mares modernos hasta unos 140 millones de años después de la explosión del Cámbrico, mucho más tarde de lo que se pensaba anteriormente.

El Dr. Stockey dice: "Desde una perspectiva global, no vimos la oxigenación total de los océanos a niveles cercanos a los modernos hasta hace unos 400 millones de años, más o menos cuando vemos la aparición de grandes bosques en la tierra".

Descubriendo las respuestas

Para investigar los cambios en el oxígeno a lo largo de 700 millones de años de la historia de la Tierra, los investigadores examinaron datos que mostraban niveles de uranio y molibdeno en el esquisto negro, una roca sedimentaria formada en ambientes bajos en oxígeno en el fondo de antiguos océanos.

Estos metales se acumulan en los sedimentos cuando el oxígeno es bajo, por lo que su concentración en el esquisto negro indica pasados niveles ​​de oxígeno oceánico.

Estudios anteriores observaron un aumento de los metales traza en el esquisto negro durante la explosión del Cámbrico, pero se basaron principalmente en datos de sitios de campo individuales, donde factores locales como un aumento en el carbono orgánico pueden aumentar las concentraciones de metales traza.

formación Nadaleen

Imagen: Lutitas negras en la Formación Ediacarian Nadaleen en Yukon, Canadá. Un consorcio de científicos liderado por Stanford estudió archivos de esquisto negro a lo largo del tiempo geológico y determinó que los océanos alcanzaron niveles modernos de oxigenación en el período Devónico, en la época de una rápida diversificación de la vida vegetal en la tierra. | Jared Gooley

Utilizando técnicas estadísticas y de aprendizaje automático, los investigadores analizaron datos a una escala mucho mayor y utilizaron modelos oceanográficos para estimar los niveles históricos de oxígeno.

"Descubrimos que los cambios en el carbono orgánico del esquisto negro han impulsado muchos de los cambios en los metales traza que los científicos han estado observando durante los últimos 15 o 20 años", dice el Dr. Stockey. "No es hasta 140 millones de años después de la explosión del Cámbrico, en el período Devónico, que vemos que los metales traza aumentan a un ritmo que indicaría la oxigenación de todo el océano".

Formación Illtyd

Imagen: Los científicos han encontrado evidencia de la aparición repentina de la mayoría de los planos corporales de los animales en el registro fósil en rocas formadas durante el período Cámbrico (hace 541 a 485 millones de años), como las que se muestran aquí en la Formación Illtyd en Yukon, Canadá. | Erik Sperling

Un consorcio para datos geoquímicos

Los datos de esquisto negro se compilaron como parte del Proyecto de Geoquímica Sedimentaria y Paleoambientes, el primero en su consorcio de investigación de campo que reúne datos geoquímicos en una base de datos estandarizada para análisis a gran escala.

"Es un enfoque muy diferente al que hemos utilizado antes en este campo", dice Sperling, quien lanzó el consorcio en 2015. "Cada grupo de investigación individual, incluido el nuestro, todavía sale al campo y obtiene una instantánea de lo que está sucediendo, pero luego necesitamos unirnos para analizar las cosas".

El conjunto de herramientas analíticas que el Dr. Stockey desarrolló para este trabajo podría ayudar a los investigadores a comprender no sólo los antiguos niveles de oxígeno, sino también la temperatura, el suministro de alimentos y otros posibles impulsores de la evolución temprana. Los miembros del consorcio también están recopilando nuevos datos para completar períodos de tiempo geológico que no están suficientemente muestreados y realizando análisis que se expanden a intervalos de tiempo más antiguos y más recientes.

"Para aprovechar el poder de estos enfoques científicos de datos más avanzados, particularmente para los datos geológicos, necesitamos que todos hablen el mismo idioma", dice el Dr. Stockey. "Este enfoque de ciencia de datos impulsado por la comunidad nos ha permitido tener mucha más confianza en la forma en que reconstruimos la evolución de la Tierra en el espacio y el tiempo".

El estudio se ha publicado hoy en Nature Geoscience: Sustained increases in atmospheric oxygen and marine productivity in the Neoproterozoic and Palaeozoic eras

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