La oxigenación podría haber moldeado los patrones evolutivos de las especies prehistóricas
Hace unos 390 millones de años, en el océano primitivo, los animales marinos comenzaron a colonizar profundidades previamente deshabitadas. Nuevas investigaciones indican que esta migración submarina se produjo en respuesta a un aumento permanente del oxígeno en las profundidades oceánicas, impulsado por la expansión superficial de plantas leñosas, precursoras de los primeros bosques de la Tierra.
Ese aumento del oxígeno coincidió con un período de notable diversificación entre los peces con mandíbulas, ancestros de la mayoría de los actuales vertebrados. El hallazgo sugiere que la oxigenación podría haber moldeado los patrones evolutivos de las especies prehistóricas.
"Se sabe que el oxígeno es una condición necesaria para la evolución animal, pero ha sido difícil determinar hasta qué punto es la condición suficiente para explicar las tendencias en la diversificación animal", dijo el coautor principal Michael Kipp, profesor adjunto de ciencias de la Tierra y el clima en la Escuela de Medio Ambiente Nicholas de la Universidad de Duke. "Este estudio respalda firmemente que el oxígeno determinó el momento de la evolución animal temprana, al menos para la aparición de vertebrados con mandíbulas en hábitats de aguas profundas".
Durante un tiempo, los investigadores creyeron que la oxigenación de las profundidades oceánicas se produjo una sola vez al comienzo del Paleozoico, hace unos 540 millones de años. Sin embargo, estudios más recientes sugieren que la oxigenación se produjo en fases, siendo las aguas costeras las primeras en volverse habitables para los organismos respirables, seguidas por entornos más profundos.
Kipp y sus colegas determinaron la cronología de estas fases mediante el estudio de rocas sedimentarias formadas bajo aguas marinas profundas. En concreto, analizaron las rocas en busca de selenio, un elemento que puede utilizarse para determinar si existía oxígeno en niveles suficientes para la vida en los mares antiguos.
En el medio marino, el selenio se presenta en diferentes formas, llamadas isótopos, que varían según su peso. Donde los niveles de oxígeno son lo suficientemente altos como para sustentar la vida animal, la proporción de isótopos pesados y ligeros de selenio varía considerablemente. Pero con niveles de oxígeno prohibitivos para la mayoría de la vida animal, esa proporción es relativamente constante. Al determinar la proporción de isótopos de selenio en sedimentos marinos, los investigadores pueden inferir si los niveles de oxígeno eran suficientes para sustentar a los animales que respiran bajo el agua.
Trabajando con repositorios de investigación de todo el mundo, el equipo reunió 97 muestras de rocas que datan de entre 252 y 541 millones de años atrás. Las rocas habían sido excavadas en áreas de cinco continentes que, hace cientos de millones de años, estaban ubicadas a lo largo de las plataformas continentales más externas (los bordes de los continentes cuando sobresalen bajo el agua, justo antes de dar paso a desniveles pronunciados).
Después de una serie de pasos que implicaron pulverizar las rocas, disolver el polvo resultante y purificar el selenio, el equipo analizó la proporción de isótopos de selenio presentes en cada muestra.
Sus datos indicaron que ocurrieron dos eventos de oxigenación en las aguas más profundas de las plataformas continentales exteriores: un episodio transitorio hace unos 540 millones de años, durante el período Paleozoico conocido como el Cámbrico, y un episodio que comenzó hace 393–382 millones de años, durante el intervalo conocido como el Devónico Medio, y que continúa hasta la actualidad. Durante los milenios transcurridos, el oxígeno descendió a niveles inhóspitos para la mayoría de los animales.
"Los datos de selenio nos indican que el segundo evento de oxigenación fue permanente. Comenzó en el Devónico Medio y persistió en nuestras muestras de rocas más recientes", afirmó la coautora principal Kunmanee "Mac" Bubphamanee, candidata a doctorado en la Universidad de Washington.
Imagen: El Tiktaalik fue una especie de transición entre peces y animales con patas que vivió durante el Período Devónico Tardío.
Ese acontecimiento coincidió con numerosos cambios en la evolución oceánica y los ecosistemas, lo que algunos investigadores denominan la "revolución marina del Paleozoico medio". A medida que el oxígeno se convirtió en una característica permanente en entornos más profundos, los peces con mandíbulas, llamados gnatóstomos, y otros animales comenzaron a invadir y diversificar dichos hábitats, según el registro fósil. Los animales también aumentaron de tamaño, quizás porque el oxígeno favoreció su crecimiento.
El evento de oxigenación del Devónico medio también se superpuso con la propagación de plantas con tallos duros de madera.
"Creemos que, a medida que estas plantas leñosas aumentaron en número, liberaron más oxígeno al aire, lo que condujo a una mayor concentración de oxígeno en ambientes oceánicos más profundos", explicó Kipp, quien inició esta investigación como estudiante de doctorado en la Universidad de Washington.
La causa del primer evento temporal de oxigenación durante el Cámbrico es más enigmática.
"Lo que parece claro es que la disminución del oxígeno tras ese pulso inicial dificultó la expansión y diversificación de los animales marinos hacia los entornos más profundos de las plataformas continentales exteriores", afirmó Kipp.
Aunque el equipo se centró en las condiciones oceánicas antiguas, sus hallazgos son relevantes en la actualidad.
"Hoy en día, el oxígeno oceánico es abundante en equilibrio con la atmósfera. Sin embargo, en algunos lugares, el oxígeno oceánico puede descender a niveles indetectables. Algunas de estas zonas se forman mediante procesos naturales. Sin embargo, en muchos casos, se deben a la pérdida de nutrientes de los continentes provenientes de fertilizantes y la actividad industrial, que alimentan las floraciones de plancton que absorben oxígeno al desintegrarse", explicó Kipp.
"Este trabajo muestra muy claramente la relación entre el oxígeno y la vida animal en el océano. Este equilibrio se alcanzó hace unos 400 millones de años, y sería una lástima alterarlo hoy en cuestión de décadas".
El estudio se publica en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences: Mid-Devonian ocean oxygenation enabled the expansion of animals into deeper-water habitats
