La atmósfera terrestre está compuesta aproximadamente por un 78% de nitrógeno y un 21% de oxígeno. El 1% restante lo ocupan otros gases, principalmente dióxido de carbono y argón. El oxígeno de la atmósfera es consumido por todos los animales y otros muchos organismos que lo utilizan en su metabolismo.
Además del uso por las formas de vida aerobias, el oxígeno también reacciona con minerales y elementos de la Tierra. A través de estos procesos el oxígeno es retirado de la atmósfera y va siendo repuesto mediante diversas vías, principalmente la fotosíntesis de plantas, algas y algunas bacterias.
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La fotosíntesis, principal fuente de oxígeno
Se estima que aproximadamente el 98% del oxígeno que hay en la atmósfera proviene de la fotosíntesis, en concreto de la fotosíntesis oxigénica, un proceso que realizan los llamados organismos fotoautótrofos oxigénicos (para diferenciarlos de otros organismos que realizan fotosíntesis anoxigénica y de otros autótrofos que realizan quimiosíntesis).
Actualmente, los organismos fotoautótrofos oxigénicos conocidos son las plantas, algas (llamadas también plantas inferiores) y las cianobacterias (como la espirulina). Estos organismos toman agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) del medio y con estas moléculas forman compuestos orgánicos. La energía necesaria para las reacciones de biosíntesis la obtienen de la radiación solar.
En la fotosíntesis, además de las moléculas orgánicas, también se forma oxígeno molecular (O2) que es desprendido al medio (aire y agua). Este proceso lleva realizándose en el planeta Tierra desde hace miles de años, oxigenando la atmósfera y permitiendo la vida de otros seres vivos que necesitan el oxígeno, incluyendo el ser humano y todos los animales del planeta.
En el año 2009, científicos estadounidenses publicaron en la revista Nature Geoscience el descubrimiento de muestras de un mineral de hierro (hematita) en el Cratón de Pilbara (una región del noroeste de Australia) con una edad aproximada de 3.460 millones de años. Según estos investigadores, la presencia de este mineral evidencia la posible existencia desde entonces de organismos fotosinetizadores oxigénicos, ya que necesita un medio acuoso rico en oxígeno para formarse.
De todos los organismos fotosintéticos, la mayor contribución al oxígeno atmosférico corresponde a las cianobacterias y algas del fitoplancton oceánico y a las plantas terrestres. La proporción de oxígeno atmosférico que proviene del océano y la que proviene del medio terrestre está bajo debate. Algunos científicos creen que la contribución de cada medio es aproximadamente el 50%, mientras que otros señalan que el océano aportaría 1/3 y las plantas terrestres 2/3. Lo que está claro es que estos números pueden variar de una zona a otra del planeta en función del balance entre las diferentes formas de vida existentes.
El incremento de los niveles de oxígeno
Se cree que las cianobacterias fueron los primeros organismos que comenzaron a realizar fotosíntesis oxigénica. Al comienzo, cuándo la población de estos organismos era aún pequeña, el oxígeno producido sería consumido rápidamente en reacciones oxidativas con sustancias del medio, principalmente el hierro del suelo, rocas y océanos, formando compuestos oxidados de hierro y otros minerales.
Los geólogos pueden estimar la cantidad de oxígeno presente en la atmósfera de tiempos remotos estudiando los tipos de compuestos de hierro presentes en las rocas. En ausencia de oxígeno, el hierro tiende a combinarse con azufre para formar sulfuros, como la pirita. Cuándo hay oxígeno, estos compuestos se degradan y el hierro se combina con el oxígeno formando óxidos. Por tanto, las piritas de rocas antiguas indican bajo nivel de oxígeno, mientras que la presencia de óxidos de hierro indica la presencia de cantidades significativas de oxígeno.
A medida que las cantidades de hierro disponibles para combinarse con el oxígeno fueron agotándose, el oxígeno gaseoso fue acumulándose en la atmósfera. Se piensa que hace 2300-25000 millones de años el oxígeno representaba tan sólo el 1% del aire. La acumulación de oxígeno en la atmósfera continuaría durante millones de años hasta alcanzarse un cierto equilibrio entre la formación y el consumo.
Con el aumento del oxígeno atmosférico, pudieron evolucionar nuevas formas de vida, los seres vivos heterótrofos, como el ser humano, que consumen materia orgánica y la oxida para obtener energía mediante el proceso conocido como respiración aerobia. En este proceso, el carbono orgánico, que en última instancia proviene del formado en la fotosíntesis, es oxidado y se desprende dióxido de carbono (CO2), una forma inorgánica de carbono que será de nuevo utilizado por los organismos fotosintetizadores.
Parece que, debido a este consumo de oxígeno por otras formas de vida, la fotosíntesis por sí sola no podría haber sido suficiente para el incremento inicial del oxígeno. Una posible explicación es que grandes cantidades de carbono orgánico quedaba enterrado y no estaba disponible para los organismos aeróbicos, lo que podría poner el balance a favor de la producción de oxígeno frente a su consumo.
En algún momento posterior en la historia del planeta Tierra, los niveles de oxígeno parece que se elevaron rápidamente hasta las concentraciones actuales. Algunos científicos creen que esto pudo haber ocurrido hace unos 600 millones de años, que es cuándo comenzaron a aparecer seres vivos multicelulares complejos que requerían altos niveles de oxígeno. Sin embargo, no se sabe muy bien que es lo que provocó este cambio.
Una de las teorías relaciona esta rápida subida con la salida de un período de glaciación, etapa en la que los glaciares, en su avance y retroceso, romperían rocas ricas en minerales con fósforo que acabaría en los océanos. El fósforo es uno de los principales nutrientes del fitoplancton y se cree que podría haber provocado un rápido aumento de la población de organismos fotosintéticos en los océanos mientras que en la superficie terrestre habría relativamente poca vida consumidora de oxígeno al estar cubierta de hielo. Esta teoría está siendo aún discutida.
Otros estudios más recientes apuntan a la acumulación de millones de toneladas de oxígeno en cristales de dióxido de hierro en las profundidades terrestres, entre el núcleo y el manto. Según esta investigación, la subducción de la corteza terrestre arrastra consigo minerales hidratados; cuando las moléculas de agua se encuentran con el hierro del núcleo a gran presión y temperatura, se pueden formar cristales de dióxido de hierro que se van acumulando año tras año hasta alcanzar tamaños comparables con continentes.
Determinados fenómenos geológicos podrían provocar la expulsión de estas reservas de oxígeno a la atmósfera, como podría haber ocurrido hace 25000 millones de años en la conocida como Gran Oxigenación.
Disminución del oxígeno atmosférico
Existen diversos estudios que muestran una caída continuada en los niveles de oxígeno oceánico, y medidas del oxígeno atmosférico muestran un descenso global del 0,0317% entre el año 1990 y 2008. Esta caída es atribuida principalmente a la intensa combustión de hidrocarburos y combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón. Esta combustión utiliza oxígeno y emite CO2, lo que promueve el descenso de la concentración de O2 en la atmósfera.
El descenso medido, no obstante, parece ser menor al que cabría esperar de la gran cantidad de estos combustibles consumidos durante estos años. Una posibilidad es que el incremento de dióxido de carbono, posiblemente combinado con el uso de fertilizantes agrícolas, haya contribuido a un crecimiento más rápido de algunas plantas cuya fotosíntesis haya compensado parcialmente el consumo de oxígeno. Se cree que, aunque todas las reservas de combustibles fósiles del planeta se quemaran, no habría un gran impacto en la concentración de oxígeno en la atmósfera.
La deforestación es otra de las grandes preocupaciones. Aunque la destrucción de grandes áreas de bosques húmedos tiene efectos muy perjudiciales para el medio ambiente, no se puede decir lo mismo del efecto sobre la concentración de oxígeno en la atmósfera. Algunas de las explicaciones de este bajo impacto puede estar en que los bosques, además de árboles y plantas fotosintéticas, también albergan una gran cantidad de vida aeróbica que consume oxígeno, por lo que su contribución global al oxígeno atmosférico estaría cerca de ser neutra. Pero que quede claro que la deforestación es un problema medioambiental serio, aunque no por los niveles de oxígeno, sino por otros muchos motivos, como la desertización y la pérdida de biodiversidad.
Un problema de magnitud mucho mayor, en lo que al oxígeno se refiere, parece ser el impacto de la actividad humana sobre el fitoplancton, el cual, según algunas fuentes como la enlazada anteriormente, sería actualmente el principal productor de oxígeno atmosférico a nivel global. El aumento de CO2 en la atmósfera no sólo contribuiría a subir la temperatura media de los océanos, sino también a su acidificación, lo que afectaría negativamente al desarrollo del fitoplancton. De todas formas, esta teoría no está clara pues algunos organismos del fitoplancton podrían disminuir en número mientras que otros se verían afectados positivamente.
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