CIENCIA. La habitabilidad de la Tierra a largo plazo depende de los ciclos químicos

La habitabilidad de la Tierra a largo plazo depende de los ciclos químicos

 

Los ciclos biogeoquímicos mueven la materia alrededor de la Tierra entre la atmósfera, los océanos, la litosfera y los seres vivos. Imagen: Por Alexander Davronov - Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=106124364

Nosotros, y toda la vida compleja, necesitamos estabilidad para evolucionar. Las condiciones planetarias debían ser benignas y duraderas para que criaturas como nosotros y nuestros hermanos multicelulares aparecieran y persistieran. En la Tierra, el ciclo químico proporciona gran parte de la estabilidad necesaria.

20 marzo 2024.- El ciclo químico entre la tierra, la atmósfera, las formas de vida y los océanos es enormemente complejo y difícil de estudiar. Normalmente, los investigadores intentan aislar un ciclo y estudiarlo. Sin embargo, una nueva investigación está examinando el ciclo químico de la Tierra de manera más integral para tratar de comprender cómo el planeta ha permanecido en el "punto óptimo" durante tanto tiempo.

La Tierra ha sustentado vida compleja durante cientos de millones de años, posiblemente durante más de mil millones de años . Esto es extremadamente raro, hasta donde sabemos. La gran mayoría de los exoplanetas que hemos descubierto no se encuentran en las zonas habitables de sus estrellas. Tienen muy pocas posibilidades de albergar vida, y mucho menos vida compleja.

Es posible que algunos planetas experimenten un período de estabilidad durante períodos de tiempo mucho más cortos que la Tierra. Esto puede describir a Marte. Era cálido y húmedo y podría haber albergado vida simple, pero el planeta perdió la mayor parte de su atmósfera y se volvió inhabitable. Ahora es frío, seco y muerto.

La Tierra hace circular vigorosamente los elementos químicos a través de diferentes sistemas y lo ha hecho durante miles de millones de años. Ahora, unos 4.500 millones de años después de su formación, la vida abunda en nuestro precioso planeta. Los ciclos biogeoquímicos como el ciclo del carbono, el ciclo del nitrógeno y el ciclo del metano han permitido que el planeta mantenga su habitabilidad.

Una nueva investigación publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences examina estos ciclos de manera integral, con la esperanza de comprender mejor las relaciones entre ellos. La investigación es “ El equilibrio y desequilibrio en los ciclos biogeoquímicos reflejan el funcionamiento de conjuntos cerrados, de intercambio y abiertos. El autor principal es Preston Cosslett Kemeny, becario postdoctoral TC Chamberlain de la Universidad de Chicago.

"En general, este trabajo proporciona un marco conceptual sistemático
para comprender el equilibrio y el desequilibrio en los ciclos biogeoquímicos globales".

De “El equilibrio y desequilibrio en los ciclos biogeoquímicos reflejan el funcionamiento de conjuntos cerrados, de intercambio y abiertos”.

El ciclo del carbono de la Tierra juega un papel dominante en el clima. A medida que el carbono se acumula en la atmósfera, el planeta se calienta. A medida que el carbono queda secuestrado en el manto, el planeta se enfría. Aunque se ha mantenido estable durante mucho tiempo, las investigaciones muestran que pequeños desequilibrios pueden alterar el sistema.

Lo que los investigadores querían hacer era volver a lo básico. Querían identificar un marco para todas las reacciones, tanto grandes como pequeñas, que componen los ciclos químicos de la Tierra. Lo que es diferente en su trabajo es que no especificaron cómo trabajaron todos juntos, si trabajaron juntos o cuánto se afectaron unos a otros.

La habitabilidad duradera de la Tierra creó las condiciones para que apareciera vida compleja como la nuestra.  Esa habitabilidad depende de la compleja interacción química entre el océano, la atmósfera y la tierra.  Esta imagen, capturada desde la Estación Espacial Internacional a 400 km sobre la superficie de la Tierra, muestra la delgada atmósfera de nuestro planeta.  Crédito de la imagen: NASA
La habitabilidad duradera de la Tierra creó las condiciones para que apareciera vida compleja como la nuestra. Esa habitabilidad depende de la compleja interacción química entre el océano, la atmósfera y la tierra. Esta imagen, capturada desde la Estación Espacial Internacional a 400 km sobre la superficie de la Tierra, muestra la delgada atmósfera de nuestro planeta. Imagen: NASA

Los investigadores describen su esfuerzo como "agnóstico" y explican que crea "... un marco conceptual sistemático y simplificado para comprender la función y la evolución de los ciclos biogeoquímicos globales". Lo llaman agnóstico porque no especifica la relación entre las condiciones ambientales y la fuerza de los procesos biogeoquímicos. "Al permanecer agnósticos a las relaciones entre las condiciones ambientales y la intensidad de los procesos biogeoquímicos, buscamos reconocer y sistematizar patrones que subyacen a la estabilidad de los ciclos de elementos principales", explica Kemeny en su sitio web.

"Esta es una forma elegante y simplificada de pensar en un problema enorme, que organiza muchas investigaciones previas sobre ciclos elementales en paquetes de reacciones químicas que pueden equilibrarse y comprenderse", dijo la profesora asistente de la Universidad de Chicago Clara Blättler, autora principal del artículo.

La complejidad de los ciclos de la Tierra hace que sea difícil estudiarlos. Trabajan en escalas de tiempo geológicas largas, lo que nos pone en desventaja. El ciclo del carbono del planeta ilustra esto.

El movimiento del carbono juega un papel importante en la regulación del clima del planeta. Cuando el dióxido de carbono se acumula en la atmósfera, la atmósfera atrapa más calor, lo que calienta los océanos. Sin embargo, el carbono también crea un ácido débil llamado ácido carbónico que descompone las rocas más rápidamente. El carbono finalmente llega al fondo del océano y queda secuestrado en las rocas. El carbono también puede pasar algún tiempo formando parte de los seres vivos antes de ser secuestrado en rocas o combustibles fósiles. Este secuestro de carbono acaba enfriando el planeta, pero lleva millones de años. Con el tiempo, el carbono regresa a la atmósfera gracias a los volcanes y a la quema de combustibles fósiles.

El ciclo del carbono desempeña un papel dominante en la moderación del clima de la Tierra, pero otros ciclos químicos influyen en él.  Crédito de la imagen: DOE de EE. UU., Sistema de información sobre investigaciones biológicas y ambientales.
El ciclo del carbono desempeña un papel dominante en la moderación del clima de la Tierra, pero otros ciclos químicos influyen en él. Imagen: DOE de EE.UU., Sistema de información sobre investigaciones biológicas y ambientales.

Intentar comprender el ciclo del carbono se vuelve más difícil debido a su interacción con otros ciclos. Los ciclos de la Tierra tampoco son estáticos. Cambian con el tiempo, lo que aumenta la complejidad. También faltan piezas del gran rompecabezas de los ciclos de la Tierra. Los investigadores se ven obligados a hacer suposiciones para completar los espacios en blanco.

Kemeny dedica gran parte de su tiempo a comprender los ciclos de la Tierra y él y sus colegas esperan que su enfoque pueda producir mejores resultados. "Los modelos de ciclos de elementos globales buscan comprender cómo interactúan los procesos biogeoquímicos y las condiciones ambientales para mantener la habitabilidad planetaria", escribe Kemeny en su sitio web. "Sin embargo, los resultados de tales modelos a menudo reflejan interpretaciones específicas de los archivos geoquímicos".

Los investigadores creen que su enfoque puede ayudar a superar los obstáculos para comprender los ciclos de la Tierra. Emplearon un análisis matemático para desarrollar un marco que identificara todos los ciclos mayores y menores que contribuyen a la habitabilidad a largo plazo de la Tierra al equilibrar el ciclo del carbono.

El resultado fue una forma nueva y más holística de mirar la Tierra. El clima puede representarse mediante un gran conjunto de ecuaciones químicas interconectadas. Estas ecuaciones deben equilibrarse durante ciertos períodos de tiempo para mantener estable el ciclo del carbono y la Tierra habitable.

El ciclo del azufre es sólo uno de los ciclos importantes de la Tierra.  Mueve azufre entre rocas, agua y seres vivos.  Kemeny y sus colegas están tratando de comprender todos los ciclos de la Tierra de manera integral y no de forma aislada.  Crédito de la imagen: Por Bantle - Trabajo propio, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20411832
El ciclo del azufre es sólo uno de los ciclos importantes de la Tierra. Mueve azufre entre rocas, agua y seres vivos. Kemeny y sus colegas están tratando de comprender todos los ciclos de la Tierra de manera integral y no de forma aislada. Imagen: Por Bantle – Trabajo propio, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20411832

Kemeny destaca un episodio de la historia climática de la Tierra para ilustrar este punto. La era Cenozoica comenzó hace unos 65,5 millones de años y es la era en la que vivimos ahora. El Cenozoico es una tendencia de enfriamiento a largo plazo en la historia de la Tierra, y el período que lo precedió fue un clima de efecto invernadero. Kemeny y sus colegas dicen que su enfoque holístico puede abrir una ventana a cómo cambió el clima.

"Por ejemplo, supongamos que está considerando una hipótesis de por qué el clima cambió en el pasado, como el gran enfriamiento de los últimos 65 millones de años", dijo Kemeny. “Se puede tomar este marco y usarlo para decir: bueno, si el proceso X aumentó o disminuyó, entonces también debería haber causado que Y ocurriera, o habría tenido que estar equilibrado por Z, y hay que tener en cuenta esos resultados. —Así que con esa predicción podemos buscar evidencia del funcionamiento conjunto de todo el sistema geoquímico”.

La astrobiología y la habitabilidad planetaria son temas clave en la ciencia espacial. Con la ayuda del JWST y otros observatorios y telescopios futuros, los científicos están observando las atmósferas de exoplanetas distantes. Pero es un proceso difícil, aún más complicado por nuestra comprensión poco completa de la habitabilidad de nuestro propio planeta. Comprender nuestro propio planeta puede ayudarnos a comprender mejor los exoplanetas.

Pero existe un cierto tipo de alegría al comprender la Tierra por sí misma, y ​​este nuevo enfoque holístico debería hacer crecer nuestra comprensión. "En general, este trabajo proporciona un marco conceptual sistemático para comprender el equilibrio y el desequilibrio en los ciclos biogeoquímicos globales", concluyen los autores.

Fuente: Preston Cosslett Kemeny, Mark A. Torres, Woodward W. Fischer, and Clara L. Blättler. Balance and imbalance in biogeochemical cycles reflect the operation of closed, exchange, and open sets. PNAS, February 2024. https://doi.org/10.1073/pnas.2316535121

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