Un sensacional hallazgo en las oscuras profundidades del océano Pacífico viene a desafiar el consenso científico sobre cómo se produce el oxígeno en nuestro planeta e incluso pone en tela de juicio cómo comenzó la vida terrestre.
Un equipo de científicos dirigido por el profesor Andrew Sweetman, ecologista de la Asociación Escocesa de Ciencias Marinas (SAMS), en Oban (Reino Unido), ha descubierto una misteriosa fuente de oxígeno en el fondo del mar. Sweetman sospecha que una reacción química podría estar produciendo oxígeno mediante la división de moléculas de agua, pero la fuente de energía para llevar a cabo esta colosal empresa es un enigma.
Los biólogos saben que los organismos fotosintéticos, como las plantas y las algas, utilizan la energía de la luz solar para crear el oxígeno del planeta, pero una nueva evidencia, publicada en la revista Nature Geoscience, ha demostrado cómo este gas vital también se produce en la completa oscuridad.
Oxígeno oscuro a 4.000 metros de profundidad
En efecto, algo aún por destapar está bombeando grandes cantidades de oxígeno en el fondo del océano Pacífico, a más de 4.000 metros de profundidad, donde la luz del sol jamás llega. Sweetman y sus colegas han bautizado a este oxígeno como oxígeno oscuro, que descubrieron mientras realizaban un trabajo de campo desde un barco en el océano Pacífico.
El oxígeno resulta esencial para la vida en la Tierra tal como la conocemos. Sin ir más lejos, la mayoría de los seres vivos, los conocidos por los biólogos como aeróbicos, requieren de este gas para vivir y realizar sus funciones vitales.
Frente a ellos están los anaeróbicos, formas de vida que no pueden sobrevivir en presencia de oxígeno, pues para muchos les es tóxico. Estos organismos han desarrollado vías metabólicas que les permiten extraer energía de sus nutrientes sin la necesidad de emplear una sola pizca de oxígeno.
Oxígeno para oxidar los alimentos y producir energía
Los seres vivos dependientes del oxígeno utilizan este gas en su metabolismo energético, especialmente en el proceso de respiración celular, que permite que las células conviertan los nutrientes, como la glucosa y los ácidos grasos, en energía. Dicho de una forma sencilla, el oxígeno se emplea para oxidar los alimentos y liberar energía, que es almacenada en forma de ATP (adenosín trifosfato).
Por otro lado, las plantas, las algas y algunas bacterias utilizan el oxígeno de manera indirecta. Durante la fotosíntesis, estos seres vivos capturan dióxido de carbono y agua para producir glucosa y liberar oxígeno como subproducto. Este oxígeno así liberado es capital para la supervivencia de la mayoría de los organismos aeróbicos.
«Para que la vida aeróbica comenzara en el planeta, tenía que haber oxígeno, y la hipótesis establecida es que el suministro de oxígeno en la Tierra comenzó con los organismos fotosintéticos —dice el profesor Sweetman. Y añade—: Pero ahora sabemos que también se produce oxígeno en las profundidades del mar, donde no hay luz. Por lo tanto, creo que debemos revisar preguntas como la siguiente: ¿dónde podría haber comenzado la vida aeróbica?».
¿Cómo surgió el oxígeno en la Tierra?
El origen del oxígeno en la Tierra está estrechamente vinculado a la evolución de la vida y a procesos geológicos específicos. Hace unos 4.500 millones de años, nuestro planeta se formó por acreción de polvo y gas en el disco protoplanetario que rodeaba a un jovencísimo Sol. La atmósfera de la Tierra joven estaba compuesta principalmente por hidrógeno, helio y otros gases volátiles. Este ambiente era inicialmente reductor, sin una cantidad de oxígeno libre significativa.
Más tarde, durante los primeros mil millones de años de existencia, nuestro planeta pasó por un proceso de desgasificación de su manto, que se tradujo en la liberación de vapor de agua, dióxido de carbono y otros gases, pero pocas cantidades de oxígeno. Este empezó a acumularse en la atmósfera de la Tierra hace aproximadamente entre 2.400 y 3.000 millones de años, a lo largo de un evento conocido como la Gran Oxidación.
Este cambio fue impulsado por la aparición de las llamadas cianobacterias —o algas verdiazules—, que podían realizar la fotosíntesis oxigénica: en esta, el agua se descompone para liberar electrones, protones y oxígeno molecular (O2). Las cianobacterias utilizaban la luz solar para convertir dióxido de carbono y agua en oxígeno y glucosa.
Un gas que favoreció la aparición de vida compleja
A medida que las cianobacterias se multiplicaban y se extendían por los océanos del mundo, comenzaron a liberar oxígeno como subproducto de la fotosíntesis. Al principio, este oxígeno reaccionaba con el hierro disuelto en los océanos, y se generaban vastas formaciones de hierro bandeado en los sedimentos oceánicos. Una vez saturado el hierro, el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera.
Sin duda alguna, el aumento de los niveles de oxígeno en la atmósfera tuvo profundas implicaciones para la evolución de la vida, ya que abrió paso al desarrollo de criaturas más complejas que requerían oxígeno para la respiración. También tuvo un impacto significativo en el clima de la Tierra y en la formación de la capa de ozono, que protege la superficie de la radiación ultravioleta dañina del Sol.
Pero en esta historia de la vida en nuestro planeta falta un actor que hasta ahora había permanecido entre bambalinas. El oxígeno oscuro. Su descubrimiento se materializó mientras se muestreaba el lecho marino de la zona Clarion-Clipperton para evaluar los posibles impactos de la minería en aguas profundas y, en teoría, evitar repetir los errores que se han cometido en la minería terrestre.
La industria minera, interesada en explotar los nódulos polimetálicos del fondo marino
No hay que olvidar que la zona Clarion-Clipperton es una región del océano Pacífico que abarca aproximadamente 4,5 millones de kilómetros cuadrados entre Hawái y México. Se trata de un área de gran interés para la minería, debido a su rica concentración de nódulos polimetálicos en el fondo marino.
Estos nódulos, del tamaño de una pelota de béisbol, son ricos en metales como el níquel, el cobalto, el manganeso y el cobre, todos esenciales para la fabricación de baterías para vehículos eléctricos, móviles y otros dispositivos tecnológicos. También contienen metales raros y de gran valor que son difíciles de obtener en tierra firme o que requieren procesos mineros más invasivos y costosos.
Ahora bien, la minería en la zona Clarion-Clipperton se enfrenta a importantes desafíos regulatorios y medioambientales. Según los ecologistas, la extracción de dichos nódulos puede perturbar de manera irreversible el ecosistema marino profundo, que es poco conocido para la ciencia y donde las tasas de recuperación biológica son extremadamente lentas.
Clarion-Clipperton, un área del océano de interés geopolítico y económico
Diversos países y entidades privadas han obtenido licencias de exploración en esta zona del Pacífico, lo que subraya su importancia geopolítica y económica. Estos intereses mineros deben sortear no solo las dificultades técnicas de la minería en aguas profundas, sino también cumplir con las restricciones de la legislación internacional y reducir a la mínima expresión los posibles impactos medioambientales.
La comunidad científica insiste en que la explotación minera en la zona Clarion-Clipperton debe ser gestionada cuidadosamente para minimizar los daños al ecosistema marino, que es vulnerable y esencial para la salud global del océano. En este objetivo se centran los trabajos del profesor Sweetman y sus colegas, que notaron por primera vez que algo no iba del todo bien durante los trabajos de campo del año 2013.
En aquella expedición, los investigadores estudiaron los ecosistemas del fondo marino de Clarion-Clipperton. Para realizar su trabajo, el equipo del profesor Sweetman liberaba un módulo no tripulado que se hundía en el fondo oceánico con el objetivo de realizar experimentos y analíticas automatizados.
Un microcosmos cerrado del fondo marino
Tras posarse, el vehículo proyectaba hacia el terreno unas cámaras cilíndricas para recoger y encerrar en ellas muestras del suelo oceánico, junto con algo de agua de mar, y crear de este modo «un microcosmos cerrado del fondo marino», escriben los autores del trabajo en Nature Geoscience. A continuación, el vehículo submarino medía cómo cambiaba la concentración de oxígeno en el agua de mar confinada a lo largo de periodos de tiempo de hasta varios días.
Los resultados de los experimentos fueron desconcertantes. Sin ningún organismo fotosintético que libere oxígeno en el agua enfrascada —y sin nadie que lo consuma— las concentraciones de este gas dentro de las cámaras deberían caer lentamente. Sweetman ha observado que esto ocurre en muestreos que ha realizado en zonas de los océanos Austral, Ártico e Índico, así como en el Atlántico.
En todo el mundo, los ecosistemas del fondo marino deben su existencia al oxígeno que acarrean las corrientes desde la superficie, y morirían rápidamente si este flujo gaseoso se parara. Hay que decir que la mayor parte de ese oxígeno se origina en el Atlántico Norte y es transportado a los océanos profundos de todo el mundo por una cinta transportadora global.
Ahora bien, en la zona Clarion-Clipperton, los instrumentos mostraron que el agua secuestrada no se volvió más pobre, sino más rica, en oxígeno. Al principio, Sweetman atribuyó las lecturas a un mal funcionamiento del sensor.
Un aumento inaudito de las concentraciones de oxígeno
Pero no fue así: el fenómeno siguió ocurriendo durante las expediciones posteriores de 2021 y 2022, y fue confirmado por mediciones con una técnica alternativa. «De repente me di cuenta de que durante ocho años había estado ignorando este nuevo proceso potencialmente asombroso, a 4.000 metros de profundidad, en el fondo del océano», afirma Sweetman en la revista Nature.
Y es que las cantidades de oxígeno producidas no son pequeñas: el gas en las cámaras ¡alcanza concentraciones más altas que las que se registran en las aguas superficiales ricas en algas!, según Sweetman. Ninguna de las otras regiones que este ecologista experto en fondos marinos ha estudiado contenía nódulos polimetálicos, lo que sugiere que estas rocas tienen un papel importante en la producción de este oxígeno oscuro.
En últimos experimentos, Sweetman y sus colegas descubrieron que los nódulos tenían una carga eléctrica muy alta, lo que podría provocar la división del agua de mar en hidrógeno y oxígeno en un proceso llamado electrólisis del agua de mar. Para que esta ocurra únicamente se necesita un voltaje de 1,5 V, el mismo que el de una pila AA normal.
La pista hundida para generar catalizadores más eficientes
El equipo analizó varios nódulos polimetálicos, y registró lecturas de hasta 0,95 voltios en las superficies de algunos de ellos. Esto significa que pueden producirse voltajes significativos cuando los nódulos están agrupados.
El coautor del trabajo, el químico Franz Geiger, de la Universidad Northwestern en Evanston (EE. UU.) dice en la revista Nature que aún no está claro si la reacción también genera hidrógeno molecular, lo que ocurre en las reacciones de electrolizadores industriales gracias a un catalizador o, por el contrario, libera protones en el agua mientras arrastra los electrones sobrantes a otro lugar.
La resolución de este enigma podría llevar a aplicaciones útiles en el mundo de la industria, asegura Geiger: «Tal vez haya alguna pista allí, en el fondo del océano, que podría ayudarnos a hacer mejores catalizadores».
El profesor Sweetman afirma que por el momento es necesario investigar más a fondo la producción de oxígeno oscuro durante los ensayos de referencia para la extracción de minerales en aguas profundas, así como evaluar cómo puede alterar el proceso la asfixia de los sedimentos durante la extracción.
Pilas ocultas en una roca
“A través de este descubrimiento, hemos generado muchas preguntas sin respuesta, y creo que tenemos mucho qué pensar en términos de cómo extraer estos nódulos, que son efectivamente pilas en una roca —explica el profesor Sweetman. Y recapitula—: Cuando obtuvimos estos datos por primera vez, pensamos que los sensores eran defectuosos, porque en todos los estudios realizados en las profundidades marinas se había observado que el oxígeno se consumía en lugar de producirse. Volvíamos a casa y recalibrábamos los sensores, pero a lo largo de diez años seguían apareciendo estas extrañas lecturas de oxígeno».
«Decidimos utilizar un método de respaldo que funcionaba de forma distinta a los sensores optodes [también conocidos como optodos, son dispositivos que utilizan técnicas ópticas para medir propiedades específicas de un medio, como la concentración de gases o líquidos, la turbidez del agua, o la presencia de diversas sustancias químicas] que estábamos utilizando y, cuando ambos métodos arrojaron el mismo resultado, supimos que estábamos ante algo pionero e impensable», cuenta Sweetman.
El profesor Sweetman ha participado anteriormente en la identificación de áreas marinas protegidas en torno a la zona Clarion Clipperton, y ha evaluado la biodiversidad de determinadas extensiones del océano en las que debería evitarse la posible explotación minera de los fondos marinos.
La minería submarina podría asfixiar a la vida del fondo del mar
Sin embargo, afirma que es posible que haya que revisar esta evaluación, ya que las nuevas pruebas de producción de oxígeno no se tuvieron en cuenta en las conclusiones anteriores.
A raíz de los resultados, Sweetman aconseja que antes de que comience la minería en aguas profundas, los investigadores deben mapear las áreas donde se produce la síntesis del oxígeno oscuro. De lo contrario, los ecosistemas que se han vuelto dependientes de ese gas podrían colapsar, si se eliminan los nódulos. «Si se produce oxígeno en grandes cantidades, posiblemente será importante para los animales que viven allí», razona el ecologista.
«En mi opinión, este es uno de los hallazgos más emocionantes en la ciencia oceánica en los últimos tiempos —comenta el director del SAMS, el profesor Nicholas Owens. Y continúa—: El descubrimiento de la producción de oxígeno por un proceso no fotosintético nos obliga a replantearnos cómo podría haberse originado la evolución de la vida compleja en el planeta».
«La visión convencional es que el oxígeno fue producido por primera vez hace unos 3.000 millones de años por unos microbios antiguos llamados cianobacterias y que a partir de entonces hubo un desarrollo gradual de vida compleja —explica Owens. Y concluye—: La posibilidad de que haya una fuente alternativa de oxígeno nos obliga a replantearnos radicalmente cómo surgieron los primeros organismos».
