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Hipótesis Gaia

Por Alfredo Vázquez B.

“Cada nuevo individuo es una reorganización de moléculas y genes en algo nuevo. Nuevos talentos, nuevos dones, nuevas contribuciones a Gaia”. Isaac Asimov, 1982.

Gaia, divinidad griega de la tierra

En 1972 el científico británico James Lovelock escribió el artículo “Gaia as seen through the atmosphere” (Observaciones de Gaia a través de la atmósfera), en el que planteaba que la Tierra es un ser viviente, argumentando que la temperatura, el estado de oxidación, la acidez, y ciertos aspectos del agua, así como de las rocas, se mantienen constantes en todo momento y que la homeostasis es mantenida por procesos de retroalimentación activa que son operados automática e inconscientemente por la biota.

El Sol provee de la energía necesaria para la vida. En tal sistema, las condiciones permanecen constantes únicamente en el corto plazo y se desarrolla en sincronía con las necesidades cambiantes de la biota. La vida y su ambiente están tan cercanamente vinculadas, que la evolución concierne a Gaia, no a los organismos o al ambiente considerados de manera aislada.

Lovelock llamó a la Tierra viviente Gaia (como la deidad griega de la tierra), lo cuál dio nombre a la hipótesis, que también manifiesta la continuidad de Gaia con el pasado, remontándose hasta el momento en que se formó la vida y se extiende hacia el futuro hasta el término de la vida. Gaia, como ser planetario, tiene propiedades que no son necesariamente discernibles, únicamente mediante el conocimiento de las especies aisladas o de las poblaciones que comparten un área.

Desde luego, tan revolucionaria hipótesis tuvo que surgir de un trabajo previo. En 1961, Lovelock fue invitado por la NASA para trabajar en el diseño de instrumentos sensibles con los cuales analizar las superficies de los planetas vecinos. Al estudiar el problema llegó a la conclusión de que la manera de localizar vida en los planetas, es analizando sus atmósferas. Sugirió que la vida en un planeta se vería obligada a usar la atmósfera y océanos como transportadores de materia prima y depósito de los productos de su metabolismo. Esto cambia la constitución química de la atmósfera lo suficiente como para diferenciarla de la atmósfera de un planeta inerte. Los datos tomados desde la Tierra, revelaban que Marte posee una atmósfera casi en estado de equilibrio químico (es decir, prácticamente ninguna reacción química es ya posible entre sus componentes), donde predomina el bióxido de carbono; lo cuál planteaba con firmeza la ausencia de vida en Marte. Cuando en 1975 las sondas Viking se posaron en Marte y se demostró la ausencia de vida, lo previsto por Lovelock fue corroborado.

No obstante, en este proceso Lovelock decidió aplicar sus principios a nuestro planeta, notando los evidentes signos de la riqueza vital de la Tierra.

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PRINCIPALES ARGUMENTOS A FAVOR DE LA HIPÓTESIS GAIA

En 1979, Lovelock publicó, a través de la Oxford University Press el libro “Gaia. Una Nueva Visión de la Vida en la Tierra”, el cual aporta los argumentos más fuertes hasta esos días, que básicamente eran el control gaiano de la temperatura y de la atmósfera planetaria, así como la coevolución de la biota con su ambiente. De la misma manera, en 1988 publicó “The Ages of Gaia”, en donde discute los argumentos para hacer pasar su hipótesis al grado de teoría, describe su trabajo en simulador sobre Daisyworld y señala la posibilidad de “sembrar vida en Marte”.

LA REGULACIÓN DE LA ATMÓSFERA

El oxígeno es un gas que al combinarse con ciertos compuestos es capaz de liberar energía, la cual es usada para satisfacer los procesos metabólicos de la mayoría de las formas vitales del planeta. Teóricamente existen dos posibles fuentes de oxígeno: uno abiótico y otro biótico.

El oxígeno emana lentamente del interior de la Tierra en volcanes, pero usualmente se combina con otros elementos tales como el carbono (el bióxido de carbono, como se ven en el Cuadro 1, es el gas más abundante en Venus y Marte). El oxígeno esta también en el agua, otro compuesto indudablemente emitido por el interior de la Tierra en su proceso de enfriamiento hace unos 4 mil millones de años. Puesto que inicialmente había poco oxígeno libre en la atmósfera, había muy poco material capaz de filtrar la radiación ultravioleta del sol. La radiación ultravioleta es eficiente para romper la molécula de agua en átomos de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno, siendo un elemento pequeño y ligero podía ser calentado en la atmósfera superior a velocidades suficientemente altas para escapar a la atracción terrestre, El oxígeno se quedaba en el planeta.

Cuadro 1. Composición de las atmósferas planetarias

P L A N E T A

Gas	Venus	Tierra (abiótica)	Marte	Tierra (como es)
CO2	96.5%	98%	95%	0.03%
Hidrógeno	3.5%	1.9%	2.7%	79%
Oxígeno	Trazas	0.0%	0.13%	21%
Argón	70 ppm	0.1%	1.6%	1%
Metano	0.0	0.0	0.0	1.7 ppm
Temperatura superficial (°C)	459	240-240	-53	13
Presión Total (Bars)	90	60	0.0064	1.0

Tomado de Lovelock, J. 1988; The ages of Gaia. Oxford University Press.

Aunque tal mecanismo pudo haber contribuido de una manera demasiado modesta, hay dos argumentos que sugieren que no fue suficiente para ayudar significativamente a lograr el nivel actual de oxígeno atmosférico hasta el 21% actual.

El primer argumento es que cuando el vapor de agua asciende en la atmósfera (de presione altas a presiones bajas), se expande. Por las leyes de la termodinámica, se sabe que cualquier gas que se expanda debe enfriarse. Parece ser que la temperatura terrestre hace unos 4 mil millones de años era suficientemente fría como para que el vapor de agua al subir se expandiera lo suficiente como para condensarse al estado de líquido y volver a caer como lluvia o nieve.

En otras palabras, la mayor parte del vapor de agua de la Tierra nunca llegó lo suficientemente alto en la atmósfera para ser disociado por la luz ultravioleta, sino que cayó para constituir los océanos. Por contraste, en Venus no opera tal “trampa fría” donde la mayor parte del vapor de agua se disoció y el oxígeno remanente se combinó con minerales de la corteza.

Un segundo argumento contra el origen abiótico del actual nivel de oxígeno atmosférico tiene que ver con el hecho de que en la corteza terrestre siempre ha habido muchos minerales en estado reducido, o capaces de combinarse con el oxígeno. El oxígeno liberado en el ambiente reacciona en último término con minerales como el fierro elemental y el cobre, transformándolos en óxidos metálicos. Sin embargo, a pesar de esta pérdida constante de oxígeno atmosférico, la evidencia de los sedimentos geológicos sugieren que el nivel de oxígeno en la Tierra ha permanecido cerca de su nivel actual durante los últimos 500 mil a 1000 millones de años, que es el tiempo durante el cual la mayoría de la compleja vida multicelular se desarrolló. Lovelock ha argumentado que es extraordinariamente improbable que este reactivo gas pudiera haberse mantenido por tanto tiempo a un nivel tan elevado sin las continuas contribuciones de formas de vida fotosintetizante como las algas azul verdes y las plantas verdes.

Por otro lado, si el oxígeno atmosférico hubiese alcanzado mas del 30% durante los últimos 500 millones de años, hubiesen ocurrido incendios desastrosos cada vez que se hubiese presentado una chispa, aún cuando la vegetación se encontrase húmeda. Considerando la abundante vida vegetal, resulta extraño que no se hubiera presentado una sobreproducción de oxigeno. Lovelock y Margulis han propuesto que esto se ha evitado a través de la producción de metano por ciertas bacterias. EL metano es degradado rápidamente por el oxígeno para producir bióxido de carbono. Quizá este mecanismo es una merma biológica para el oxígeno y ha sido el medio por el que Gaia mantiene una constancia razonable de este vital elemento.

EL CONTROL DE LA TEMPERATURA

Nuestro corto ciclo de vida nos hace pensar que es imposible que el Sol cambie; sin embargo, por el estudio de las estrellas, se piensa que el Sol ha estado incrementando su temperatura desde su formación hace unos 5 mil millones de años. Esto está basado en los principios de física nuclear cuando el hidrógeno del Sol se fusiona en Helio. Este proceso requiere inevitablemente que el Sol emita mas calor con el tiempo. Los cálculos sugieren que hace unos 4 mil millones de años, cuando la vida primitiva recién apareció en la tierra, el sol era probablemente 25% menos luminoso que hoy. Las teoría climáticas comunes sugieren que tan baja energía solar haría de la Tierra una esfera congelada. Sin embargo, se han fechado rocas sedimentarias con una antigüedad de unos 3800 millones de años que únicamente pudieron haberse formado por agua fluida. Por lo tanto, al menos algunas partes de la Tierra, tenían tanta vida como agua líquida cuando el Sol tenía como un 75% de su intensidad actual.

Se ha postulado una explicación plausible a este problema, que ha sido llamada “Paradoja del Sol Tenue”, la cual sugiere que el bióxido de carbono, el metano y el amoníaco que formaban parte importante de la atmósfera primitiva, actuaban como captadores de la radiación infrarroja, por lo que funcionaban como una trampa de calor, evitando la pérdida de energía de la Tierra hacia el espacio mediante el efecto invernadero. De este modo, estos gases proveyeron de un efecto invernadero a gran escala que mantuvo la temperatura planetaria uniforme mientras el Sol era aún relativamente tenue. Lovelock y Margulis han argüido que tanto la emisión como la remoción de tales gases de invernadero por las actividades vitales, son parte del mecanismo gaiano de control de la temperatura.

Sin embargo, durante los últimos 4 mil millones de años el Sol ha incrementado su temperatura en un 25% sin tener un efecto aparente sobre la temperatura de la Tierra. La Hipótesis Gaia resalta el hecho de que el fitoplancton (pequeños organismos marinos no vegetales), incorporan bióxido de carbono en sus esqueletos de carbonato de calcio. Así, conforme la Tierra se calentó, el fitoplancton prosperó y captó bióxido de carbono más eficientemente. Al morir, se hundieron al fondo del océano removiendo bióxido de carbono del sistema. Más aún, conforme el planeta se calentó, los océanos perdieron más agua por evaporación, incrementándose las lluvias y generando un mayor lavado del suelo, resultando en un enriquecimiento de los nutrientes que alimentan al fitoplancton (pequeños organismos marinos vegetales que sirven de alimento al zooplancton), y permitiendo una mayor captación de bióxido de carbono. Desde el punto de vista gaiano, la pérdida neta de bióxido de carbono es justo la necesaria para compensar el incremento del calor solar.

LA FORMACIÓN DE NUBES Y EL DIMETIL SULFURO

La idea de que las nubes son un factor importantísimo en el control climático del planeta ha llevado a la realización de estudios acerca del origen de estas. Por ejemplo, Walter Shearer de la Universidad de las Naciones Unidas en Tokio, opina que los bosques tropicales dominan el clima local al devolver por evaporación directa y evapotranspiración el 75% de la lluvia que cae sobre ellos, pero a la vez las lipoproteínas dentro de las bacterias que viven en los bosques, proveen núcleos que permiten el inicio de nubes de tormentas. Shearer afirma que “las bacterias son de 100 a 1000 veces mejores nucleadores que las partículas de polvo. Ellas estimulan la extracción de lluvia del aire que pasa.

El propio Lovelock y sus coinvestigadores han descubierto que muchas especies de plancton marino producen grandes cantidades de dimetil sulfuro o DMS (CH3 - CH3) el cual al sufrir su dispersión en forma de aerosol (por la acción del viento sobre el mar), provee de núcleos de condensación que permiten la formación de nubes. Esta nucleación no genera necesariamente más lluvia. Puede muy bien significar menos lluvia, por que si las nubes tienen demasiados núcleos, las gotitas no llegan a ser demasiado grandes para caer. Pero el DMS parece ser importante para el albedo o reflectividad de las nubes, el que a su vez determina parcialmente cuanto calor llega a la superficie de la Tierra y cuánto se refleja al espacio, por lo que Lovelock le llama “Sistema de Refrigeración del Planeta”.

EL MUNDO DE LAS MARGARITAS (Daisyworld)

El modelo cibernético de Daisyworld podría considerarse simplificado, ya que se tienen las siguientes condiciones: el ambiente está reducido a una sola variable: la temperatura, y en cuanto a la biota, una sola especie de margaritas. Si hace mucho frío, por debajo de 5 °C, las margaritas no crecen; ellas crecen mejor cerca de 20 °C . Si la temperatura excede los 40 °C, será muy cálido para las margaritas y entonces mueren. La temperatura media del planeta es un simple balance entre el calor recibido de su estrella y el calor irradiado al espacio. Otras condiciones son que existen un suministro constante de bióxido de carbono, suficiente para permitir el crecimiento de las margaritas, pero no tanto como para complicar el clima por el efecto invernadero. Además, no hay nubes durante el día y las lluvias se presentan únicamente de noche.

Por lo tanto, la temperatura media en Daisyworld se determina simplemente por el albedo o tonalidad promedio del planeta. Si el planeta presenta una tonalidad oscura, absorbe mayor calor del sol y la superficie se calienta. Si presenta una tonalidad clara o alto albedo, como nieve, entonces entre 70% y 80% de la energía solar puede ser reflejada al espacio. Tal superficie es fría si se compara con una de bajo albedo (oscuro) bajo una iluminación solar comparable. El albedo puede adquirir valores entre cero (totalmente negro) y 1 (totalmente blanco). El programa de computadora asigna al suelo de Daisyworld un albedo de 0.4, por lo que absorbe 60% de la energía solar que recibe. El color de las margaritas va de oscuro (con un albedo de 0.2) a claro (con un albedo de 0.7).

El Sol de Daisyworld es semejante al nuestro, pues tendería a calentarse con el transcurso del tiempo. Al correr el programa se asigna al sol una etapa juvenil y por consecuencia una temperatura planetaria media de 5 °C (determinada por el albedo del suelo), por lo que se tendría una temperatura adecuada para el crecimiento de las margaritas únicamente en el ecuador, donde lentamente algunas plantas crecerán y producirán flores. Supongamos que en esta primera generación hay diversidad de colores; la selección favorecerá a las margaritas oscuras, ya que su gran capacidad de absorción térmica les permitirá calentarse por encima de los 5 °C del área donde se desarrollan. La desventaja de las margaritas claras consistirá en que al tener un albedo más alto que el suelo de fondo, se enfriarán por reflejar la luz solar hasta niveles menores a los 5 °C críticos.

La siguiente generación presentará una abundancia de margaritas oscuras y su ulterior predominancia permitirá el calentamiento no solo de las plantas, sino también del suelo y aires locales. Mediante tal constancia, pronto se ejercerá una retroalimentación positiva que permitirá la colonización de la mayor parte del planeta por las margaritas oscuras y que estará determinada por un incremento en la temperatura por encima del límite máximo para el crecimiento de 40 °C, por lo que al alcanzarse dicha temperatura, inicialmente en el ecuador, la selección natural será negativa para las margaritas oscuras y favorecerá a las de color blanco por su capacidad de mantenerse frescas.

Conforme la estrella se va calentando, se disparan mecanismos de retroalimentación entre la insolación recibida por el planeta y la proporción de margaritas oscuras y claras. No obstante, el calentamiento de la estrella llegará a sobrepasar la capacidad de las margaritas blancas para disipar el calor y la vida se irá restringiendo hacia los polos, hasta que la ardiente estrella elimine todo vestigio de vida.

Lovelock ha diversificado su programa Daisyworld mediante la inclusión de 20 colores distintos para las margaritas, ha incluido costos energéticos para la síntesis de pigmentos, ha introducido conejos y zorros y ha “provocado” catástrofes como plagas. En todos los casos, el final de la vida en Daisyworld está determinado por el incremento en la temperatura solar.

Lovelock manifiesta su alegre sorpresa por la fuerte regulación planetaria ejercida por la biota de margaritas, gracias únicamente al crecimiento competitivo entre las plantas de distinta coloración. En este planeta imaginario, una propiedad del ambiente, que es la temperatura, fue regulada eficientemente sin necesidad de asignar a la biota capacidad alguna de previsión o planeación.

Archivo:Daisyland.jpg

Figura 3. Daisyland.

Modelo cibernético generado para explicar la autorregulación de la temperatura terrestre: las margaritas oscuras crecen a bajas temperaturas, absorbiendo la energía solar que reciben. Si el sol luce con más intensidad, predominarán margaritas claras, que reflejan más la luz al espacio, ayudando a disminuir la temperatura

Así entonces, podemos considerar que si nuestro planeta se autorregula de manera similar a Daisyworld, nuestro ambiente es mantenido automáticamente, pero no a propósito por Gaia, lo que implica que: 1. Los organismos vivientes crecen de manera vigorosa y en caso de presentarse oportunidades ambientales, son capaces de explotarlas. 2. Los organismos se ven sujetos a la selección natural. 3. Los organismos afectan su ambiente físico y químico. Así, los animales cambian la atmósfera a través del proceso respiratorio. Los vegetales les revierten el efecto de la respiración a través de la fotosíntesis, y los seres vivos en general, afectan su ambiente de formas diversas. 4. El ambiente establece factores limitantes para los seres vivos. Tales factores pueden ser la temperatura, el pH, la salinidad y otros.

Daisyworld puede ser un modelo simple, pero enseña mucho sobre nuestro propio planeta y aporta elementos para apoyar la Hipótesis Gaia.

Gráfica 1. La evolución del clima en Daisyworld con base a tres especies de margaritas: Oscuras, grises y blancas. En la gráfica superior, la densidad poblacional de las margaritas en la secuencia citada. En la gráfica inferior, temperatura planetaria a través del tiempo. Para comparar, la línea puntuada representa la temperatura planetaria en ausencia de vida.

LOS DESASTRES DE GAIA

El cambio de atmósfera, de reductiva a oxidante, el incremento de la intensidad energética del Sol y el impacto de asteroides y cometas contra nuestro planeta, han sido eventos que han cambiado radicalmente las condiciones ambientales y bióticas. Han sido etapas de renovación de Gaia. Los dos primeros “accidentes” ya han sido discutidos. Hablaremos brevemente acerca de los impactos.

Se sabe que la Tierra ha chocado con unos 13 planetoides con un diámetro mayor a los 18 Km., que viajaban a una velocidad correspondiente a 16 veces la velocidad del sonido. El efecto de estos choques dejaron sentir su influencia por periodos superiores al millón de años y han sido capaces de eliminar especies de orden macro y microscópico hasta en un 90%. Del estudio de estas perturbaciones podemos aprender acerca del funcionamiento del sistema gaiano y la manera como se restaura la homeostasis. Indudablemente han sido periodos de grandes extinciones y de presiones selectivas que empujan a los organismos a nuevos camino evolutivos y a un nuevo empleo del hábitat, con su consiguiente transformación, provocando la coevolución biota – ambiente, hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio.

Estas situaciones coinciden significativamente con las ideas de Stephen J. Gould y Niles Eldredge acerca de la evolución puntuada o saltacionista. A grandes rasgos, la idea es que en lugar de los cambios sutiles y graduales del punto de vista darvinista convencional, hay periodos de cambios rápidos y abruptos, originándose la evolución puntual. Desde el punto de vista gaiano, se considera que hay largos periodos de homeostasis con pocos cambios súbitos. Estos cambios puntuales pueden deberse a especies con gran influencia, como los que están siendo generados por la especie humana, o pueden ser resultado de desastres como los cambios de atmósfera o los producidos por asteroides.

EL DEBATE

Curiosamente, la comunidad científica no reaccionó a la hipótesis sino hasta que los activistas de la ecología habían tomado a Gaia como un símbolo. Algunos climatólogos insistieron en seguir buscando un control físico - químico del ambiente, relegando a la biota al papel de mero pasajero en un planeta controlado en el corto y el largo plazo por los factores abióticos. Entre ellos, Stephen Schnaider y H. D. Holland plantean vías inorgánicas para el control del oxígeno atmosférico y del clima.

En un principio la idea de que la Tierra actúa como un organismo vivo provocó gran controversia. El hacer extensivas a la Tierra características vitales fue el punto principal de objeciones. En la actualidad, después de tres décadas de revisión y refinamiento, la hipótesis ya no describe a la Tierra como un superorganismo. El concepto principal enfatizado por la hipótesis, toma en cuenta las interacciones globales de los sistemas y los mecanismos de retroalimentación que tienen lugar en el planeta.

Un aspecto poco considerado acerca del debate en torno a Gaia, pero importante desde el punto de vista didáctico es el propio concepto de vida. Los diccionarios poco ayudan a esta definición, pero Lovelock ha realizado una búsqueda más a fondo encontrando que esto se asocia a una baja entropía.

Hay que recordar que la entropía es la magnitud usada en termodinámica para expresar el grado de desorden en un sistema. Los seres vivos generan alta entropía mediante el consumo de oxígeno y glúcidos o grasas almacenados en el cuerpo. Conforme respiran, se excretan productos de desecho con alta entropía, tales como el bióxido de carbono y la radiación infrarroja que los cuerpos cálidos emiten en derredor. Si en el largo plazo la excreción de compuestos de alta entropía es tan grande o menor que la incorporación interna de compuestos de baja entropía, habrá permanencia de la vida y se continuará con una excepción milagrosa, poco probable, pero válida de las leyes de la termodinámica,

La perspectiva homocéntrica de la naturaleza que siempre hemos tenido, se ve muy difuminada bajo la perspectiva gaiana; no obstante que somos la especie más influyente en el ambiente desde hace varios siglos, no somos más que una especie más. Los cambios que estamos induciendo en el megasistema por la alteración de los gases atmosféricos, de la energía circulante, de la proporción y cantidad de especies e incluso del albedo (modificado por la presencia de ciudades y carreteras), provocará sin duda el establecimiento de nuevos equilibrios con su consabido recorte de especies, quizá al nivel de una extinción masiva. Si algo nos ha enseñado nuestro estudio del registro fósil, es que las especies dominantes nunca sobreviven a los ajustes posteriores a las grandes extinciones, por lo que la presencia de la especie humana a futuro es muy cuestionable. Quien persistirá, indudablemente es Gaia, con las especies sobrevivientes a la catástrofe que estamos provocando y las que evolucionen para ocupar los nichos ecológicos que quedarán vacíos.

Para concluir, diremos que la influencia gaiana ya esta proveyendo de una visión nueva y más productiva de la Tierra y los demás planetas. La Hipótesis Gaia provee de una visión de la Tierra donde:

1. No puede haber una ocupación parcial de un planeta por los seres vivos. Sería tan inviable como la posibilidad de existencia de un animal partido por la mitad. Se requiere la presencia de un número suficiente de organismos en un planeta para controlar el ambiente. Cuando la ocupación es incompleta, las inevitables fuerzas evolutivas fisicoquímicas pronto lo harán inhabitable.

2. Nuestra interpretación de la gran visión Darviniana es incompleta. Gaia hace hincapié en la falibilidad del concepto de adaptación. Ya no es suficiente decir que “los organismos mejor adaptados tienen mayores posibilidades de dejar descendencia”. Es necesario agregar que el crecimiento de un organismo afecta su ambiente físico y químico; por lo tanto, la evolución de las especies y de las rocas están íntimamente ligadas en un proceso único e indivisible.

3. La teoría ecológica se ha incrementado. Al considerar juntos a las especies y su ambiente físico como un sistema único, podemos por primera vez, construir modelos ecológicos matemáticamente estables y que no obstante, incluyan un número elevado de especies.

BIBLIOGRAFÍA

• Durrell, L.: 1986. GAIA. El futuro del Arca. Atlas del Conservacionismo en Acción. Editorial H. Blume, Madrid

• García de Guinea, E. Gaia, Planeta Vivo. Muy Interesante, No. 3. pp. 16-21.

• Lovelock', J. 1979. Gaia. A New Vision to Life on Earth. Oxford University Press, England.

• Lovelock. J. 1988. The Ages of Gaia. Oxford University Press, England.

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