Se establece el momento preciso en que la corteza de la Tierra se resquebrajó y puso en movimiento

Nuevos datos que indican que la superficie de la Tierra se fragmentó hace 3200 millones de años. Además, también aclaran de qué modo impulsó la tectónica de placas la evolución de la vida compleja.

En 2016, los geoquímicos Jonas Tusch y Carsten Münker extrajeron a golpe de martillo media tonelada de roca del Outback australiano (el árido interior del continente) y la llevaron por avión a su ciudad, a Colonia.

Tras cinco años serrando, triturando, disolviendo y analizando, les habían sacado a esas piedras un secreto guardado durante los eones: cuándo empezó la tectónica de placas.

El fracturado caparazón de la Tierra, con sus rígidas e interconectadas placas, no tiene igual en el sistema solar. Los científicos han ido relacionándolo cada vez más con otras de las características especiales de nuestro planeta: su atmósfera estable, su campo magnético protector y su surtido de formas complejas de vida. Pero los geólogos llevan mucho tiempo debatiendo acerca del momento exacto en que la corteza se partió en placas; se han venido enfrentando unas hipótesis con otras, de las que sostienen que ocurrió en los primeros mil millones de años de los 4500 que lleva existiendo el planeta a aquellas según las cuales pasó en los últimos mil millones. Estas estimaciones tienen consecuencias enormemente diferentes en lo que se refiere al efecto de la tectónica de placas en todo lo demás que sucede en el planeta.

El extenderse, quebrarse y hundirse de las placas tectónicas no solo moldea la geografía. El reciclado de la superficie terrestre contribuye a regular su clima, y la formación de continentes y montañas impele nutrientes vitales hacia el ecosistema. La tectónica de placas, si empezó suficientemente pronto, podría haber sido uno de los principales motores de la evolución hacia formas complejas de vida. Y por extensión, el desplazamiento de las placas quizá sea también un requisito para la aparición de vida avanzada en planetas lejanos.

Ahora, el estudio de las rocas del Outback australiano que han realizado Tusch, Münker y sus coautores, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, ha tomado una «instantánea» de la irrupción de la tectónica de placas, dice Alan Collins, geólogo de la Universidad de Adelaida, en Australia. El análisis por el equipo de los isótopos de wolframio en las rocas descubre a la Tierra cuando procedía a su transición hacia la tectónica de placas hará unos 3200 millones de años.

El hallazgo apoya los indicios circunstaciales que se habían ido acumulando en los últimos diez años, dice Richard Palin, petrólogo de la Universidad de Oxford. «Respalda el consenso, cada vez mayor entre los geólogos, en que la tectónica de placas se estableció a escala global» hará unos 3000 millones de años, dice.

«Son muchos los que, desde perspectivas muy diferentes, han venido a converger en que fue en algún momento entre hace 3200 y 3000 millones de años», dice Collins.

El motor de la Tierra

Cuando el geólogo Alfred Wegener propuso la teoría de la deriva continental en 1912, a la mayoría de sus colegas les pareció disparatada. ¿Cómo iban a moverse esas gigantescas masas de tierra? Wegener no pudo dar con un mecanismo que impulsase esa deriva de sus continentes. Haría falta medio siglo más para que los geólogos concibiesen cómo la convección dentro del manto de la Tierra propulsa por la superficie a las placas (el manto es la gruesa capa de roca caliente que se tiende entre la corteza y el núcleo). Finalmente, demostraron que esas placas, quince principales y muchas más de menor entidad, se expanden y separan en las dorsales medio oceánicas, se mueven con el flujo del manto, se rozan mutuamente por los bordes y se vuelven a hundir en el manto en las «zonas de subducción».

«La tectónica de placas ofrece una forma muy organizada de moverse por la superficie», dice Carolina Lithgow-Bertelloni, geofísica de la Universidad de California, Los Ángeles. «Se puede entender entonces por qué hay terremotos donde hay terremotos, por qué hay montañas donde hay montañas».

La fracturada corteza de la Tierra

En las décadas que han pasado desde entonces, los científicos han acabado por comprender que la atmósfera de la Tierra, su campo magnético, la estabilidad del clima y la biodiversidad están ligados a la tectónica de placas. «Hace que nuestro planeta funcione como funciona», dice Lithgow-Bertelloni.

Para empezar: gracias a la tectónica de placas, la Tierra ha mantenido un clima habitable durante miles de millones de años pese a que el brillo del Sol ha ido aumentando poco a poco. Nuestro afortunado clima es en muy buen medida el resultado de las reacciones químicas entre el dióxido de carbono del aire y los minerales silicatados, que reduce lentamente el nivel de los gases de invernadero en la atmósfera al enterrarlos en los sedimentos. La mayor parte de las reacciones entre los silicatos y el dióxido de carbono se produce en las laderas de las montañas que se crean al chocar las placas.

Además, el reciclado de material entre el manto, la corteza, los océanos y la atmósfera garantiza un suministro continuo de elementos cruciales para la vida. La tectónica de placas refina el manto al hacer que elementos como el fósforo se acumulen en la superficie en la forma de corteza continental. Estos elementos fertilizan la vida en las aguas oceánicas cuando las montañas se erosionan y el agua se las va llevando al mar. Y los continentes mismos proporcionan soleados terrenos para nuevas especies.

Pero la infancia de la Tierra fue diferente.

La desintegración radiactiva hacía que el interior de la Tierra fuese en sus primeros tiempos mucho más caliente que hoy; la corteza, por ello, era flácida. Se ha debatido durante mucho tiempo acerca de cuándo se enfrió el núcleo lo bastante para que la corteza se endureciese y formara placas que empezasen a moverse, partirse, chocar y hundirse. Saber cuándo se produjo aquella transición cargada de consecuencias «nos permite saber mejor qué fue lo que condujo a ciertos cambios en la evolución de la vida, cómo llegamos al sistema actual […] cómo actúa hoy nuestro planeta», dice Lithgow-Bertelloni.

Un archivo de piedra

Descifrar los años formativos de nuestro planeta es difícil. Las rocas de hace miles de millones de años no solo son raras: han estado sometidas a tormento por el tiempo y la tectónica. Aportan unos vislumbres del pasado desorganizados, que pueden llevar a error.

Varios científicos han sostenido que la tectónica de placas actúa desde hace al menos 4000 millones de años. Se basan en unos diminutos cristales de hace 4000 millones de años, cuya química recuerda la de las rocas modernas, que se producen en la zona de subducción. Pero otros investigadores han replicado que esos cristales se pudieron formar de otros modos.

Otros han planteado la hipótesis de que la tectónica de placas empezó hace poco, geológicamente hablando. Señalan unos tipos de roca de los que se sabe que se forman en las zonas modernas de colisión de placas y a las que nunca se les ha visto que tengan más de 700 millones de años. Si no hay ejemplos viejos de estas rocas, dice el argumento, es que la tectónica de placas también ha de ser reciente.

La aparición de esas rocas, sin embargo, podría reflejar los cambios producidos después de que empezase la tectónica de placas, como el lento enfriamiento del interior de la Tierra.

En cierta medida, dicen los investigadores, las discrepancias sobre las fechas reflejan cómo ha cambiado con el tiempo la propia tectónica de placas. En vez de experimentar un súbito salto del no al sí, lo más probable es que la actividad tectónica evolucionase gradualmente hacia su forma moderna.

No obstante, datos significativos reunidos a lo largo de la última década dan a entender que hace alrededor de 3200 millones de años, en medio del eón arcaico, hubo una inflexión importante que se manifiesta en varias líneas indiciarias.

Los trazadores geoquímicos indican que tras ese momento el oxígeno, el dióxido de carbono y el agua empezaron a moverse entre la atmósfera y el manto. El volumen de la corteza continental estable subió de golpe también. Solo los diamantes que se formaron tras esa fecha contienen pizcas de eclogita, roca forjada con material arrastrado desde la superficie de la Tierra. Y unas lavas, las komatitas, supercalientes cuando manaban en una erupción, empezaron a desaparecer del registro lítico, señal adicional de que el manto había empezado a circular.

Dos enormes artículos publicados en 2020 por equipos diferentes repasaban las pruebas y concluían por separado que la tectónica de placas se puso en marcha hace 3200 millones de años. El registro de la Tierra sigue siendo ambiguo; para algunos, el debate no ha acabado. Pero los nuevos hallazgos sobre el wolframio ofrecen una «huella química», explica Collins, que apoya el consenso naciente.

Una señal procedente de la infancia de la Tierra

En 2015, en la Universidad de Colonia, Tusch y Münker idearon una forma nueva de sondear la irrupción de la tectónica de placas. Se centraron en el wolframio 182, un isótopo del wolframio que se formó al desintegrarse radiactivamente el hafnio 182 a los 60 millones de años de la formación del sistema solar. «Es un vestigio de los primeros 60 millones de años de la Tierra», dice Münker.

El wolframio 182 debería ser relativamente abundante en las rocas de los principios de la historia de la Tierra. Pero en cuanto se puso en marcha la tectónica de placas, el batido convectivo del manto mezcló el wolframio 182 con los otros cuatros isótopos del wolframio; el resultado fueron unas rocas con unos valores uniformemente bajos de wolframio 182.

Tusch y Münker desarrollaron un nuevo y potente método de extracción de pequeñas trazas de wolframio de rocas antiguas. Y entonces se pusieron a buscarlas.

Analizaron rocas del eón arcaico tomadas en Isua, una región del oeste de Groenlandia. Tusch se pasó once meses analizando las muestras, pero al final obtuvo unos datos planos relativos al wolframio 182, sin variaciones significativas entre las muestras. Los investigadores supusieron que información contenida en las rocas de Groenlandia se había entremezclado al deformarse y calentarse estas durante su historia.

Necesitaban unas rocas mejores. Marcharon a por ellas a Pilbara, en el oeste de Australia. «Tiene algunas de las rocas del eón arcaico mejor preservadas de todo el planeta», explica Münker. «No han sufrido mucho calentamiento, si se las compara con rocas similares de esos tiempos».

«Estaba ansioso por encontrar muestras que no exhibiesen el mismo valor una y otra vez», dice Tusch.

Guiados por su coautor Martin Van Kranendonk, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, surcaron el Outback con camiones todoterreno, visitaron afloramientos rojos por la oxidación donde las viejas rocas volcánicas y la vegetación se mimetizan: la hierba spinifex de los afloramientos contiene sílice, lo que la vuelve muy espinosa e incomestible salvo para las termitas. Sacaron a martillazos una prometedora media tonelada de rocas y lavas formadas entre hace 2700 millones y 3500 millones de años.

De vuelta a Alemania, Tusch se puso a trabajar. Usó una sierra para rocas para llegar hasta la roca fresca escondida en el interior de cada muestra y pulió algunas rebanadas hasta que solo tuviesen la mitad del grosor de un cabello humano, para que fuesen traslúcidas al microscopio. Machacó el resto y concentró el wolframio, y analizó a continuación las razones de los isótopos de wolframio en un espectrómetro de masas.

Los resultados fueron goteando a lo largo de un par de años. Esta vez, las razones entre los isótopos no fueron planas. «Verlo fue bonito de verdad», señala Tusch.

Las concentraciones de wolframio 182 eran altas en las rocas formadas antes de hace 3300 millones de años: el manto, pues, no estaba mezclando todavía. Los valores decaían entonces a lo largo de 200 millones de años hasta que alcanzaban los valores modernos hace 3100 millones. Ese declive refleja la dilución de la señal antigua del wolframio 182 al empezar la mezcla en el manto por debajo de Pilbara. Esa mezcla indicaba el principio de la tectónica de placas.

La Tierra se transformaría entonces enseguida: de ser un mundo acuático tachonado por islas volcánicas parecidas a Islandia pasó a ser un mundo de continentes con montañas, ríos y llanuras inundables, lagos y mares someros.

Un nuevo mundo propicio para la vida

La fecha de inicio, hace unos 3200 millones de años aproximadamente, aclara el modo en que la tectónica de placas afectó a la vida en la Tierra.

La vida había empezado ya antes, hace más de 3900 millones de años, y estaba ya apilando unos pequeños cúmulos en sedimentos de Pilbara, los llamados estromatolitos, hará 3480 millones de años. Esto demuestra que la tectónica de placas no es un prerrequisito para la vida en su nivel más básico. Pero seguramente no es una coincidencia que la vida se diversificase justo cuando la tectónica de placas se puso en marcha.

Con la tectónica de placas vinieron los mares poco profundos iluminados por el sol y los lagos fertilizados con nutrientes que procedían de la erosión de la roca continental. Las bacterias evolucionaron en esos entornos para cosechar luz solar por medio de la fotosíntesis y generar así oxígeno.

Durante otros quinientos millones de años, ese oxígeno fue solo un soplo en el cielo, en parte porque reaccionaba inmediatamente con el hierro y otras sustancias químicas. Además, por cada molécula de oxígeno generada en la fotosíntesis hay un átomo de carbono, y se recombinan fácilmente como dióxido de carbono, sin que la atmósfera tenga una ganancia neta de oxígeno por la atmósfera, a no ser que se entierre el carbono.

Gradualmente, sin embargo, la tectónica de placas proporcionó el terreno y los sedimentos para enterrar más y más carbono (a la vez que ofrecía fósforo en cantidad que estimulaba las bacterias fotosintéticas). La atmósfera se oxigenó finalmente hace 2400 millones de años.

El oxígeno preparó al planeta para la aparición de las plantas, los animales y casi todo aquello que tuviese un metabolismo basado en el oxígeno. Las formas de vida mayores y más complejas que los microbios requieren más energía, y los organismos pueden fabricar con oxígeno cantidades mucho mayores de la vital molécula ATP, que transporta la energía, que sin él. «El oxígeno es realmente importante para lo que entendemos por vida compleja», dice Athena Eyster, del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

El progreso hacia la complejidad se estancó durante la era de los «mil millones» aburridos, el período de unos mil millones de años en el que reinó el supercontinente Nuna-Rodinia. Con los continentes atrapados en un atasco, defienden Ming Tang, de la Universidad de Pekín, y sus colaboradores, las montañas se erosionaron por completo y se redujo el flujo de nutrientes hacia el océano y disminuyó el nivel de oxígeno.

Finalmente, el supercontinente se fragmentó y nacieron nuevas montañas que exportaron de nuevo nutrientes. Solo entonces, hará unos 600 millones de años, se diversificaron los organismos complejos y su tamaño aumentó, espoleados por la segunda subida del oxígeno en la Tierra.

La explosión de la vida animal compleja se produjo hace 540 millones de años en los océanos, y en tierra poco después. La tierra seca era ahora habitable porque el oxígeno estratosférico formó ozono que protegió la vida terrestre de la radiación ultravioleta.

«En potencia, hay muchos planetas análogos al mundo del eón arcaico, quizá sin tectónica de placas, que podrían tener vida», dice Eyster, pero «sería mucho más difícil tener vida compleja en un planeta sin tectónica de placas».

Pensemos en Marte. Marte y la Tierra se parecieron bastante durante sus primeros mil millones de años. Pero Marte nunca generó una tectónica de placas, posiblemente porque es más pequeño que la Tierra, de modo que su presión interior no bastó para impulsar la convección del manto a gran escala. En cambio, desarrolló enseguida una gruesa corteza que no es propensa a formar placas móviles. Hoy, Marte está rojo por la corrosión, tiene poca agua superficial, carece de campo magnético y su atmósfera es rala.

Pero de no ser por la tectónica de placas, ese podría haber sido también el destino de la Tierra.

Howard Lee / Quanta Magazine

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Convective isolation of Hadean mantle reservoirs through Archean time», de Jonas Tusch et al., en PNAS, 12 de enero, 2021, 118 (2) e2012626118.