LES EDATS DE GAIA / The ages of Gaia (*)

James Lovelock

Traducció del fragment de l’obra The ages of Gaia (*), on l’autor, James Lovelock, presenta la hipòtesi que la constància en el contingut de sal a l’aigua de mar pugui ser també el resultat d’una regulació global de la vida. Gaia retiraria sal cap als sediments, per protegir-se de l’excessiva concentració salina.

...

La regulació del contingut de sal és un dels aspectes més interessants i suggestius dels sistemes gaians. Hi ha pocs organismes capaços de tolerar una concentració de sal superior al 6% en pes. ¿És per casualitat que els oceans s’han mantingut sempre per sota d’aquest límit, o és l’evolució estretament acoblada de la vida i del medi ambient que ha donat lloc a la regulació automàtica de la salinitat dels oceans? Sovint s’ha dit que el medi salí intern òptim per als organismes vius, que és sorprenentment similar en molts d’ells, reflexa la composició dels oceans quan la vida va començar. És cert que la salinitat de la sang de balenes, persones, ratolins i de la majoria de peixos, tant si viuen al mar com a l’aigua dolça, és la mateixa. Fins i tot, el fluid circulatori d’Artemia, un petit crustaci que viu en solucions saturades sal, comparteix amb nosaltres la mateixa salinitat interna. Però la meva opinió és que això no representa cap evidència de la salinitat dels oceans arcaics, de la mateixa manera que els nivells d’oxigen que ara respiren aquests organismes no dóna cap indicació sobre l’abundància d’oxigen als orígens de la vida.

La majoria de cèl·lules sobreviuen i es troben en condicions òptimes en un medi amb salinitat 0,16 molar (prop de l’1% de sal en pes en dissolució aquosa, o salinitat normal). Molts tipus de cèl·lules sobreviuen a la salinitat de l’aigua del mar, 0,6 molar, però per sobre de 0,8 molar les membranes que mantenen el contingut preciós de la cèl·lula es tornen permeables o es desintegren completament. La raó de l’acció destructiva de la sal és simple. Les membranes cel·lulars es mantenen gràcies al mateix tipus de forces de cohesió d'una bombolla de sabó. Sovint aquestes forces són molt sensibles a la salinitat del medi, usualment es debiliten quan la salinitat és alta. Es pot comprovar fent bombolles de sabó amb dissolucions salines de concentració creixent. per sobre del 10% de sal, no es produeixen bombolles. Això és degut a que les molècules de sabó consisteixen en una cadena llarga i ferma d’àtoms de carboni envoltada d’àtoms d’hidrogen enllaçats també fermament. Però un dels extrems de la cadena acaba amb un àtom de carboni unit a dos àtoms d’oxigen. Quan aquest extrem de la molècula es dissol en aigua lleugerament alcalina -tal com són totes les dissolucions de sabó- pren una càrrega negativa. La càrrega elèctrica negativa del grup terminal atrau molècules d’aigua i arrossega la cadena d’hidrocarbur gras i insoluble dins de la dissolució. La sal consisteix en ions clorur negatius i ions sodi positius. Quan a la dissolució hi ha molts d’aquests ions, competeixen amb la càrrega negativa del sabó en l’absorció de molècules d’aigua. En presència d’una quantitat suficient de sal, el sabó se separa de l’aigua com la nata.

Les molècules de la membrana cel·lular són més complexes que el sabó: inclouen substàncies com els esteroides (per exemple el colesterol), hidrocarburs, proteïnes i fosfolípids. Les molècules de fosfolípids són anàlogues a les del sabó i constitueixen la part de la membrana més afectada per un increment de la concentració de sal. Les concentracions altes de sal alteren les membranes cel·lulars modificant les forces elèctriques que en mantenen la configuració correcta i complexa. Per exemple, les membranes del glòbuls rojos de la sang humana estan compostes de parts aproximadament iguals de colesterol i de lecitina (un fosfolípid), diverses proteïnes i altres substàncies grasses. Els glòbuls rojos es mantindran bé exposats a dissolucions de sal fins a una concentració de 0,8 molar (4,7% en pes). Per sobre d’aquesta concentració la membrana es malmet, i a concentracions superiors a 2,0 molar la cèl·lula es destrueix en pocs segons. A mitjans dels anys cinquanta vaig poder demostrar mitjançant experiències directes que els perjudicis començaven quan la lecitina de la membrana dels glòbuls rojos es dispersava en la dissolució salina. Aquest tipus de desperfectes ocasionats per la sal semblen ser generals entre les cèl·lules vives i s’observen en cèl·lules dels cinc regnes existents.

La concentració de sal als mars actuals sempre és fastigosament alta per als organismes vius. Els més grans, com els peixos, els mamífers marins i alguns crustacis, disposen de mecanismes per regular la salinitat interna a un nivell fisiològic (0,16 molar). Aquests organismes han de treballar per contrarestar la pèrdua d’aigua des del seu medi intern, és a dir, per evitar ser espremuts per la pressió osmòtica. Han de gastar energia per bombar aigua en contra de la diferència de pressió osmòtica entre l’interior del seu cos i el mar. La pressió és de l’ordre de la necessària per bombar aigua a una alçada de 140 m en contra de la gravetat, al voltant d’unes 1000 vegades més alta que la pressió sanguínia dels éssers humans. Els avantatges d’un medi intern de baixa concentració de sal han de ser considerables per a requerir una tal inversió. Per a una cèl·lula petita o un bacteri, la regulació a escala individual és un luxe molt més enllà de les seves possibilitats. I no tan sols la salinitat; considerem la regulació de la temperatura, per exemple. Per un microorganisme, mantenir tan sols la diferència d’un grau de temperatura respecte a l’ambient significaria el consum de molt més oxigen i aliment del que pot travessar la seva superfície. I no només és això, a més, un gradient d’un grau de temperatura a través de la membrana cel·lular generaria una pressió osmòtica termal de 56 atmosferes, molt més de la que una membrana cel·lular pot resistir.

L’estrès salí es produeix moltes vegades durant la dessecació o la congelació. Quan les cèl·lules es congelen, es forma gel pur i la dissolució salina del voltant es concentra. La congelació i la dessecació han d’haver estat riscos freqüents en els orígens de la vida, i des de llavors fins ara no s’ha desenvolupat cap resposta directa a aquests problemes. Hi ha bacteris tolerants a la sal, els halòfils, que viuen precàriament a les regions salines de la Terra. Funciona, però al preu que aquests organismes no poden competir amb la majoria de bacteris quan la salinitat és normal. Es troben restringits als seus hàbitats remots i rars, i depenen de la resta de la biosfera per a mantenir la Terra apta per a ells. Són com aquells excèntrics de la nostra societat, la supervivència dels quals depèn de l’ajut que els podem proporcionar, però que difícilment podrien sobreviure sols.

Per tant, la major part de la vida es troba limitada a una concentració màxima de sal del voltant de 0,8 molar. Això no és molt més que les zones més salades dels oceans, on la salinitat arriba a 0,68 molar. És un valor que se sobrepassa sovint quan la marea retrocedeix, deixant els organismes atrapats en bassals d’aigua marina a la costa que s’eixuguen per evaporació.

Els bacteris arcaics ja es deurien enfrontar al problema de la salinitat. La seva resposta consistia en sintetitzar determinats compostos de sofre i nitrogen, anomenats betaïnes. Aquests soluts neutres substitueixen a la sal i no són tòxics per a la cèl·lula. Quan aquests compostos són presents a la cèl·lula i al medi, la congelació o la dessecació ja no provoquen una concentració de sals nociva. Però cal pagar un preu per la síntesi de les betaïnes anti-salines. Al voltant del 15% del pes de les algues costaneres és betaïna, el que representa una desviació considerable d’energia que, en cas contrari, estaria disponible per a l’organisme. Per tant, és evident que mantenir els oceans tan diluïts com sigui possible –i certament mantenir-los lluny de la concentració crítica de 0,8 molar- representa un avantatge per a la biota.

Els problemes relacionats amb la regulació de la salinitat excedeixen en dificultat a qualsevol obra d’enginyeria que l’home hagi construït fins avui al planeta. Els bacteris de l’Arcaic haurien pogut modificar fàcilment el petit compartiment de l’atmosfera per adaptar-lo a les seves necessitats. Però la vasta massa dels oceans, unes 10.000 vegades més gran, era molt més difícil de manipular. L’única manera d’eliminar les enormes masses de sal dels oceans seria l’aïllament d’aigua marina en llacunes, seguit de l’evaporació posterior de l’aigua. Hauria calgut construir grans esculls de roca calcària per atrapar al sal en llacunes evaporítiques. La magnitud total d’aquests esculls deixaria petita qualsevol construcció humana concebible. Fins i tot és possible que el procés de formació de llacunes hagi estat afavorit pel plegament de les roques als marges continentals com a conseqüència del moviment de les plaques tectòniques.

A la taula s’indica la composició de sals dels oceans. La sal en dissolució, meteoritzada a partir de les roques, entra contínuament al mar des del rius i també des de l’interior de la Terra a través de les dorsals del fons dels grans oceans. Al mar, la sal no es comporta com una substància única, el clorur sòdic, sinó que es troba en forma d’ions sodi (positiu) i clorur (negatiu). Aquests ions es comporten com a entitats separades i independents. Tant l’ió sodi com els altres ions positius (potassi, magnesi i calci) tenen temps de residència relativament curts a l’oceà. Són eliminats per processos químics i bioquímics, i també per reaccions químiques hidrotermals a les dorsals oceàniques. El seu destí final és el dipòsit en forma de sediments, argiles, calcàries i dolomites. Bàsicament, el problema de la salinitat per a la biota és de fet el problema de desempallegar-se dels ions clorur negatius.

SALS OCEÀNIQUES
Espècies iòniques	Abundància (mols)	Temps de residència (milions d’anys)
Sodi Magnesi Calci Potassi Clorur Sulfat	0,47 0,05 0,01 0,01 0,53 0,03	56,0 11,0 0,9 5,5 350,0 7,9

Font: M.Whitfield, “The World Ocean: Mechanism, or Machination”, Interdisciplinary Science Review, 6 (1981), 12-35

Sota el punt de vista químic, el clorur és bastant similar a un àtom d’argó, un gas noble totalment inert. És una molècula esfèrica, escorredissa i llisa amb una tendència escassa o nul·la a enllaçar-se. No hi ha cap intercanvi bioquímic significatiu amb el clorur. Uns pocs sistemes rars poden generar clorur de metil a partir de sal, però el cicle d’aquest compost no és prou important per afectar a la salinitat de l’oceà. A més, el clorur present a la molècula de clorur de metil aviat es reconverteix en ió clorur que és arrossegat per la pluja i retornat al mar. Els ions clorur s’eliminen dels oceans físicament, mitjançant la transferència d’aigua a llacunes evaporítiques. L’aigua atrapada en aquestes llacunes s’escalfa amb el Sol i s’evapora; el vapor d’aigua es desplaça a través de l’atmosfera i eventualment es condensa en un altre lloc en forma de pluja –aigua pura- que flueix i es dilueix a l’oceà. La sal, representada per l’ió clorur dominat i els ions positius que han d’acompanyar-lo per mantenir nul·la la càrrega iònica total, queda enrera en forma de capes cristal·lines. Aquestes llacunes evaporítiques es troben a molts llocs dels marges continentals. Existeixen moltes llacunes fòssils sobre la superfície terrestre, a vegades fins i tot sota el mateix oceà.

Per formar aquestes llacunes calen barreres que les separin del mar. La formació d’aquestes llacunes ¿podria haver format part de l’evolució estretament acoblada entre la vida i les roques, o només és un resultat de l’atzar? El procés clau d’aquesta acció és la deposició de carbonat de calci. El diòxid de carboni de l’aire reacciona contínuament amb les roques alcalines de la superfície terrestre per formar bicarbonats. Una reacció important d’aquest tipus és la que es produeix entre les roques de silicat de calci i el diòxid de carboni dissolt a l’aigua superficial. El producte final és una dissolució d’àcid silícic i de bicarbonat de calci que flueix amb els rius cap a l’oceà. En absència de vida, els ions de calci i bicarbonat poden coexistir en un oceà lleugerament àcid i, de l’aportació contínua d’ambdós, a la llarga resultaria la cristal·lització espontània de carbonat de calci. Però es tractaria d’una deposició més o menys aleatòria.

Els dipòsits de calcària del món real estan quasi tots relacionats amb l’acció dels organismes vius. La calcària no es diposita de forma aleatòria ni segons preveu la física i la química. La precipitació de carbonat de calci per colònies de microorganismes es produeix de forma predominant en aigües poc fondes al voltant dels marges continentals, on l’abundància de nutrients i de bicarbonat de calci és més alta. Sense cap planificació o previsió, els constituents d’aquelles estructures vives, els estromatòlits calcaris, es concentrarien a la costa i a la llarga formarien llacunes on l’aigua de mar s’evaporaria progressivament dipositant la sal. Al principi la formació d’esculls només hauria tingut un efecte local, però al llarg del temps, la mera presència de la massa de calcària hauria començat a afectar l’escorça deformable de la superfície terrestre enfonsant-la, i augmentant així la mida de les llacunes. Sempre hi hauria nous constructors de roca que colonitzarien la superfície d’un escull a mesura que el terreny s’enfonsés, el que tendiria a mantenir la llacuna intacta. Tal com Don Anderson ha suggerit, si el moviment de l’escorça terrestre depèn de la deposició contínua de carbonat de calci al mar, els esculls calcaris haurien donat lloc a successos tan complicats com la formació de muntanyes i el plegament de roques als marges continentals. Aquest fet, al seu torn hauria ampliat el rang de zones costaneres on podrien formar-se llacunes evaporítiques.

Al llarg del temps s’ha anat incorporant sal als oceans des de la litosfera i eliminant-se de nou. Una part d’aquesta sal es diposita en capes evaporítiques i queda enterrada pels sediments. Aquests dipòsits poden quedar temporalment exposats a l’aire de manera recurrent pels moviments tectònics i la meteorització (i també per la mineria a gran escala, com en el cas del Bages; n del t.), alliberant-se de nou el contingut al mar. Però també noves llacunes evaporítiques es formen contínuament. El balanç de l’erosió i formació sembla haver mantingut segrestada en sediments evaporítics una quantitat de sal suficient per mantenir els oceans amb un contingut de sal baix i aptes per a la vida. L’evidència de que la formació de llacunes i el seu manteniment depèn dels microorganismes marins és important.

Vaig tenir l’ocasió d’unir-me a una expedició, liderada per Lynn Margulis, a les comunitats microbianes d’algues que es formen a les llacunes evaporítiques de la Baixa Califòrnia, a Mèxic. Aquestes llacunes es troben a la costa oest de la llengua de terra llarga i estreta que penja de San Diego i que separa el golf de Califòrnia de l’oceà Pacífic. Allà vaig constatar de primera mà la subtil economia dels tapissos bacterians que cobreixen la llacuna. Les comunitats microbianes vermelles i verdes de la superfície actuen com un impermeable, impedint que la sal es dissolgui en l’aigua de pluja i es renti cap a l’oceà. Fins i tot, durant un temps la llacuna sencera va estar submergida per uns metres d’aigua dolça. Durant dos anys aquesta aigua s’havia estat evaporant sense destruir ni les comunitats bacterianes ni les capes evaporítiques de sota. L’entrada d’aigua de pluja rebaixa regularment la salinitat de les llacunes i ajuda al creixement de fotosintetitzadors a la superfície, els productors primaris que proporcionen aliment i energia a les comunitats situades immediatament per sota. Els cristalls de sal propers o ja a la superfície estan protegits de la dissolució espontània per aigua de pluja pel vernís de la comunitat microbiana.

És tot això una enorme i no planificada obra pública de Gaia? Tots els passos, des de la disminució individual d’ions calci dins de les cèl·lules d’un organisme viu fins al moviment de les plaques tectòniques, tendeixen a millorar el medi ambient per als organismes responsables d’aquests passos. Però les relacions entre biomineralització, acumulació salina i tectònica de plaques són tan febles que la majoria de científics pensen que es troben relacionades aleatòriament i no geofisiològicament. He de seguir preguntant-me sobre els límits de la manipulació gaiana i investigar el criteri correcte a partir de la pregunta: ¿quina Terra hauria existent en absència de vida?. ¿Haurien precipitat calcàries als marges continentals per a formar llacunes evaporítiques? ¿S’hi hauria dipositat sal, o s’hauria rentat la sal amb la pluja de nou cap a l’oceà en absència d’un impermeable viu en forma de tapís microbià? ¿Es dipositaria calcària als llocs adequats i amb la intensitat necessària perquè les plaques tectòniques comencessin a moure’s? Potser és improbable, però recordem que s’ha disposat de milers de milions d’anys per al desenvolupament d’innovacions geofisiològiques i el seu examen per selecció natural. Hauríem de considerar la possibilitat que aquest llarg període hagués estat suficient per a afinar una tosca geologia en una geofisiologia uniformement regulada.

...

(*) THE AGES OF GAIA. James Lovelock, 1988. The Commonwealth Fund Book Program of Memorial Sloan.

LAS EDADES DE GAIA, una biografía de nuestro planeta vivo. James Lovelock. Traducció al castellà de Joan Grimalt, 1993. Col·lecció Metatemas, libros para pensar las ciencias, núm.29. Ed. Tusquets, SA