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Biosphere / Biosfera

Updated: Jan 20, 2023





(Versión en español más abajo).


Earth’s biosphere, the part of our planet where life is present, extends from the atmosphere’s higher altitudes (up to 15 km—9,3 miles, reference 1) to more than two km—1.24 miles—below the planet’s surface (2). Beneath the surface scientists find a few microbes that feed on minerals and uranium residues, and that can separate water into hydrogen and oxygen. These fascinating microbes reproduce only about once every 1,000 years; nonetheless, they represent between 10% and 20% of the biomass of planet (2). According to some estimates, the biosphere might reach as deep as 15 km below the surface of the ocean and land, but it is not yet possible to drill to that depth to extract samples and confirm (3).


The appearance of oxygen-generating photosynthetic cyanobacteria, present about 2.7 billion years ago, may have been the most relevant biological event on the planet, even more than the appearance of nucleated cells (4,5). Photosynthesis is more effective than other means of capturing energy. Through the appearance of the first photosynthetic organisms to their current absolute predominance, nature and evolution teach us the most meaningful way to obtain energy on our planet: to take advantage of the energy that comes from the Sun. Indeed, this is what humanity has always done by feeding itself and its livestock with crops, and at an accelerated pace since the start of the industrialization, when we started burning coal, the highly energetic fossil of wood (6).


There was some delay in the emergence of life-forms more complex than cyanobacteria and other microbes, possibly due to the initially low concentrations of oxygen in the atmosphere. Most of the newly generated oxygen was initially consumed by oxidizing minerals that had never made contact with that element before. Many new minerals appeared, up to two-thirds of those currently present (7). As an example, oxygen combined with iron, converting soluble ferrous iron (Fe2+), abundant in the sea, into the relatively insoluble ferric form (Fe3+) and forming ferric oxide, which was deposited on the seafloor (8). When most of the various minerals were oxidized, these reactions decreased in intensity, and oxygen began to remain in the atmosphere. Initially, about 2.0 to 2.5 billion years ago, oxygen only comprised around 1% of the gases present in the atmosphere, but the concentration gradually increased (4,5).


Beginning about 2.4 billion years ago, the atmosphere and the shallower parts of the ocean surface experienced a rise in the concentration of oxygen, likely generated by the accumulation of cyanobacteria, during the Great Oxidation Event (GOE). As a consequence, the ozone layer appeared, providing protection from ultraviolet radiation and allowing further evolution of life (7). When the levels of ultraviolet radiation became tolerable, photosynthetic organisms, possibly algae, began the colonization of the land's surface, significantly increasing oxygen’s atmospheric concentration. The increased presence of oxygen caused the loss of previously abundant anaerobic life-forms. Because many species of organisms were not adapted to such high levels of oxygen, they either disappeared or retreated into ocean depths poorer in this gas (4,5).


The increase in atmospheric oxygen produced by photosynthesis in the ocean and in the land contributed to the proportional decline of carbon dioxide and methane, associated to a decreased greenhouse effect. The lower concentration of greenhouse gasses was probably the cause of the planet's first freezing, the first so-called Snowball Earth glaciation between 2.35 and 2.22 billion years ago. Life was much more limited yet continued in underwater volcanoes thanks to the heat generated by plate tectonics (4,5,9).




Versión en español:


La biosfera de la Tierra, la parte de nuestro planeta donde la vida está presente, se extiende desde las altitudes más altas de la atmósfera (hasta 15 km, referencia 1) hasta más de dos km por debajo de la superficie del planeta (2). Debajo de la superficie, los científicos encuentran algunos microbios que se alimentan de minerales y residuos de uranio, y que pueden separar el agua en hidrógeno y oxígeno. Estos fascinantes microbios se reproducen solo una vez cada 1.000 años; sin embargo, representan entre el 10% y el 20% de la biomasa del planeta (2). Según algunas estimaciones, la biosfera podría alcanzar hasta 15 km por debajo de la superficie del océano y la tierra, pero aún no es posible perforar a esa profundidad para extraer muestras y confirmar (3).


La aparición de cianobacterias fotosintéticas generadoras de oxígeno, presentes hace 2.700 millones de años, puede haber sido el evento biológico más relevante del planeta, incluso más que la aparición de células nucleadas (4,5). La fotosíntesis es más efectiva que otros medios para capturar energía. Desde la aparición de los primeros organismos fotosintéticos hasta su predominio actual, la naturaleza y la evolución nos enseñan la forma más significativa de obtener energía en nuestro planeta: aprovechar la energía que proviene del Sol. De hecho, esto es lo que la humanidad siempre ha hecho alimentándose a sí misma y a su ganado con cultivos, y a un ritmo acelerado desde el inicio de la industrialización, cuando comenzamos a quemar carbón, el fósil altamente energético de la madera (6).


Hubo cierto retraso en la aparición de formas de vida más complejas que cianobacterias y otros microbios, posiblemente debido a las concentraciones inicialmente bajas de oxígeno en la atmósfera. La mayor parte del oxígeno recién generado fue consumido inicialmente en la oxidación de minerales que nunca antes habían hecho contacto con ese elemento. Aparecieron muchos minerales nuevos, hasta dos tercios de los presentes actualmente (7). Por ejemplo, el oxígeno se combinó con hierro, convirtiendo el hierro ferroso soluble (Fe2+), abundante en el mar, en el relativamente insoluble Fe3+ y formando óxido de hierro (III), que se depositó en el fondo marino (8). Cuando la mayoría de los minerales se oxidaron, estas reacciones disminuyeron en intensidad y el oxígeno comenzó a permanecer en la atmósfera. Inicialmente, hace unos 2.000 a 2.500 millones de años, el oxígeno solo comprendía alrededor del 1% de los gases presentes en la atmósfera, pero la concentración aumentó gradualmente (4,5).


A partir de unos 2.400 millones de años antes del presente, la atmósfera y las partes menos profundas de la superficie del océano experimentaron un aumento en la concentración de oxígeno, probablemente generado por la acumulación de cianobacterias, durante el llamado Gran Evento de Oxidación. Como consecuencia, apareció la capa de ozono, que proporcionó protección contra la radiación ultravioleta y permitió una mayor evolución de la vida (7). Cuando los niveles de radiación ultravioleta se volvieron tolerables, organismos fotosintéticos, posiblemente algas, comenzaron la colonización de la superficie de la tierra, aumentando significativamente la concentración atmosférica de oxígeno. El aumento de la presencia de oxígeno causó la extinción de muchas formas de vida anaeróbicas. Debido a que muchas especies de organismos no estaban adaptadas a niveles tan altos de oxígeno, desaparecieron o se retiraron a las profundidades oceánicas más pobres en este gas (4,5).


El aumento del oxígeno atmosférico producido por la fotosíntesis en el océano y en la tierra contribuyó a la disminución proporcional del dióxido de carbono y el metano, asociada a una disminución del efecto invernadero. La menor concentración de gases de efecto invernadero fue probablemente la causa de la primera congelación del planeta, la primera “Bola de nieve” hace entre 2.350 y 2.220 millones de años. La vida quedó mucho más limitada pero continuó en los volcanes submarinos gracias al calor generado por la tectónica de placas (4,5,9).



Image / Imagen:


Biosphere. Author / Autor: Juan I. Jorquera.



References / Referencias:


1. Natasha DeLeon-Rodriguez et al. Microbiome of the upper troposphere: Species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. PNAS February 12, 2013 110 (7) 2575-2580; https://doi.org/10.1073/pnas.1212089110.

2. Garnet S. Lollar et al. ‘Follow the Water’: Hydrogeochemical Constraints on Microbial Investigations 2.4 km Below Surface at the Kidd Creek Deep Fluid and Deep Life Observatory. Geomicrobiology Journal 36: 859-872, 2019. https://doi.org/10.1080/01490451.2019.1641770.

3. F. Inagaki et al. Exploring deep microbial life in coal-bearing sediment down to ~2.5 km below the ocean floor. Science24 Jul 2015: Vol. 349, Issue 6246, pp. 420-424. DOI: 10.1126/science.aaa6882.

4. Peter Ward and Joseph Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth. Bloomsbury Publishing, London, 2015.

5. David Christian. Origin Story: A Big History of Everything. Allen Lane, Penguin Random House UK, London, 2018.

6. Vaclav Smil. How the World Really Works. A Scientist’s Guide to Our Past, Present and Future. Penguin Random House UK, London, 2022.

7. Robert M. Hazen. Symphony in C. Carbon and the Evolution of Almost Everything. W. W. Norton & Company, New York, 2019.

8. Andy W. Heard et al. Triple iron isotope constraints on the role of ocean iron sinks in early atmospheric oxygenation. Science23 Oct 2020: Vol. 370, Issue 6515, pp. 446-449. DOI: 10.1126/science.aaz8821.

9. Robin George Andrews. Watch this billion-year journey of earth’s tectonic plates. https://www.nytimes.com/2021/02/06/science/tectonic-plates-continental-drift.html. Accessed on July 8, 2021.

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