El Sol y el clima terrestre

 

El Sol no es inmutable, cambia cada once años, durante los cuales pasa por fases de alta y baja actividad en las que su atmósfera muda de calma a una actividad violenta. Los cambios se manifiestan tanto en variaciones de la luminosidad solar como en perturbaciones de su campo magnético; ambas suelen estar interrelacionadas: la luminosidad es máxima cuando el número de manchas solares (zonas en las que se vuelve visible el campo magnético del Sol) es máximo y mínima cuando casi no hay manchas. El máximo de actividad del Sol tienen efectos visibles -numerosas manchas solares, erupciones solares y eyecciones de masa coronal- detectables en la Tierra, las dos últimas, como tormentas solares. La actividad magnética del Sol -argüimos- aumenta y disminuye durante cada ciclo: cuando alcanza el punto de actividad máxima la polaridad del campo magnético solar se invierte, los polos norte y sur se intercambian; a continuación, la actividad comienza a disminuir hasta llegar a un mínimo, que marca el final del ciclo y el comienzo de otro.
¿Existe relación entre la actividad del Sol y el clima de la Tierra? Con independencia de la mayor o menor actividad del Sol, el valor medio de la intensidad de radiación solar que recibimos en la Tierra, mil trescientos sesenta y seis vatios cada metro cuadrado, apenas cambia; las oscilaciones producidas por el ciclo de las manchas solares no sobrepasan una unidad, que equivale a una décima por ciento, por lo que sus efectos climáticos son insignificantes. Cabe preguntarse si el Sol causa del cambio climático contemporáneo: rotundamente no. El Sol influye en el clima de la Tierra, pero no es responsable del calentamiento global que hemos detectado en las últimas décadas: es demasiado grande para deberse a la actividad solar y demasiado rápido para vincularlo a cambios en la órbita terrestre. Sin embargo, el Sol sí influye en el clima a largo plazo: no es desdeñable el efecto de algún otro ciclo solar de mayor duración -siglos- en los que la variación de intensidad es, más o menos, del mismo orden que el ciclo de once años. El Sol también influye en el clima, de forma más drástica, a muy largo plazo: la luminosidad solar aumenta un diez por ciento cada mil millones de años y el aumento de sólo el uno por ciento del brillo provocaría una subida de uno o dos grados en la temperatura media atmosférica.

Antigüedad de las membranas celulares

Si bien en términos de biomasa de la biosfera cabe indicar que las bacterias acumulan un quince por ciento frente al uno por ciento de las arqueas, ambas superadas ampliamente por las plantas; en lo que se refiere al número de seres, bacterias y arqueas superan con mucho a los demás seres vivos. En cuanto a la antigüedad, bacterias y arqueas son los seres vivos más viejos, pues ambas descienden de la primera célula viva LUCAs (añado la s al término inglés LUCA por un motivo exclusivamente eufónico). Me voy a fijar en una de sus diferencias esenciales: la membrana, estructura celular que separa la célula del medio ambiente. Las membranas de lípidos de arqueas y bacterias son una de las dicotomías más profundas de la vida. Comparemos sus diferencias: enlaces distintos (éter o éster), monocapa o doble capa de moléculas, largas moléculas de cadenas hidrocarbonadas ramificadas o sin ramificar, opuesta colocación en el espacio (zurda L o diestra D). Si tan diferentes son y ambas descienden de LUCAs, nos preguntamos qué tipo de membrana tenía LUCAs. Sabemos que las membranas monocapa, con enlaces éter y cadenas hidrocarbonadas ramificadas (de las arqueas) son muy robustas y estables en condiciones extremas, como altas temperaturas, pH extremado y acusada salinidad; las membranas basadas en ácidos grasos, de doble capa y con enlaces éster (de las bacterias) son menos resistentes en tales condiciones. Dado que se sospecha que la vida surgió en entornos extremos (quizá en las fuentes hidrotermales submarinas) colegimos que las primeras células vivas (LUCAs) debieron disponer de robustas membranas, similares a las de las arqueas y no a las de las bacterias. Bajo esta hipótesis, la transición de las membranas similares a las arqueas a las membranas similares a las bacterias (y a todas las demás células) sería una innovación evolutiva posterior, quizá como consecuencia de que el ambiente se volvió menos extremo. Esta transición parece sugerir que las arqueas son más primitivas que las bacterias y, por tanto, antecesoras suyas: no es así, otros datos sugieren que bacterias y arqueas carecen de parentesco, excepto que ambas descienden de LUCAs. Si al sabio lector no le convenció la anterior explicación, el incrédulo escritor advierte que se solidariza con él. Los biólogos manejan una hipótesis alternativa, más plausible, para el cauto escritor: LUCAs podría haber tenido una membrana celular híbrida que luego se especializó en los dos tipos de membrana que observamos hoy.

Giros planetarios

Los físicos han comprobado que el Sol contiene el noventa y nueve con ocho décimas por ciento de la masa del sistema solar y sólo retiene el dos por ciento de su momento angular. Antes de tratar de indagar las causas de tal diferencia intentemos averiguar el significado de los términos masa y momento angular. Habitualmente llamamos peso a la masa de un objeto, poco más hay que añadir sobre esta magnitud física. El significado del momento angular es más complejo pues depende tanto de la velocidad a la que gira un objeto, como de lo alejada que se encuentra la masa del objeto del eje de giro; cuanto mayores sean ambas magnitudes mayor será el momento angular que, dicho en términos vulgares, mide la cantidad de rotación del objeto. Resulta que el momento angular del sistema solar, al contrario que su masa, está concentrado en los planetas, en concreto, los cuatro gigantes externos contienen el noventa y ocho por ciento del momento angular del sistema solar, Júpiter contribuye con sesenta y Saturno, Urano y Neptuno con treinta y ocho.
Los físicos han comprobado que, de la misma manera que la masa no desaparece y se conserva, si se cumplen ciertas condiciones, la misma conservación observan con el momento angular. Cuando, bajo el efecto de la gravedad, colapsó la nube de gas y polvo que originó el sistema solar y alguna inevitable asimetría produjo rotaciones en su seno, el momento angular del Sol recién formado debería permanecer inmutable; si hubiese ocurrido así, el Sol tendría que girar más rápido: una rotación solar debería durar horas, y no veintisiete días. ¿Existe alguna observación que atestigüe esta discordancia? El giro de las estrellas jóvenes, como las estrellas T Tauri, se ralentiza. ¿A qué se debe la paradoja? Comentaré una hipótesis para explicarla: el frenado magnético. Cuando la primitiva nebulosa solar colapsó bajo la gravedad, formó un joven Sol en rápida rotación, mucho más rápido que hoy; pero el Sol primigenio poseía un fuerte campo magnético conectado a un disco protoplanetario de gas circundante. Resulta que el campo magnético transfirió el momento angular del Sol al disco, donde se formaban los planetas; el Sol perdió su momento angular en favor del disco, y de él lo heredaron los planetas exteriores que se formaron a grandes distancias. En resumen, el campo magnético actuó como un freno de la rotación solar.

Evolución celular

La transición de una arquea, hermana de las bacterias, a un ser vivo unicelular, abuelo de las células de los animales, plantas, hongos, algas y protozoos es uno de los mayores saltos evolutivos en la biosfera, proceso que lo biólogos tratan de entender. Conjeturan que no hubo un único salto, sino varias transformaciones sucesivas interconectadas.
Se sospecha que el ancestro de nuestras células fue una arquea Asgard; porque tales arqueas poseían genes cruciales para estructuras y funciones propias de nuestras células, como un citoesqueleto y una maquinaria capaz de efectuar el transporte a través de las membranas; todo ello sugiere que la arquea predecesora tenía cierta complejidad. Vamos a fijarnos en la adquisición del núcleo y de las mitocondrias, quizá la diferencia más acusada entre las células arqueales -y bacterianas- y las demás células. El proceso se inició cuando una arquea engulló a una bacteria (alfaproteobacteria) -que evolucionó a mitocondria- y no la destruyó, sino que estableció una alianza (simbiosis) con ella. Las mitocondrias proporcionarían a la célula hospedadora una fuente de energía mucho más eficiente, mediante el uso del oxígeno para la respiración; aumento de capacidad energética que resultó fundamental, porque nuestras células, mayores y más complejas, requieren un suministro energía que las células arqueales o bacterianas son incapaces de proporcionar. Simultáneamente, o como consecuencia de esta capacidad energética aumentada y de la necesidad de gestionar un genoma creciente (debido a la transferencia de los genes de la mitocondria a la arquea hospedadora), se formó el núcleo. ¿Cómo? Se postula que la propia membrana de la arquea formó una bolsa (invaginó), rodeó su genoma y constituyó la envoltura nuclear; la compartimentalización protegió al ADN del estrés oxidativo generado por las mitocondrias. El citoesqueleto y la maquinaria de las membranas, presentes en la arquea, habrían facilitado el proceso de reorganización intracelular. El hallazgo reciente de estructuras similares a los nucleolos (donde se fabrica una variedad de ARN a partir del ADN) en algunas arqueas refuerza la validez de esta teoría.
Actualmente los bioquímicos consideran inviable tanto una arquea con núcleo y sin mitocondrias como una arquea con mitocondrias y sin núcleo; la primera porque no dispondría de la energía necesaria para operar un núcleo; la segunda porque un genoma desprotegido sería incapaz de enfrentarse al estrés oxidativo generado por las mitocondrias. En resumen, las mitocondrias y el núcleo aparecieron como dos sucesos ligados, que se impulsaron mutuamente para formar una célula compleja, antecesora nuestra.

Un disco antes de los planetas

El Sol es una estrella enana amarilla -formada por hidrógeno y helio- de cuatro mil quinientos millones de años de edad, que está en el centro del sistema solar, a ciento cincuenta millones de kilómetros de nosotros. Se formó hace cuatro mil seiscientos millones de años en el interior de una gigantesca nube de gas y polvo. A medida que la nebulosa solar -así denominamos a la nube- colapsaba, bajo el peso de su gravedad, giraba cada vez más rápido y se aplanaba hasta convertirse en un disco -el disco protoplanetario-. El centro de la nebulosa atrajo la mayor parte del material para formar la estrella; y con el material sobrante se formaron los planetas y los otros astros del sistema solar. En resumen, el Sol joven estaba rodeado por un disco (su nombre, de acreción, es lo de menos) de gas y polvo, cuya agregación formó los planetas.
Los discos no sólo se encuentran alrededor de las estrellas jóvenes en formación, también las galaxias se han formado en discos de acreción de tamaños muy diferentes; porque el disco es una estructura común en el universo. Conozcamos la causa que origina tal estructura a partir de gigantescas nubes de gas. Casi cualquier masa de gas posee una mínima cantidad de rotación, dicho en términos técnicos tiene cierto momento angular, lo que equivale a asegurar que las inmensas nebulosas que colapsan giran al principio, aunque muy lentamente. El gas en rotación mantiene un delicado equilibrio que se puede romper debido a la onda de presión de una explosión supernova o a que alcanza una cantidad de materia crítica; cuando, debido a la inestabilidad, la gigantesca nube de gas se comprime, por efecto de la gravedad, experimenta cambios; gira más deprisa (para conservar inmutable el momento angular). El gas suprayacente y subyacente al plano ecuatorial de la nube (perpendicular a su eje de rotación) cae a velocidad creciente, mientras que el gas contenido en el plano ecuatorial de la nube se desplaza hacia el interior más despacio, porque la fuerza centrífuga debida a la rotación contrarresta la gravedad. Esta asimetría, cada vez más acusada, acaba por formar el disco. Con el paso del tiempo toda la materia de la nube habrá caído hacia el plano ecuatorial, donde permanecerá el gas; la rotación habrá contrarrestado a la gravedad. En resumen, las acciones combinadas de la rotación y gravedad generan el disco.