Tema 70

Este tema articula tres grandes ideas que vertebran las Ciencias de la Tierra y de la Vida: que nuestro planeta es un sistema dinámico en permanente transformación, que las rocas y los fósiles conservan el registro de esa historia, y que la vida ha cambiado a lo largo de un tiempo geológico inmenso a través del proceso de la evolución. Se trata, por tanto, de un tema integrador y marcadamente conceptual, en el que la cronología —relativa y absoluta— actúa como hilo conductor entre la geología, la paleontología y la biología evolutiva.

Su relevancia es doble. Desde el punto de vista científico, la noción de un planeta y una biosfera cambiantes en escalas de millones de años constituye uno de los grandes logros del pensamiento moderno y el marco explicativo de toda la biología. Desde el punto de vista didáctico, es un contenido especialmente rico para trabajar la naturaleza de la ciencia: cómo las ideas fijistas fueron sustituidas por explicaciones dinámicas y evolutivas a la luz de nuevas pruebas. El tema se aborda de forma progresiva a lo largo de la ESO y del Bachillerato en la materia de Biología y Geología.

1. La Tierra, un planeta en continuo cambio

La Tierra no es un cuerpo estático: su superficie y su interior se transforman de manera continua por la acción de procesos geológicos que operan a ritmos muy distintos, desde la lentitud de la orogénesis hasta la brusquedad de un terremoto o una erupción. Estos procesos se agrupan en dos grandes categorías según su fuente de energía.

• Procesos geológicos internos (energía interna: calor residual de la formación planetaria y desintegración radiactiva). Comprenden el magmatismo, el metamorfismo y la tectónica (deformación, plegamiento, fracturación y formación de relieve). Tienden a construir relieve.
• Procesos geológicos externos (energía solar y gravedad). Comprenden la meteorización, la erosión, el transporte y la sedimentación llevados a cabo por los agentes geológicos externos (agua, viento, hielo, seres vivos). Tienden a arrasar el relieve.

La interacción entre ambos se sintetiza en el ciclo de las rocas, que describe cómo los materiales pasan de un tipo a otro: las rocas se meteorizan y sus productos se sedimentan y compactan (rocas sedimentarias); el enterramiento y el aumento de presión y temperatura las transforman (rocas metamórficas); la fusión genera magma que, al enfriarse, cristaliza (rocas ígneas o magmáticas). El ciclo carece de principio y fin: es una circulación continua de materia impulsada por la energía interna y externa.

La tectónica de placas

El marco unificador de la dinámica terrestre es la teoría de la tectónica de placas. Su antecedente es la hipótesis de la deriva continental propuesta por Alfred Wegener (1912), quien reunió pruebas geográficas (encaje de las costas atlánticas), paleontológicas (fósiles idénticos —como Mesosaurus— en continentes hoy separados), litológicas y paleoclimáticas para postular un supercontinente único, Pangea, fragmentado y desplazado. Wegener no supo, sin embargo, explicar el mecanismo, y su idea fue rechazada durante décadas.

A mediados del siglo XX, el descubrimiento de la expansión del fondo oceánico (Hess, Dietz) y de las anomalías magnéticas simétricas a las dorsales (Vine y Matthews) aportó ese mecanismo. La litosfera está fragmentada en placas rígidas que se desplazan sobre la astenosfera; en las dorsales se crea corteza nueva y en las zonas de subducción se destruye, impulsadas por corrientes de convección del manto. Los bordes de placa pueden ser divergentes (dorsales), convergentes (subducción, colisión y orogénesis) o transformantes (fallas de desplazamiento lateral), y en ellos se concentran la actividad sísmica y volcánica.

El principio del actualismo

La interpretación de todos estos cambios se apoya en un principio metodológico fundamental, el actualismo o uniformismo, formulado por James Hutton y divulgado por Charles Lyell: «el presente es la clave del pasado». Los procesos geológicos que observamos hoy son los mismos que actuaron en el pasado, de modo que estudiando su ritmo actual podemos reconstruir la historia de la Tierra. Este principio, junto con la enorme extensión del tiempo geológico, resultó decisivo para el propio Darwin.

2. Los fósiles como indicadores

Un fósil es todo resto o señal de la actividad de un organismo del pasado conservado en las rocas, generalmente sedimentarias. La disciplina que los estudia es la paleontología, y la ciencia de su formación, la tafonomía. La fosilización es un proceso excepcional: exige el enterramiento rápido del resto en condiciones que impidan su descomposición, por lo que el registro fósil es necesariamente incompleto y sesgado hacia organismos con partes duras.

Los principales procesos de fosilización son:

• Mineralización o petrificación: los poros o los tejidos se rellenan o sustituyen por minerales (permineralización, silicificación).
• Moldes y contramoldes: el organismo se disuelve y deja una impronta (molde externo o interno) que puede rellenarse.
• Carbonización: la materia orgánica pierde volátiles y queda como una fina película de carbono (frecuente en hojas y peces).
• Conservación íntegra: casos excepcionales en ámbar, hielo o turberas.
• Icnofósiles o fósiles de actividad: huellas, pistas, galerías, coprolitos, que informan del comportamiento del organismo.

Desde el punto de vista de su utilidad como indicadores, se distinguen dos tipos con aplicaciones complementarias:

• Fósiles guía o directores. Corresponden a especies de amplia distribución geográfica, abundantes y de existencia breve en el tiempo (evolución rápida). Su valor reside en que permiten datar y correlacionar estratos de regiones distintas: son la base de la bioestratigrafía. Ejemplos clásicos son los trilobites (Paleozoico), los ammonites (Mesozoico) o los nummulites (Cenozoico).
• Fósiles de facies. Corresponden a organismos muy ligados a un ambiente concreto; su presencia informa de las condiciones del medio de sedimentación (marino somero, arrecifal, continental…). Son indicadores paleoambientales, paleoclimáticos y paleogeográficos.

Así, los fósiles no solo prueban la existencia de vida pretérita, sino que sirven para ordenar el tiempo (datación relativa), reconstruir antiguos ecosistemas y climas, y —como pruebas de la evolución— documentar el cambio de los seres vivos.

3. El tiempo geológico

Medir el tiempo geológico —del orden de miles de millones de años— exige distinguir entre datación relativa (ordenar sucesos) y datación absoluta (asignar una edad numérica).

Datación relativa

Establece el orden cronológico de los estratos y estructuras sin cuantificar su edad, mediante una serie de principios estratigráficos:

• Superposición (Steno): en una serie no deformada, cada estrato es más reciente que el que tiene debajo y más antiguo que el que tiene encima.
• Horizontalidad original: los sedimentos se depositan en capas horizontales; si aparecen inclinados o plegados, sufrieron deformación posterior.
• Continuidad lateral: un estrato se extiende lateralmente hasta acuñarse o topar con un obstáculo.
• Superposición de acontecimientos (relaciones de corte): toda estructura que corta a otra (una falla, un dique) es posterior a ella.
• Sucesión faunística (William Smith): los estratos contienen conjuntos de fósiles característicos que se suceden en un orden determinado y reconocible, lo que permite correlacionar series distantes mediante los fósiles guía.

Datación absoluta

Se basa sobre todo en la radiactividad. Un isótopo radiactivo (padre) se desintegra en otro estable (hijo) a una velocidad constante e independiente de las condiciones físico-químicas, descrita por la ley de desintegración:

donde $N_0$ es el número inicial de núcleos padre, $N(t)$ el número que queda tras un tiempo $t$ y $\lambda$ la constante de desintegración. El periodo de semidesintegración (tiempo en que se desintegra la mitad de los núcleos) es:

Midiendo en la roca la proporción entre isótopo padre ($P$) e hijo ($D$) acumulado, se despeja la edad:

Cada par isótopo/producto tiene un rango de aplicación según su $t_{1/2}$:

• Uranio–plomo, ${}^{238}_{92}\mathrm{U} \longrightarrow {}^{206}_{82}\mathrm{Pb}$ ($t_{1/2}\approx 4{,}5\cdot 10^{9}$ años): rocas muy antiguas.
• Potasio–argón, ${}^{40}_{19}\mathrm{K} \longrightarrow {}^{40}_{18}\mathrm{Ar}$ ($t_{1/2}\approx 1{,}3\cdot 10^{9}$ años): rocas volcánicas.
• Carbono-14, ${}^{14}_{6}\mathrm{C} \longrightarrow {}^{14}_{7}\mathrm{N} + \beta^-$ ($t_{1/2}\approx 5730$ años): materia orgánica reciente, hasta unos 50 000 años.

Combinando datación relativa y absoluta se ha construido la escala de tiempos geológicos, que divide la historia de la Tierra en unidades jerárquicas —eones, eras, periodos, épocas— cuyos límites suelen coincidir con grandes cambios en el registro fósil (extinciones, radiaciones). La Tierra tiene una edad de unos 4600 millones de años (Ma). Se distinguen el largo Precámbrico (eones Hádico, Arcaico y Proterozoico), que abarca casi el 88 % de la historia terrestre, y el Fanerozoico (vida «visible»), subdividido en las eras Paleozoica, Mesozoica y Cenozoica. La aparición de los primeros metazoos con partes duras (~541 Ma) marca el inicio del Paleozoico; grandes extinciones masivas delimitan sus eras (la del final del Pérmico y la del final del Cretácico, esta última asociada a la desaparición de los dinosaurios no avianos).

4. Explicaciones históricas al problema de los cambios

La constatación de que las rocas y los fósiles registran cambios planteó un problema teórico: ¿cómo explicar esas transformaciones? La respuesta osciló entre dos concepciones opuestas.

El fijismo sostenía que la Tierra y las especies eran esencialmente inmutables desde su origen. En geología adoptó la forma del catastrofismo, cuyo máximo exponente fue Georges Cuvier: los cambios del registro fósil se debían a una sucesión de catástrofes bruscas (diluvios, cataclismos) que aniquilaban las faunas, repobladas después. Cuvier, fundador de la anatomía comparada y de la paleontología, demostró la realidad de las extinciones, pero negó la transformación de las especies.

Frente a él se afianzó el actualismo-gradualismo de Hutton y Lyell: los cambios resultan de la acción lenta, continua y acumulativa de los procesos geológicos ordinarios a lo largo de un tiempo inmenso. Esta visión, que exigía una Tierra muchísimo más antigua de lo que se creía, disolvió la necesidad de catástrofes y proporcionó a la biología el marco temporal imprescindible para pensar la evolución.

En biología, la primera teoría transformista coherente fue la de Jean-Baptiste Lamarck (1809), que rompió con el fijismo al afirmar que las especies cambian y descienden unas de otras. La síntesis de gradualismo geológico y transformismo biológico culminaría en la teoría de la selección natural de Charles Darwin y Alfred Russel Wallace (1858-1859). Hoy sabemos que la realidad combina ambos tempos: el cambio gradual predomina, pero episodios catastróficos (como el impacto meteorítico del final del Cretácico) también han modelado la historia de la vida.

5. La evolución, mecanismos y pruebas

La evolución biológica es el proceso de cambio en las características heredables de las poblaciones a lo largo de las generaciones, del que resulta la diversidad y el parentesco de todos los seres vivos a partir de antepasados comunes. Es el principio unificador de la biología.

Del transformismo a la teoría sintética

• Lamarckismo. Lamarck propuso dos mecanismos: la función crea el órgano (uso y desuso: los órganos usados se desarrollan y los no usados se atrofian) y la herencia de los caracteres adquiridos (lo adquirido en vida se transmite a la descendencia). Aunque el mecanismo es erróneo —los caracteres adquiridos no se heredan—, tuvo el mérito histórico de defender la transformación de las especies.
• Darwinismo. Darwin y Wallace explicaron la evolución por selección natural: dentro de una población existe variabilidad heredable; se producen más descendientes de los que el medio puede sostener (lucha por la existencia); los individuos con variaciones ventajosas sobreviven y se reproducen más (supervivencia del más apto), de modo que esas variaciones se hacen más frecuentes. La selección natural es, pues, reproducción diferencial no aleatoria. Darwin desconocía el origen y la transmisión de la variabilidad.
• Teoría sintética o neodarwinismo. En el siglo XX, la fusión del darwinismo con la genética mendeliana y la genética de poblaciones (Fisher, Haldane, Wright, Dobzhansky, Mayr, Huxley) resolvió ese problema: la variabilidad procede de las mutaciones y la recombinación, y la selección actúa sobre las frecuencias génicas.

Mecanismos del cambio evolutivo

El objeto de estudio es la población, definida por su acervo genético. Los factores que alteran las frecuencias alélicas son:

• Mutación: fuente primaria de nueva variabilidad.
• Recombinación genética (reproducción sexual): redistribuye la variabilidad existente.
• Selección natural: dirige el cambio favoreciendo los genotipos más aptos.
• Deriva genética: variación aleatoria de frecuencias en poblaciones pequeñas.
• Migración o flujo génico: entrada y salida de alelos entre poblaciones.

El modelo de referencia es el equilibrio de Hardy-Weinberg, que describe una población ideal donde las frecuencias alélicas y genotípicas permanecen constantes en ausencia de los factores anteriores. Si $p$ y $q$ son las frecuencias de dos alelos, con

las frecuencias de los tres genotipos vienen dadas por el desarrollo del cuadrado:

Toda desviación observada respecto de este equilibrio revela que algún mecanismo evolutivo está actuando: el modelo funciona como «hipótesis nula» de la evolución. La acumulación de estos cambios, junto con el aislamiento reproductivo (especiación alopátrica o simpátrica), da origen a nuevas especies.

Pruebas de la evolución

La evidencia procede de campos independientes que convergen:

• Paleontológicas. El registro fósil muestra sucesión y aparición gradual de formas, y formas de transición (como Archaeopteryx, entre reptiles y aves, o las series de la evolución del caballo y de los homínidos).
• Anatómicas comparadas. Los órganos homólogos (mismo origen, distinta función; p. ej. la extremidad de los tetrápodos) revelan divergencia a partir de un antepasado común; los órganos análogos (misma función, distinto origen; ala de insecto y de ave) revelan convergencia adaptativa. Los órganos vestigiales (apéndice, cóccix) son restos sin función de estructuras ancestrales.
• Embriológicas. El desarrollo embrionario conserva rasgos comunes entre grupos emparentados (arcos branquiales en embriones de vertebrados terrestres).
• Biogeográficas. La distribución de las especies se explica por su historia evolutiva y la deriva de los continentes (fauna singular de islas y de regiones aisladas como Australia).
• Bioquímicas y moleculares. La universalidad del código genético, y la comparación de secuencias de ADN y proteínas, permiten cuantificar el parentesco: cuanto mayor es la semejanza molecular, más próximo el antepasado común. Son hoy las pruebas más contundentes.

Aportaciones recientes

La teoría sintética se ha ampliado con la teoría neutralista de Kimura (gran parte de la variación molecular es selectivamente neutra y se fija por deriva), el equilibrio puntuado de Gould y Eldredge (largos periodos de estasis interrumpidos por episodios rápidos de cambio) y la biología evolutiva del desarrollo (evo-devo), que estudia cómo cambios en los genes reguladores del desarrollo generan novedades morfológicas.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE, estos contenidos corresponden a la materia de Biología y Geología, regulada en la ESO por el Real Decreto 217/2022 y en Bachillerato por el Real Decreto 243/2022. La geología dinámica y la tectónica de placas se trabajan sobre todo en 3.º y 4.º de ESO; el tiempo geológico, los fósiles y la evolución alcanzan su desarrollo formal en 4.º de ESO y se profundizan en 1.º de Bachillerato. Son contenidos idóneos para desarrollar la competencia STEM y la competencia en la naturaleza de la ciencia, planteando situaciones de aprendizaje en torno a la interpretación de columnas estratigráficas, la correlación mediante fósiles guía o el análisis de árboles filogenéticos.

Conviene anticipar las ideas previas y errores frecuentes, especialmente en evolución: pensar de forma lamarckista (el organismo se transforma «porque lo necesita» o «por el esfuerzo»); creer que los individuos evolúan (evoluciona la población, no el individuo); interpretar la evolución como progreso dirigido hacia el ser humano o hacia la «perfección» (es un proceso sin finalidad); confundir homología y analogía; o el uso coloquial de «teoría» como sinónimo de conjetura, cuando en ciencia designa un marco explicativo sólidamente contrastado. En geología son habituales la infravaloración de las escalas de tiempo (dificultad para concebir millones de años) y la confusión entre datación relativa y absoluta. El trabajo con modelos, fósiles reales o réplicas, simulaciones de selección natural y la interpretación de gráficas y cortes geológicos resulta muy eficaz para corregir estas concepciones alternativas.

Conclusión

La Tierra es un sistema dinámico cuya historia —escrita en las rocas y los fósiles— solo puede leerse con las claves del tiempo geológico y del principio del actualismo. El paso de las explicaciones fijistas y catastrofistas a las dinámicas y evolutivas constituye uno de los grandes cambios de paradigma de la ciencia, culminado en la teoría de la evolución por selección natural y su posterior integración con la genética en la teoría sintética. Los fósiles articulan los tres ejes del tema: son cronómetros del pasado, testigos de antiguos ambientes y pruebas del cambio de la vida. Comprender que un mismo hilo —el tiempo— enlaza la dinámica del planeta y la de la biosfera es la síntesis que este tema aporta a la formación científica del alumnado.