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Cmo fue la tierra primitiva

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  • 1. ¿Cómo fue la Tierra primitiva?<br />Desde sus orígenes hasta el surgimiento de la vida unicelular en nuestro planeta<br />Formación de la Tierra por acreción<br />Recordemos que la fuerza de gravedad es una fuerza de atracción directamente proporcional a la magnitud de las masas, pero inversamente proporcional a la distancia entre ellas. Es el origen de nuestra experiencia de pesantez y de que las cosas caigan al suelo, entre tantos otros efectos de esta fuerza de la naturaleza. También recordemos que acreción es el crecimiento de un cuerpo por adición de partículas desde el exterior. Así, por acción de la fuerza de gravedad la Tierra se fue formando e incrementando su masa, al tiempo que atraía hacia sí la masa (materia) que la circundaba. La Tierra se formó entonces por acreción o agregación de la materia circundante cuando se estaba formando el Sistema Solar Planetario. <br />La violencia de estos impactos que fueron formando a los planetas -y a la Tierra- apenas la podemos imaginar. Se precipitaban sobre la superficie de la naciente Tierra objetos de todos tamaños; desde pequeños como rocas hasta decenas de kilómetros de diámetro y mucho más (a veces varios cientos de kilómetros). A los objetos de un kilómetro y más de diámetro se les suele llamar 'planetesimales'.<br />La cantidad de energía depositada en la Tierra a causa de estos impactos fue enorme. La energía de un objeto en movimiento se llama energía cinética (EC) y depende de su masa (m) y su velocidad (v) (la ecuación que la cuantifica tiene la forma EC = (1/2) mv2). Después de chocar con la Tierra, el objeto simplemente perdía su energía de movimiento, pero por la ley de la conservación de la energía (cuyo nombre formal es " primera ley de la termodinámica" ) la energía cinética se convertía toda en energía calorífica (calor), que finalmente elevaba la temperatura. Se puede calcular, por ejemplo, que un planetesimal de 5 km de diámetro que hubo golpeado la superficie de la Tierra a una velocidad de 30 km/s liberó una cantidad de energía equivalente a 300 millones de bombas atómicas como la que se arrojó en Hiroshima al finalizar la Segunda Guerra Mundial. <br />Figura 1. Dibujo de un posible panorama de la Tierra primitiva cuando estuvo semifundida.<br />Existieron otros mecanismos productores de calor, como la radiactividad a partir de diversos elementos químicos. Todo ello hace suponer que la Tierra primitiva se encontró en un estado semifundido, con océanos de magma (véase la figura 1), en donde las rocas y los metales podían fluir como líquidos viscosos. Esta circunstancia hizo posible que se realizara por sí solo un fraccionamiento de la materia que componía la Tierra por orden de densidades. Es decir, por la movilidad del estado líquido, los materiales más densos fluyeron al fondo y los menos densos fueron desplazados a capas superiores. Se piensa que de esta manera la mayor parte del hierro que constituye la Tierra -el 35% de la masa de la Tierra se debe al hierro- se fue al fondo. Este hundimiento gigantesco generó aún más calor, elevando la temperatura promedio de la Tierra a alrededor de 6000 ˚C.<br />Entre paréntesis, podemos decir que este hundimiento devastador del hierro generó un aumento en la velocidad de rotación de la Tierra -por efecto de la misma ley de la física que ocasiona que una bailarina sobre hielo aumente su velocidad de giro al replegar sus brazos hacia su cuerpo-. Como consecuencia, el día se hizo mucho más corto; quizá de 8 horas (aproximadamente 4 horas con luz y otras 4 de noche). Ha sido por efecto de distintas clases de fricciones que gradualmente la velocidad de giro de la Tierra se ha hecho más lento, hasta los actuales días de 24 horas (e inexorablemente se seguirá haciendo más lento su giro al cabo de millones de años).<br />Como resultado de estos fenómenos, el núcleo de la Tierra quedó constituido con el material más denso en ella: algo de níquel y hierro sólidos. Por encima de este núcleo se acomodó una capa de hierro líquido y luego el manto, que hoy en día también se encuentra en estado líquido. La capa más superior es la litosfera, que comparativamente a las anteriores es la menos densa. Así, la materia se fraccionó por orden de densidades y la Tierra adoptó una estructura en capas concéntricas (figura 2). De no haber alcanzado la Tierra primitiva un estado semifundido, no conoceríamos su estructura en capas concéntricas y las rocas y metales sólidos que la formaban hubieran quedado dispersos al azar en toda la extensión de su volumen, como en un gran mosaico heterogéneo.<br />Al cabo de 10 millones de años (apenas el 0.2% de la edad de la Tierra) nuestro planeta había alcanzado casi su tamaño final, aunque durante los siguientes 100 millones de años continuó recibiendo sobre su superficie el impacto de planetesimales de gran talla, con su carga acompañante de materia y de energía. <br />En esa época de cataclismos gigantescos que caracterizó la formación de nuestro planeta, posiblemente nuestro cielo fue de color negro, como el que percibieron los astronautas norteamericanos cuando estuvieron sobre la superficie de la Luna, y que muchos pudimos ver por la televisión. La Luna tiene ese color de cielo porque no tiene suficiente masa -y, en consecuencia, suficiente fuerza de gravedad- para retener una atmósfera gaseosa. La Luna simplemente no tiene atmósfera (tampoco magnetosfera). De manera análoga, pero debido a las altas temperaturas de la Tierra primitiva, la incipiente atmósfera salía expulsada hacia el espacio interplanetario, con lo cual quedaba desprovista de atmósfera y, en consecuencia, lucía un cielo negro, aun a plena luz de aquellos días. (Esa sería una sensación curiosa. Imagine que está dentro de un recinto que no permite ver el cielo, pero sí puede apreciar la luz del día. Usted sale de ese lugar y mira hacia arriba, ¡y el cielo es negro!).<br />Formación de la magnetosfera<br />La estructura en capas concéntricas que adquirió la Tierra primitiva tuvo una repercusión esencial para el origen de la vida. En efecto, se sabe que el movimiento del hierro líquido en el núcleo de la Tierra (figura 2) genera un gigantesco campo magnético a escala planetaria. De la misma manera que una pieza de hierro imantada genera un campo magnético a su alrededor, la Tierra, como si fuera un enorme imán, genera un campo magnético de dimensiones planetarias, en donde el norte del imán casi coincide con el Norte geográfico (que sería el punto donde pasa el eje imaginario del movimiento de rotación de la Tierra) y, por ende, algo semejante sucede con el sur del imán. <br />Esta circunstancia es muy propicia para enfrentar un fenómeno astronómico originado en el Sol que por sí solo sería fatal para el surgimiento de la vida. Sucede que todos los planetas del Sistema Solar Planetario están expuestos al viento solar, y con mayor intensidad los más cercanos al Sol, como es el caso de la Tierra, que ocupa la tercera órbita. El viento solar se origina en nuestro Sol -y en todas las estrellas- a raíz de las turbulencias y reacciones nucleares de fusión que suceden en el núcleo de las estrellas, lo que a la vez origina eyecciones de materia (protones, electrones y núcleos de helio) a gran velocidad hacia el espacio interplanetario. Se sabe que la acción del viento solar sobre la atmósfera de un planeta como la Tierra sería la de colisionar con ella, logrando expulsarla al espacio interplanetario. Es como si chocaran bolas de billar a gran velocidad -el viento solar- con otras que se encuentran con un movimiento mucho más lento comparativamente -las moléculas de nuestra atmósfera-. Así, el viento solar por sí solo sería capaz de eliminar la atmósfera de la Tierra, lo cual hubiera impedido el surgimiento de la vida en la Tierra, entre otras razones, porque todos los seres vivos que conocemos interactúan en algún momento con sustancias gaseosas (por ejemplo, los animales terrestres respiran).<br />Así, la presencia del campo magnético de la Tierra (conocido como magnetosfera) impide que el viento solar elimine la atmósfera de la Tierra actual -y de la primitiva-. Esto sucede porque es un hecho comprobado de la física que un campo magnético interactúa con cargas eléctricas en movimiento. Esto es muy afortunado para el origen de la vida en la Tierra, porque entonces interactúan la magnetosfera y el viento solar (que son cargas en movimiento), dando por resultado una desviación o confinamiento del viento solar, lo cual evita que choque contra las moléculas que constituyen nuestra atmósfera, preservándola así (figura 3). En síntesis, si no se hubiera formado la magnetosfera, no habría vida sobre la Tierra y el color del cielo apreciado desde su superficie sería negro. Se estima que el núcleo de la Tierra primitiva se terminó de formar al cabo de 200 millones de años (que representa el 4.3% de la edad de la Tierra), por lo que podríamos suponer que en ese término nuestra atmósfera comenzó a formarse y con ello el cielo paulatinamente dejó de tener un color negro.<br />Figura 3. La magnetosfera de la Tierra en interacción con el viento solar.<br />Existen otros planetas como Marte, que tienen magnetosfera pero no es de suficiente intensidad. La parte principal de su campo magnético cae dentro del volumen sólido de Marte. Sobre su superficie la intensidad de su campo magnético es débil y no es suficiente para desviar al viento solar, lo cual influye para hacer tenue la atmósfera de Marte. <br />Analizaremos entonces cómo se formó la atmósfera de la Tierra primitiva. Mientras tanto, no olvidemos que nuestro planeta primigenio siguió expuesto a los impactos catastróficos de planetesimales.<br />Formación de la atmósfera<br />Los gases más abundantes que formaron parte de nuestro Sistema Solar Planetario fueron el hidrógeno y el helio. Estos gases no persistieron y no llegaron a constituir una atmósfera para la Tierra porque son los más ligeros y la masa de la Tierra -ni siquiera la masa actual- no es lo suficientemente grande como para poder retenerlos; simplemente se fueron escapando hacia el espacio. La historia es muy diferente para los planetas gigantes, como Júpiter o Saturno, que dada su gran masa han retenido hasta nuestros días al hidrógeno y al helio en la abundancia que, se calcula, tuvo el Universo cuando nuestro Sistema Solar se estaba formando. <br />La acumulación de una capa gaseosa que constituiría nuestra atmósfera primitiva se fue formando en el intervalo de 200 a 300 millones de años después del origen de la Tierra. Antes de eso no podía existir una atmósfera por varios motivos:<br />1. La Tierra no tenía suficiente fuerza de gravedad para retener a las moléculas de la atmósfera.<br />2. La Tierra estaba muy caliente, lo que facilitaba el desprendimiento de los gases ligeros.<br />3. El viento solar incidió en ella hasta que se formó la magnetosfera.<br />Así, durante un lento proceso que ocupó un 2% de la edad de la Tierra (100 millones de años), la atmósfera fue tomando forma y al término de un 6.6% de la edad de la Tierra (300 millones de años) su atmósfera quedó constituida.<br />Se piensa que el origen de la atmósfera fue a partir de los gases que estaban ocluidos en el interior de la Tierra primigenia. Dada su elevada temperatura, de nuestro planeta emanaban gases desde su interior. A este proceso se le conoce como degasificación. Otro proceso que contribuyó en menor proporción (aún indeterminada) a la formación de la atmósfera primitiva fue la caída de cometas, fenómeno al cual nos referiremos más adelante.<br />Aunque todavía se investiga cuál pudo ser la composición química de la atmósfera primitiva, se tiene suficiente confianza para suponer que contuvo gases más pesados que el hidrógeno y el helio, tales como vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y nitrógeno (N2), además de otros en mucho menor cantidad [dióxido de azufre (SO2), sulfuro de hidrógeno (H2S), amoníaco (NH3) y oxígeno (O2), este último proveniente de la fotólisis del H2O y del CO2, es decir, proveniente de la descomposición de estos dos gases por medio de la luz (fotólisis) que llegaba del Sol]. La cantidad de CO2 en la atmósfera primitiva fue muy superior a la que contiene la atmósfera contemporánea. Debido a las altas temperaturas que prevalecían, algunos minerales como las calcitas se descomponían en CO2 y CO. Se piensa que la cantidad de CO2 en la atmósfera primitiva fue entre 100 y 1000 veces superior a la actual.<br />Figura 4. Vista posible de la Tierra primitiva después de haberse formado la primera corteza sólida, esto es, hace poco más de 600 millones de años.<br />Claramente, la temperatura de la Tierra era muy elevada para alojar agua líquida, todo estaba como vapor. El oxígeno no formaba parte de la atmósfera -a excepción del muy escaso oxígeno formado por fotólisis-. El oxígeno fue un producto tardío y netamente de origen biológico en cuanto a su producción masiva.<br />La Tierra posiblemente estuvo envuelta en una densa masa de vapor de agua, principalmente, la cual reflejaba un color rojizo proveniente de la lava abundante en aquellos tiempos. No podríamos hablar propiamente de una coloración del cielo, no existió un día claro en aquella época. Esa Tierra, por supuesto, era estéril y sujeta todavía a un intenso bombardeo de asteroides y cometas de todos tamaños, desde algunas decenas de metros hasta varias decenas de kilómetros, ¡algunos tan grandes como una montaña!<br />Formación de la primera corteza sólida<br />La evidencia actual señala que la primera corteza sólida de la Tierra se formó después de 600 millones de años. Es decir, después de haber transcurrido un 13% de la edad de la Tierra. La actividad geológica de la Tierra primigenia fue intensa, con numerosos volcanes en actividad y fuentes de aguas termales (figura 4). En los días claros, posiblemente predominaba un cielo azul porque ya contenía una atmósfera estable (sin oxígeno); localmente podría tornarse rojiza u os-cura, debido a su exuberante actividad volcánica propia de un planeta con altas temperaturas en su interior, además de la actividad volcánica inducida por la caída de meteoritos y cometas de gran talla.<br />Intenso bombardeo planetario<br />Es importante considerar algunos aspectos sobre el intenso bombardeo que experimentó la Tierra (al igual que los demás planetas rocosos) después de haberse formado. Su importancia reside en que tuvieron una marcada influencia sobre el origen de la vida en la Tierra.<br />Los estudios planetarios han revelado que los planetas rocosos estuvieron sujetos a un bombardeo masivo durante los primeros 500-700 millones de años. Los cuerpos impactantes fueron meteoritos y cometas. Los primeros de una constitución rocosa y/o metálica, y los segundos compuestos de hielos -principalmente de agua, aunque también acompañados en muy pequeñas cantidades de hielos de CO2 y de NH3- y polvo de origen rocoso. <br />La cantidad de energía que podían depositar tales objetos al chocar con la Tierra era verdaderamente de consideración, al extremo de poder elevar globalmente la temperatura superficial del planeta. A mayor masa y velocidad del bólido al colisionar con la Tierra, mayor era el incremento de la temperatura. Por ejemplo, se ha calculado que el impacto de un objeto tan grande como 500 km de diámetro sería capaz de formar transitoriamente una atmósfera espesa de vapor de roca y liberar tal cantidad de energía que llegaría a esterilizar la superficie de la Tierra primitiva. Y en el caso de contener océanos, los pondría en ebullición por completo. Un desastre de esta magnitud se prolongaría por miles de años, tiempo que duraría la precipitación de toda el agua vaporizada. Esterilizar la Tierra significa que globalmente la elevación de la temperatura sería de más de 110 ˚C, suficiente para aniquilar cualquier forma de vida que hubiera podido surgir sobre esa Tierra inhóspita. En caso de una colisión con un planetesimal de 50-60 km de diámetro, solamente los organismos unicelulares más resistentes al calor podrían sobrevivir. Estos microorganismos se conocen como hipertermófilos, los cuales viven óptimamente en agua a 80-110 ˚C. Posiblemente el número de colisiones gigantescas de este tipo que ocurrieron durante los primeros 500-700 millones de años no excedió de 12.<br />La era de bombardeo intenso culminó hace 4000 a 3800 millones de años con un periodo de fuerte bombardeo por planetesimales residuales de 10-100 km de diámetro. Luego, el bombardeo decreció gradualmente durante 400 millones de años hasta hace 3500 millones de años. De esa época hasta el presente la frecuencia del bombardeo de planetesimales se ha mantenido constante. Por ejemplo, la frecuencia actual estimada para la caída de un cuerpo de 10 km de diámetro es de una vez cada 100 millones de años. Si creemos a esos números, la Tierra no recibirá un planetesimal de esa talla en aproximadamente 35 millones de años, puesto que hace 65 millones cayó en la Tierra un cuerpo aproximadamente de ese tamaño, justamente en la Península de Yucatán, en un lugar conocido como Chicxulub. A este fenómeno se le ha atribuido la extinción de un gran número de especies, entre ellas la de los dinosaurios.<br />Figura 5. En esta fotografía se muestran estromatolitos contemporáneos semejantes a los primigenios. A la derecha aparecen microfósiles asociados a la primera vida unicelular identificada en la Tierra en los estromatolitos.<br />La frecuencia de caída de objetos varía según la talla. Una colisión con un meteorito de menor dimensión ocurre con mayor frecuencia. Así, el impacto de un bólido de aproximadamente 60 m de diámetro ocurre aproximadamente una o dos veces cada mil años. Estos números no nos deben quitar el sueño. Se estima que la Tierra no recibirá cuerpos mayores de 1 km por algunos siglos. <br />El conocimiento de estos acontecimientos es de la mayor relevancia para el estudio del origen de la vida, puesto que nos está señalando que aunque la vida haya podido desarrollarse tempranamente, sería aniquilada por completo a la llegada de tales planetesimales. para recomenzar de nuevo.<br />Formación de los océanos<br />Se tiene evidencia de que los océanos estuvieron presentes desde hace 4400 a 4000 millones de años (entre un 3.7% y 12% del tiempo de la edad de la Tierra). Es decir, uno de los límites de este intervalo coincide aproximadamente con la época de la formación de la primera corteza sólida del planeta. Posiblemente el agua se acomodó en varios océanos aislados, debido a la formación de hondonadas y cuencas por el intenso bombardeo. Los incipientes continentes eran muy pequeños, posiblemente apenas representaban un 8% de la superficie actual de los continentes.<br />Se tiene evidencia para pensar que el origen del agua de los océanos tuvo varios orígenes. Por una parte, durante el proceso de degasificación, el interior de la Tierra proporcionó una buena parte de vapor de agua. Otras fuentes del líquido vital fueron los mismos meteoritos y asteroides que, aunque rocosos, contienen una porción de agua que puede ser de consideración dado el gran número y tamaño de estos cuerpos. Finalmente, y parece ser la fuente de mayor importancia, fue la contribución por medio de los cometas que, como he mencionado, son enormes cuerpos formados principalmente por hielo de agua. Es objeto de investigación actual establecer el orden de importancia de estas fuentes del líquido indispensable para el surgimiento y desarrollo de la vida.<br />Evidencia indirecta del origen de la vida en la Tierra<br />Llegamos a la parte final de este relato. Ha sido una sorpresa para los investigadores de esta rama de la ciencia comprobar que la vida se instaló muy pronto en la Tierra, claro está, en términos geológicos. Parece ser que apenas terminada la época del intenso bombardeo, o quizá coexistiendo con él, surge la vida. Ahora se estima -por la consideración de los impactos esterilizantes globales y de las evidencias del origen de la vida en la Tierra- que quizá la vida surgió en un periodo de pocas decenas de millones de años, lo cual es un tiempo muy reducido en comparación al que se había estimado anteriormente. No sólo eso: surge en un ambiente totalmente inhóspito, con un volcanismo intenso, abundantes aguas termales, sin oxígeno y expuesto a letales radiaciones solares.<br />La primera evidencia que señala la existencia de células vivas en la Tierra primitiva procede no de la identificación de los restos de la misma célula, sino de los productos del metabolismo de células vivas. Por eso esta evidencia es una prueba indirecta del origen de la vida en la Tierra. Estas pruebas consisten en la identificación de compuestos de carbono propios de la actividad metabólica de una célula viva, y también de ciertos compuestos minerales específicos que pueden producir determinados organismos unicelulares. La datación de estos restos permite establecer el surgimiento de la vida en la Tierra a los 700 millones después de haberse formado la Tierra, es decir, hace 3870 millones de años. En otras palabras, al cabo de un 15% del tiempo de la edad de la Tierra encontramos vestigios de actividad celular.<br />Evidencia directa del origen de la vida en la Tierra<br />Los restos más antiguos que revelan la presencia de vida en la Tierra son los de unos organismos unicelulares semejantes a las actuales cianofitas (posiblemente cianofitas primitivas), aislados a partir de estructuras calcáreas conocidas como estromatolitos (figura 5), que no son más que los restos calcáreos de la actividad microbiológica de una comunidad de organismos unicelulares (entre ellos las cianofitas). Al igual que los corales contemporáneos son los restos de la actividad biológica de una comunidad de organismos unicelulares en el mar, así los estromatolitos son los restos calcáreos de comunidades de microorganismos que se desarrollaron en aguas bajas de la Tierra primitiva. En esta ocasión contamos con evidencia directa: son restos fósiles observables de células enteras (estrictamente son microfósiles, puesto que se trata de organismos unicelulares). Estos microorganismos eran capaces de realizar la fotosíntesis, es decir, fueron capaces de utilizar a la luz solar -como fuente de energía- y al CO2 -como fuente de carbono- para impulsar su metabolismo. Al mismo tiempo, como un subproducto de su actividad vital generaron oxígeno -por primera vez a partir de medios estrictamente biológicos-, el cual comenzó a acumularse en la atmósfera de la Tierra.<br />Figura 6. Esta fotografía de estromatolitos contemporáneos bien podría representar un día típico primigenio de hace 3500 millones de años.<br />Este suceso histórico está fechado en un tiempo de hace 3500 millones de años. Es decir, surge la vida transcurridos 1070 millones de años después del origen de la Tierra, esto es, después de un 23% de tiempo de la edad de la Tierra. <br />Sobre una Tierra desolada, yerma, hostil, agresiva se levantó la vida, al principio con sus representantes más persistentes y tenaces -los organismos unicelulares-, así como aptos, quienes emprenderían una grandiosa aventura por el pasaje más extraordinario de la biología: la evolución.<br />Un mundo inhabitable <br />La Tierra primitiva que he descrito fue definitivamente inhabitable para un organismo contemporáneo -digamos para el hombre mismo-. Su existencia no excedería de algunos segundos o minutos en aquellos parajes primigenios que ahora imaginamos (figura 6). La primera causa de muerte sería la asfixia (no había oxígeno en la atmósfera primitiva para respirar). Una segunda causa de muerte -¡por supuesto, con la primera es suficiente!- sería por daños en la piel por la incidencia de la radiación ultravioleta, causante de cáncer y lesiones severas en la piel (por no haber oxígeno no había tampoco ozono (O3), gas situado en la atmósfera contemporánea en las capas altas y que sirve de barrera a la nociva luz ultravioleta proveniente del Sol). Una tercera causa de muerte sería por inanición (no habría absolutamente ninguna clase de alimento que comer, aunque posiblemente sí habría agua dulce que beber, y un cielo azul prístino con nubes blancas). Éste sería el caso si nos transportáramos a un día arcaico de, digamos, hace 3800 millones de años. Si fuéramos más lejos en el tiempo, por ejemplo, 4400 millones de años atrás, cuando la temperatura de la superficie del planeta era de varios miles de grados Celsius, nuestro cuerpo dejaría de existir en unos cuantos segundos, fatalmente se evaporaría, nos convertiríamos en un puñado de gases.<br />Perspectiva <br />La marcha de la evolución ha sido sorprendente y pasmosa. Los primeros organismos multicelulares -una alga marina- surgieron hace 850 millones de años, es decir, transcurrido 81% de tiempo de la edad de la Tierra. Los primeros animales anfibios que comenzaron a colonizar los continentes lo hicieron hace 400 millones de años, cuando hubo transcurrido 92% de tiempo de la edad de la Tierra. El hombre surgió en el último instante, prácticamente transcurrió toda la edad de la Tierra para que éste apareciera (estrictamente tomó el 99.9%). El largo caminar de la biosfera y su evolución debe contarse con más detalles, sin duda, y espero poder hacerlo en un próximo número.<br />Esta reminiscencia de lo que seguramente fueron los días primitivos me hace valorar en todo su esplendor el disfrute de un hermoso día contemporáneo, ya sea caluroso o frío o lluvioso, en un entorno amigable y no hostil; de accesibilidad a un número casi ilimitado de alimentos y de muchos otros beneficios que se derivan de vivir insertos en una biosfera extensa y compleja.<br />