Edad de la Tierra

La edad de la Tierra se estima en 4,54 ± 0,05 mil millones de años (4,54 × 10 años ± 1%). Esta edad puede representar la edad de la acumulación de la Tierra, o la formación del núcleo, o del material a partir del cual se formó la Tierra. Esta datación se basa en la evidencia de la datación por edad radiométrica del material del meteorito y es consistente con las edades radiométricas de las muestras terrestres y lunares más antiguas conocidas.

Tras el desarrollo de la datación por edad radiométrica a principios del siglo XX, las mediciones de plomo en minerales ricos en uranio mostraron que algunos tenían más de mil millones de años. Los minerales más antiguos analizados hasta la fecha, pequeños cristales de circón de Jack Hills en Australia Occidental, tienen al menos 4404 millones de años. Las inclusiones ricas en calcio y aluminio, los constituyentes sólidos más antiguos conocidos dentro de los meteoritos que se forman dentro del Sistema Solar, tienen 4567 millones de años, lo que da un límite inferior para la edad del Sistema Solar.

Se plantea la hipótesis de que la acumulación de la Tierra comenzó poco después de la formación de las inclusiones ricas en calcio y aluminio y los meteoritos. Debido a que aún no se conoce el tiempo que tomó este proceso de acreción, y las predicciones de diferentes modelos de acreción van desde unos pocos millones hasta aproximadamente 100 millones de años, la diferencia entre la edad de la Tierra y la de las rocas más antiguas es difícil de determinar. También es difícil determinar la edad exacta de las rocas más antiguas de la Tierra, expuestas en la superficie, ya que son agregados de minerales de edades posiblemente diferentes.

Desarrollo de conceptos geológicos modernos.

Cronología de la vida
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(hace millones de años)* Edades de Hielo

Los estudios de estratos, las capas de rocas y tierra, dieron a los naturalistas una apreciación de que la Tierra pudo haber pasado por muchos cambios durante su existencia. Estas capas a menudo contenían restos fosilizados de criaturas desconocidas, lo que llevó a algunos a interpretar una progresión de organismos de una capa a otra.

Nicolás Steno en el siglo XVII fue uno de los primeros naturalistas en apreciar la conexión entre los restos fósiles y los estratos. Sus observaciones lo llevaron a formular importantes conceptos estratigráficos (es decir, la "ley de superposición" y el "principio de la horizontalidad original"). En la década de 1790, William Smith planteó la hipótesis de que si dos capas de roca en lugares muy diferentes contenían fósiles similares, entonces era muy plausible que las capas tuvieran la misma edad. El sobrino y alumno de Smith, John Phillips, calculó más tarde por esos medios que la Tierra tenía unos 96 millones de años.

A mediados del siglo XVIII, el naturalista Mikhail Lomonosov sugirió que la Tierra se había creado por separado y varios cientos de miles de años antes que el resto del universo. Las ideas de Lomonosov eran en su mayoría especulativas. En 1779, el conde du Buffon intentó obtener un valor para la edad de la Tierra mediante un experimento: creó un pequeño globo que se parecía a la Tierra en composición y luego midió su velocidad de enfriamiento. Esto lo llevó a estimar que la Tierra tenía unos 75.000 años.

Otros naturalistas usaron estas hipótesis para construir una historia de la Tierra, aunque sus líneas de tiempo eran inexactas ya que no sabían cuánto tiempo les tomó establecer las capas estratigráficas. En 1830, el geólogo Charles Lyell, desarrollando ideas encontradas en los trabajos de James Hutton, popularizó el concepto de que las características de la Tierra estaban en perpetuo cambio, erosionándose y reformándose continuamente, y la tasa de este cambio era aproximadamente constante. Este fue un desafío a la visión tradicional, que veía la historia de la Tierra dominada por catástrofes intermitentes. Lyell influyó en muchos naturalistas para que se convirtieran en "uniformistas" que creían que los cambios eran constantes y uniformes.

Primeros cálculos

En 1862, el físico William Thomson, primer barón Kelvin, publicó cálculos que fijaban la edad de la Tierra entre 20 y 400 millones de años. Asumió que la Tierra se había formado como un objeto completamente fundido y determinó la cantidad de tiempo que tardaría el gradiente de temperatura cerca de la superficie en disminuir hasta su valor actual. Sus cálculos no tuvieron en cuenta el calor producido a través de la desintegración radiactiva (un proceso entonces desconocido) o, más significativamente, la convección dentro de la Tierra, lo que permite que la temperatura en el manto superior permanezca alta por mucho más tiempo, manteniendo un alto gradiente térmico en la corteza por mucho más tiempo..Aún más restrictivas fueron las estimaciones de Kelvin sobre la edad del Sol, que se basaron en estimaciones de su producción térmica y en la teoría de que el Sol obtiene su energía del colapso gravitacional; Kelvin estimó que el Sol tiene unos 20 millones de años.

Geólogos como Charles Lyell tuvieron problemas para aceptar una edad tan corta para la Tierra. Para los biólogos, incluso 100 millones de años parecían demasiado cortos para ser plausibles. En la teoría de la evolución de Charles Darwin, el proceso de variación aleatoria hereditaria con selección acumulativa requiere grandes duraciones de tiempo, y el propio Darwin afirmó que las estimaciones de Lord Kelvin no parecían proporcionar suficiente. Según la biología moderna, la historia evolutiva total desde el comienzo de la vida hasta la actualidad ha tenido lugar desde hace 3500 a 3800 millones de años, la cantidad de tiempo que pasó desde el último ancestro universal de todos los organismos vivos, como lo muestra la datación geológica.

En una conferencia en 1869, el gran defensor de Darwin, Thomas H. Huxley, atacó los cálculos de Thomson, sugiriendo que parecían precisos en sí mismos pero que se basaban en suposiciones erróneas. El físico Hermann von Helmholtz (en 1856) y el astrónomo Simon Newcomb (en 1892) contribuyeron al debate con sus propios cálculos de 22 y 18 millones de años, respectivamente: calcularon de forma independiente la cantidad de tiempo que tardaría el Sol en condensarse. a su diámetro y brillo actual de la nebulosa de gas y polvo de la que nació. Sus valores fueron consistentes con los cálculos de Thomson. Sin embargo, asumieron que el Sol solo brillaba por el calor de su contracción gravitatoria. El proceso de fusión nuclear solar aún no era conocido por la ciencia.

En 1895, John Perry desafió la figura de Kelvin sobre la base de sus suposiciones sobre la conductividad, y Oliver Heaviside entró en el diálogo, considerándolo "un vehículo para mostrar la capacidad de su método de operador para resolver problemas de asombrosa complejidad".

Otros científicos respaldaron las cifras de Thomson. El hijo de Charles Darwin, el astrónomo George H. Darwin, propuso que la Tierra y la Luna se habían separado en sus primeros días cuando ambas estaban fundidas. Calculó la cantidad de tiempo que le habría tomado a la fricción de las mareas dar a la Tierra su día actual de 24 horas. Su valor de 56 millones de años agregó evidencia adicional de que Thomson estaba en el camino correcto.

La última estimación que dio Thomson, en 1897, fue: "que tenía más de 20 y menos de 40 millones de años, y probablemente mucho más cerca de los 20 que de los 40". En 1899 y 1900, John Joly calculó la tasa a la que los océanos deberían haber acumulado sal debido a los procesos de erosión y determinó que los océanos tenían entre 80 y 100 millones de años.

Datación radiométrica

Visión de conjunto

Por su naturaleza química, los minerales de roca contienen ciertos elementos y no otros; pero en las rocas que contienen isótopos radiactivos, el proceso de desintegración radiactiva genera elementos exóticos con el tiempo. Al medir la concentración del producto final estable de la descomposición, junto con el conocimiento de la vida media y la concentración inicial del elemento en descomposición, se puede calcular la edad de la roca. Los productos finales radiactivos típicos son el argón de la descomposición del potasio-40 y el plomo de la descomposición del uranio y el torio. Si la roca se derrite, como sucede en el manto de la Tierra, estos productos finales no radiactivos normalmente escapan o se redistribuyen. Así, la edad de la roca terrestre más antigua da un mínimo para la edad de la Tierra, asumiendo que ninguna roca ha estado intacta por más tiempo que la Tierra misma.

Manto convectivo y radiactividad

En 1892, Thomson fue nombrado Lord Kelvin en reconocimiento a sus muchos logros científicos. Kelvin calculó la edad de la Tierra usando gradientes térmicos y llegó a una estimación de unos 100 millones de años. No se dio cuenta de que el manto de la Tierra estaba en convección, y esto invalidó su estimación. En 1895, John Perry produjo una estimación de la edad de la Tierra de 2 a 3 mil millones de años utilizando un modelo de un manto convectivo y una corteza delgada, sin embargo, su trabajo fue ignorado en gran medida. Kelvin mantuvo su estimación de 100 millones de años y luego la redujo a unos 20 millones de años.

El descubrimiento de la radiactividad introdujo otro factor en el cálculo. Después del descubrimiento inicial de Henri Becquerel en 1896, Marie y Pierre Curie descubrieron los elementos radiactivos polonio y radio en 1898; y en 1903, Pierre Curie y Albert Laborde anunciaron que el radio produce suficiente calor para derretir su propio peso en hielo en menos de una hora. Los geólogos rápidamente se dieron cuenta de que esto alteraba las suposiciones que subyacen a la mayoría de los cálculos de la edad de la Tierra. Estos habían asumido que el calor original de la Tierra y el Sol se había disipado constantemente en el espacio, pero la desintegración radiactiva significaba que este calor se había repuesto continuamente. George Darwin y John Joly fueron los primeros en señalar esto, en 1903.

Invención de la datación radiométrica.

La radiactividad, que había derrocado los antiguos cálculos, brindó una bonificación al proporcionar una base para nuevos cálculos, en forma de datación radiométrica.

Ernest Rutherford y Frederick Soddy habían continuado conjuntamente su trabajo sobre materiales radiactivos y llegaron a la conclusión de que la radiactividad se debía a una transmutación espontánea de elementos atómicos. En la desintegración radiactiva, un elemento se descompone en otro elemento más ligero, liberando radiación alfa, beta o gamma en el proceso. También determinaron que un isótopo particular de un elemento radiactivo se desintegra en otro elemento a un ritmo distintivo. Esta tasa se da en términos de "vida media", o la cantidad de tiempo que tarda la mitad de una masa de ese material radiactivo en descomponerse en su "producto de descomposición".

Algunos materiales radiactivos tienen vidas medias cortas; algunos tienen vidas medias largas. El uranio y el torio tienen vidas medias largas, por lo que persisten en la corteza terrestre, pero los elementos radiactivos con vidas medias cortas generalmente han desaparecido. Esto sugirió que podría ser posible medir la edad de la Tierra determinando las proporciones relativas de materiales radiactivos en muestras geológicas. En realidad, los elementos radiactivos no siempre se descomponen directamente en elementos no radiactivos ("estables"), sino que se descomponen en otros elementos radiactivos que tienen sus propias vidas medias y así sucesivamente, hasta que alcanzan un elemento estable. Estas "cadenas de desintegración", como las series de uranio-radio y torio, se conocieron a los pocos años del descubrimiento de la radiactividad y proporcionaron una base para construir técnicas de datación radiométrica.

Los pioneros de la radiactividad fueron el químico Bertram B. Boltwood y el enérgico Rutherford. Boltwood había realizado estudios de materiales radiactivos como consultor, y cuando Rutherford dio una conferencia en Yale en 1904, Boltwood se inspiró para describir las relaciones entre los elementos en varias series de descomposición. A fines de 1904, Rutherford dio el primer paso hacia la datación radiométrica al sugerir que las partículas alfa liberadas por la desintegración radiactiva podrían quedar atrapadas en un material rocoso como átomos de helio. En ese momento, Rutherford solo estaba adivinando la relación entre las partículas alfa y los átomos de helio, pero demostraría la conexión cuatro años después.

Soddy y Sir William Ramsay acababan de determinar la velocidad a la que el radio produce partículas alfa, y Rutherford propuso que podía determinar la edad de una muestra de roca midiendo su concentración de helio. Él fechó una roca en su posesión con una edad de 40 millones de años mediante esta técnica. Rutherford escribió,

Entré en la habitación, que estaba medio oscura, y en ese momento vi a Lord Kelvin entre la audiencia y me di cuenta de que estaba en problemas en la última parte de mi discurso sobre la edad de la Tierra, donde mis puntos de vista estaban en conflicto con los suyos. Para mi alivio, Kelvin se durmió profundamente, pero cuando llegué al punto importante, ¡vi al viejo pájaro sentarse, abrir un ojo y lanzarme una mirada siniestra! Luego vino una inspiración repentina y dije: "Lord Kelvin había limitado la edad de la Tierra, siempre que no se descubriera una nueva fuente. Esa declaración profética se refiere a lo que ahora estamos considerando esta noche, ¡el radio!" ¡Mirad! el viejo me sonrió.

Rutherford asumió que la tasa de descomposición del radio determinada por Ramsay y Soddy era precisa y que el helio no se escapaba de la muestra con el tiempo. El esquema de Rutherford era inexacto, pero fue un primer paso útil.

Boltwood se centró en los productos finales de la serie de descomposición. En 1905 sugirió que el plomo era el producto estable final de la descomposición del radio. Ya se sabía que el radio era un producto intermedio de la descomposición del uranio. Rutherford se unió, describiendo un proceso de descomposición en el que el radio emitía cinco partículas alfa a través de varios productos intermedios para terminar en plomo, y especuló que la cadena de descomposición del radio-plomo podría usarse para fechar muestras de rocas. Boltwood hizo el trabajo preliminar y, a fines de 1905, había proporcionado fechas para 26 muestras de rocas separadas, que van desde 92 a 570 millones de años. No publicó estos resultados, lo cual fue una suerte porque estaban viciados por errores de medición y estimaciones deficientes de la vida media del radio. Boltwood perfeccionó su trabajo y finalmente publicó los resultados en 1907.

El artículo de Boltwood señaló que las muestras tomadas de capas comparables de estratos tenían proporciones de plomo a uranio similares, y que las muestras de capas más antiguas tenían una mayor proporción de plomo, excepto cuando había evidencia de que el plomo se había filtrado de la muestra. Sus estudios estaban viciados por el hecho de que no se entendía la serie de desintegración del torio, lo que condujo a resultados incorrectos para las muestras que contenían tanto uranio como torio. Sin embargo, sus cálculos fueron mucho más precisos que cualquiera que se haya realizado hasta ese momento. Los refinamientos en la técnica más tarde darían edades para las 26 muestras de Boltwood de 410 millones a 2200 millones de años.

Arthur Holmes establece la datación radiométrica

Aunque Boltwood publicó su artículo en una destacada revista geológica, la comunidad geológica tenía poco interés en la radiactividad. Boltwood dejó de trabajar en la datación radiométrica y pasó a investigar otras series de descomposición. Rutherford mantuvo una leve curiosidad sobre el tema de la edad de la Tierra, pero trabajó poco al respecto.

Robert Strutt jugueteó con el método del helio de Rutherford hasta 1910 y luego cesó. Sin embargo, el estudiante de Strutt, Arthur Holmes, se interesó en la datación radiométrica y continuó trabajando en ella después de que todos los demás se rindieran. Holmes se centró en la datación de plomo, porque consideraba que el método del helio no era prometedor. Realizó mediciones en muestras de rocas y concluyó en 1911 que la más antigua (una muestra de Ceilán) tenía alrededor de 1.600 millones de años. Estos cálculos no eran particularmente confiables. Por ejemplo, supuso que las muestras solo contenían uranio y no plomo cuando se formaron.

Una investigación más importante se publicó en 1913. Mostró que los elementos generalmente existen en múltiples variantes con diferentes masas o "isótopos". En la década de 1930, se demostró que los isótopos tenían núcleos con diferentes números de partículas neutras conocidas como "neutrones". En ese mismo año, se publicó otra investigación que establece las reglas para la desintegración radiactiva, lo que permite una identificación más precisa de las series de desintegración.

Muchos geólogos sintieron que estos nuevos descubrimientos hacían que la datación radiométrica fuera tan complicada que no valía nada. Holmes sintió que le dieron herramientas para mejorar sus técnicas, y siguió adelante con su investigación, publicando antes y después de la Primera Guerra Mundial. Su trabajo fue generalmente ignorado hasta la década de 1920, aunque en 1917 Joseph Barrell, profesor de geología en Yale, volvió a dibujar la historia geológica tal como se entendía en ese momento para ajustarse a los hallazgos de Holmes en datación radiométrica. La investigación de Barrell determinó que las capas de estratos no se habían depositado todas al mismo ritmo, por lo que las tasas actuales de cambio geológico no se podían utilizar para proporcionar líneas de tiempo precisas de la historia de la Tierra.

La persistencia de Holmes finalmente comenzó a dar sus frutos en 1921, cuando los oradores en la reunión anual de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia llegaron a un consenso aproximado de que la Tierra tenía unos miles de millones de años y que la datación radiométrica era creíble. Holmes publicó La edad de la Tierra, una introducción a las ideas geológicas en 1927 en la que presentó un rango de 1,6 a 3,0 mil millones de años. Sin embargo, no siguió un gran impulso para adoptar la datación radiométrica, y los intransigentes de la comunidad geológica se resistieron obstinadamente. Nunca les habían importado los intentos de los físicos de entrometerse en su dominio, y hasta ahora los habían ignorado con éxito.El creciente peso de la evidencia finalmente inclinó la balanza en 1931, cuando el Consejo Nacional de Investigación de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. decidió resolver la cuestión de la edad de la Tierra nombrando un comité para investigar. Holmes, siendo una de las pocas personas en la Tierra entrenada en técnicas de datación radiométrica, fue miembro del comité y, de hecho, escribió la mayor parte del informe final.

Por lo tanto, el informe de Arthur Holmes concluyó que la datación radiactiva era el único medio fiable de precisar las escalas de tiempo geológico. Las cuestiones de parcialidad fueron desviadas por el gran y riguroso detalle del informe. Describió los métodos utilizados, el cuidado con el que se realizaron las mediciones y sus barras de error y limitaciones.

Datacion radiometrica moderna

La datación radiométrica continúa siendo la forma predominante en que los científicos fechan las escalas de tiempo geológicas. Las técnicas para la datación radiactiva se han probado y perfeccionado de forma continua desde la década de 1960. Hasta la fecha se han utilizado unas cuarenta técnicas diferentes de datación, trabajando sobre una amplia variedad de materiales. Las fechas para la misma muestra utilizando estas diferentes técnicas están muy de acuerdo con la edad del material.

Existen posibles problemas de contaminación, pero han sido estudiados y tratados mediante una investigación cuidadosa, lo que lleva a que los procedimientos de preparación de muestras se minimicen para limitar la posibilidad de contaminación.

¿Por qué se usaron los meteoritos?

Clair Cameron Patterson determinó una edad de 4,55 ± 0,07 mil millones de años, muy cercana a la edad aceptada en la actualidad, utilizando la datación con isótopos de uranio-plomo (específicamente la datación con plomo-plomo) en varios meteoritos, incluido el meteorito Canyon Diablo y publicado en 1956.

La edad citada de la Tierra se deriva, en parte, del meteorito Canyon Diablo por varias razones importantes y se basa en una comprensión moderna de la cosmoquímica acumulada durante décadas de investigación.

La mayoría de las muestras geológicas de la Tierra no pueden dar una fecha directa de la formación de la Tierra a partir de la nebulosa solar porque la Tierra se ha diferenciado en el núcleo, el manto y la corteza, y luego ha pasado por una larga historia de mezcla y separación de estas muestras. embalses por tectónica de placas, meteorización y circulación hidrotermal.

Todos estos procesos pueden afectar negativamente a los mecanismos de datación isotópica porque no siempre se puede suponer que la muestra ha permanecido como un sistema cerrado, lo que significa que el nucleido padre o hijo (una especie de átomo caracterizada por el número de neutrones y protones contiene un átomo) o un nucleido hijo intermedio puede haber sido parcialmente eliminado de la muestra, lo que sesgará la fecha isotópica resultante. Para paliar este efecto es habitual datar varios minerales en una misma muestra, para aportar una isócrona. Alternativamente, se puede usar más de un sistema de datación en una muestra para verificar la fecha.

Además, se considera que algunos meteoritos representan el material primitivo a partir del cual se formó el disco solar creciente. Algunos se han comportado como sistemas cerrados (para algunos sistemas isotópicos) poco después de que se formaran el disco solar y los planetas. Hasta la fecha, estas suposiciones están respaldadas por muchas observaciones científicas y fechas isotópicas repetidas, y ciertamente es una hipótesis más sólida que la que supone que una roca terrestre ha conservado su composición original.

Sin embargo, los antiguos minerales de plomo arcaicos de galena se han utilizado para fechar la formación de la Tierra, ya que representan los minerales de plomo formados más tempranos en el planeta y registran los primeros sistemas homogéneos de isótopos de plomo-plomo en el planeta. Estos han arrojado fechas de edad de 4.540 millones de años con una precisión de tan solo un 1% de margen de error.

Las estadísticas de varios meteoritos que se han sometido a datación isócrona son las siguientes:

1. St. Severin (condrita ordinaria)
	1.	Isócrona Pb-Pb	4.543 ± 0.019 billones de años
	2.	isócrona Sm-Nd	4,55 ± 0,33 mil millones de años
	3.	Isócrona Rb-Sr	4,51 ± 0,15 mil millones de años
	4.	Isócrona de Re-Os	4,68 ± 0,15 mil millones de años
2. Juvinas (acondrita basáltica)
	1.	Isócrona Pb-Pb	4.556 ± 0.012 billones de años
	2.	Isócrona Pb-Pb	4.540 ± 0.001 billones de años
	3.	isócrona Sm-Nd	4,56 ± 0,08 mil millones de años
	4.	Isócrona Rb-Sr	4,50 ± 0,07 mil millones de años
3. Allende (condrita carbonácea)
	1.	Isócrona Pb-Pb	4.553 ± 0.004 billones de años
	2.	Espectro de edad Ar-Ar	4,52 ± 0,02 mil millones de años
	3.	Espectro de edad Ar-Ar	4,55 ± 0,03 mil millones de años
	4.	Espectro de edad Ar-Ar	4,56 ± 0,05 mil millones de años

Meteorito Cañón Diablo

Se utilizó el meteorito Canyon Diablo porque es grande y representativo de un tipo de meteorito particularmente raro que contiene minerales de sulfuro (particularmente troilita, FeS), aleaciones metálicas de níquel y hierro, además de minerales de silicato. Esto es importante porque la presencia de las tres fases minerales permite la investigación de fechas isotópicas utilizando muestras que proporcionan una gran separación en las concentraciones entre los nucleidos padre e hijo. Esto es particularmente cierto en el caso del uranio y el plomo. El plomo es fuertemente calcofílico y se encuentra en el sulfuro en una concentración mucho mayor que en el silicato, frente al uranio. Debido a esta segregación en los nucleidos padre e hijo durante la formación del meteorito, esto permitió una fecha mucho más precisa que nunca antes de la formación del disco solar y, por lo tanto, de los planetas.

La edad determinada a partir del meteorito Canyon Diablo ha sido confirmada por cientos de otras determinaciones de edad, tanto de muestras terrestres como de otros meteoritos. Las muestras de meteoritos, sin embargo, muestran una extensión de hace 4530 a 4580 millones de años. Esto se interpreta como la duración de la formación de la nebulosa solar y su colapso en el disco solar para formar el Sol y los planetas. Este lapso de tiempo de 50 millones de años permite la acumulación de planetas a partir del polvo solar original y los meteoritos.

La Luna, como otro cuerpo extraterrestre que no ha sufrido tectónica de placas y que no tiene atmósfera, proporciona fechas de edad bastante precisas a partir de las muestras devueltas de las misiones Apolo. Las rocas que regresaron de la Luna se han fechado en un máximo de 4.510 millones de años. Los meteoritos marcianos que han aterrizado en la Tierra también se han fechado en alrededor de 4.500 millones de años mediante la datación de plomo-plomo. Las muestras lunares, dado que no han sido alteradas por la intemperie, la tectónica de placas o el material movido por organismos, también pueden proporcionar datación mediante el examen directo del microscopio electrónico de las trayectorias de los rayos cósmicos. La acumulación de dislocaciones generadas por impactos de partículas de rayos cósmicos de alta energía proporciona otra confirmación de las fechas isotópicas. La datación por rayos cósmicos solo es útil en material que no se ha derretido,

En conjunto, la concordancia de las fechas de edad tanto de los primeros reservorios terrestres de plomo como de todos los demás reservorios dentro del Sistema Solar encontrados hasta la fecha se utilizan para respaldar el hecho de que la Tierra y el resto del Sistema Solar se formaron hace alrededor de 4530 a 4580 millones de años.