海底4000米：科学家发现神秘氧气来源

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原文作者：Davide Castelvecchi

化学反应可能会分解水分子产生氧，但其能量来源仍未知。

海底发现了“暗氧”的来源。来源：Cavan/Getty
有东西正在太平洋海底产生大量氧——而这暗无天日的深水下，不可能有光合作用。


这个现象发现于一个遍布着古老的、李子大小的多金属结核的区域，研究者怀疑这些结核可能参与催化水分子的分解，产生了氧。这些研究发表在《自然-地球科学》上。


研究共同作者、英国苏格兰海洋科学学会的海床生态学家Andrew Sweetman说，“除了光合作用，地球上还有其他的氧来源。”虽然这一产氧机制仍然是个谜。他说，这些发现还有助于了解生命起源，以及对该地区进行深海采矿造成的可能影响。


这一观察“令人着迷”，南丹麦大学的生物地球化学家Donald Canfield说。“但我有点沮丧，因为它提出了好多问题，但却没有多少答案。”


Sweetman和合作者在2013年实地工作中首次发现了一些迹象。当时这些研究者正在克拉里昂-克利珀顿区（Clarion–Clipperton Zone）研究海底生态系统，这一区域位于夏威夷和墨西哥之间，比印度还大，是开采富含金属的结核的潜在目标。在这类考察中，研究团队会放出一个沉入海底的模块，执行自动实验。一旦到达，这一模块就驱动圆柱形舱室向下，封入一部分海底物质（连同一些海水），得到一个“封闭的海底缩影”，作者写道。随后设备将测量封闭舱中氧浓度如何在一段时间（可长达数日）中变化。
氧流
如果没有任何光合作用生物朝水中释放氧，也没有任何其他生物消耗这些氧，舱中的氧浓度会慢慢下降。Sweetman在其他地方如南大洋、北冰洋、印度洋和大西洋的研究中已经看到了这种现象。在世界各地，海底生态系统的存在依赖于海面洋流携带的氧，如果没有这些氧就会很快死亡。（这些氧大多来自北大西洋，被“全球传送带”输往深海。）


但在克拉里昂-克利珀顿区，设备显示封存水体中的氧越来越多，而不是越来越少。起初Sweetman以为是传感器故障。但这一现象在2021和2022年的后续考察中不断出现，而且测量结果得到了其他技术的证实。“我忽然意识到，8年来我一直在忽视这个位于4000米深海下的、可能非常惊人的新过程。” Sweetman说。

海底发现的多金属结核，研究者认为可能参与了氧的产生。来源：Camille Bridgewater
这里产生的氧还不少：Sweetman说，舱中的气体浓度比富含藻类的地表水还高。他调查的其他区域都不含多金属结核，可能意味着这些石头在“暗氧”的产生中起到重要作用。


研究团队对这一假设做了初步测试，在船上实验室重建了海底的条件。他们监测海底收集的样本（包括多金属结核），发现至少一段时间内氧浓度上升了。“它们开始产氧直到一定水平，然后停止。” Sweetman说——大概是因为驱动分解水分子的能量用完了。这带来了一个问题是这些能量从哪来的。如果金属结核起的是电池作用——通过化学反应产生能量——那它们一早就会被耗尽了。
电势
但这些结核或许发挥的是催化剂的作用，使水分解形成氧分子。研究者测量了结核表面的电压，发现电压差可达0.95伏。这还达不到分解水分子所需的1.5伏，但原理上可以通过将两块电池串联加倍电压的方法来增强电压，Sweetman说。


这项研究的共同作者、美国西北大学的化学家Franz Geiger说，还不清楚这种反应是否也会产生分子氢——这在工业的电解槽反应中会在催化剂帮助下发生——或者是否会在水中释放电子，同时把剩余电子转移到别的地方。但理解这个现象以后可能会很有用，他说。“说不定海底有的好东西能帮我们造出更好的催化剂。”


英国圣安德鲁斯大学的生物地球化学家Eva Stüeken说，这些结果还可能影响在系外行星光谱中寻找可能生命迹象的方案。“或许要更谨慎地解释其他星球上存在的氧气。”


Sweetman说，在深海采矿开始之前，研究者应为这片产氧区域绘制地图。不然如果去除这些结核，仰赖这些氧的生态系统就可能崩溃。“如果这里产出大量的氧，这可能对生活在那里的动物很重要。”
参考文献：

1. Sweetman, A. K. et al. Nature Geosci. https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8 (2024).

原文以Mystery oxygen source discovered on the sea floor — bewildering scientists标题发表在2024年7月22日《自然》的新闻版块上

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Doi：10.1038/d41586-024-02393-7

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