发现令科学家困惑海底“暗氧”

海洋底部氧气不断产生，意味着海底可以存在利用氧气进行氧化代谢的生态系统。氧气的来源如果来自水的分解，则应该还有氢气的产生，氢气可以作为微生物的食物参与代谢过程。这样的海底生态系统，有食物有氧气，则应该是一个非常热闹的环境。

Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor | Nature Geoscience

一种化学反应可能通过分解水分子产生氧气，但其能量来源仍然未知。

作者：Davide Castelvecchi

一些大气泡穿过黑暗的水域上升。

在海底发现了一个“暗氧”的来源。图片来源：Cavan/Getty

有什么东西在太平洋底部大量释放氧气，这些地方完全没有阳光，光合作用不可能发生。

这一现象是在一个散布着古老的、梅子大小的多金属结核的区域发现的，研究人员怀疑这些结核可能通过催化水分子分裂来参与氧气的产生。（如果是这样，可能有氢气同时产生。问题是，氢气到哪里了？）研究结果发表在《自然地球科学》上。

“我们有另一个氧气来源，除了光合作用之外，”该研究的合著者安德鲁·斯威特曼说，他是英国奥本苏格兰海洋科学协会的海底生态学家，尽管这种氧气生产的机制仍是一个谜。他说，这些发现还可能对理解生命如何开始以及该地区深海采矿可能产生的影响有重要意义。

这一观察结果是“令人着迷的”，南丹麦大学欧登塞校区的生物地球化学家唐纳德·坎菲尔德说。“但我觉得这很令人沮丧，因为它提出了很多问题，却几乎没有答案。”

斯威特曼和他的合作者在2013年的实地考察中首次注意到了异常情况。研究人员当时正在研究位于夏威夷和墨西哥之间的克拉里昂-克利珀顿区（Clarion–Clipperton Zone）的海底生态系统，这个区域比印度还要大，是富含金属的结核矿的潜在开采目标地。在这样的考察中，团队会释放一个模块沉到海底进行自动实验。一旦到达那里，模块会驱动圆柱形室向下封闭海底的小部分区域——连同一些海水——并创造“一个封闭的海底微宇宙”，作者们写道。然后，着陆器测量在长达数天的周期内，封闭海水中的氧气浓度如何变化。

氧气流动

由于没有光合作用生物将氧气释放到水中，加上其他生物消耗这种气体，室内的氧气浓度应该缓慢下降。斯威特曼在他进行的南极、北极、印度洋以及大西洋的研究中见过这种情况发生。在世界各地，海底生态系统的存在归功于由表面携带而来的氧气流，如果被切断，它们很快就会死亡。（大多数氧气起源于北大西洋，并通过一个‘全球输送带’被运往世界各地的深海。）

但在克拉里昂-克利珀顿区，仪器显示隔离的水变得更加富含氧气，而不是减少。起初，斯威特曼将读数归咎于传感器故障。但在2021年和2022年的后续行程中，这种现象持续出现，并被另一种技术确认。“我突然意识到，八年来我一直忽略了这个潜在的惊人新过程，它就发生在4000米深的海底，”斯威特曼说。

培养皿上的结核细节图。

在海底发现的多金属结核，研究人员认为它可能参与了氧气的产生。图片来源：Camille Bridgewater

所产生的氧气量并不小：斯威特曼说，室内气体的浓度高于富含藻类的表层水。斯威特曼调查的其他区域都不含多金属结核，这表明这些岩石在产生这种“暗氧”方面扮演着重要角色。

作为对这一假设的首次测试，研究团队在他们的船上的实验室里重现了海底的条件。他们监测了从海底收集的样本——其中包括多金属结核——并观察到氧气浓度至少暂时增加了。“它们开始产生氧气，直到某个点。然后停止了，”斯威特曼说——大概是因为驱动水分子分裂的能量耗尽了。这就留下了一个问题：这些能量来自哪里。如果结核本身充当电池——通过化学反应产生能量——它们很久以前就该耗尽了。

电势

但结核可能作为催化剂，使水分解并形成分子氧。研究人员测量了结核表面的电压，并发现电压差高达0.95伏特。这还不足以分裂一个水分子所需的1.5伏特，但从原则上讲，可以通过将两个电池串联来加倍电池电压的方式产生更高的电压，斯威特曼说。

合著者弗兰茨·盖格尔是伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的一名化学家，他说目前尚不清楚反应是否也会产生分子氢——在工业电解反应中由于催化剂的作用会发生这种情况——或者在水中释放质子同时将剩余的电子转移到其他地方。但他表示，理解这一点最终可能会有有用的应用。“也许在海洋底部有某种蓝图可以帮助我们制造更好的催化剂。”

英国圣安德鲁斯大学的生物地球化学家伊娃·施图肯说，这些结果也可能对在太阳系外行星的光谱中寻找可能生命迹象的提议有所启示。“在其他行星上存在O2气体可能需要额外谨慎地解释，”她说。

斯威特曼表示，在深海采矿开始之前，研究人员应该绘制出氧气产生的区域。否则，如果移除结核，已经依赖这种氧气的生态系统可能会崩溃。“如果有大量氧气正在产生，它可能对生活在那里的动物很重要。”

《科学美国人》报道

太平洋海底的克拉里昂-克利珀顿区布满了土豆大小的矿物块，这些被称为多金属结核的矿物看起来像是木炭块，富含钴和锰等金属。研究人员测量了这些结核表面的电荷，发现它们几乎带有一伏特（作为对比，一节AA电池大约带有1.5伏特）。研究人员假设这种电荷能够分解海水产生氧气，即便是在海平面下13,000英尺——超过两英里深的地方。

为什么这很酷：地球上的氧气被认为是来自于生物体，这些生物体将阳光、二氧化碳和水转换成氧气和糖。而一些气体可能来自于完全黑暗中的无生命矿物，“这确实强烈地违背了我们传统上认为的氧气的来源及其生成方式，”波士顿大学的微生物学家杰弗里·马洛说，他是最新研究的合著者之一。

为什么这很重要：环境调查显示，结核及周围的沉积物是深海生命的栖息地：从单细胞微生物到较大的动物，如鱼类、海星和蠕虫。由于金属的丰富浓度，这些区域是深海采矿的目标。

金属公司的首席执行官杰拉德·巴伦手持一个多金属结核。该公司帮助资助了新研究，该研究发现这样的结核可以在没有阳光的情况下产生氧气。卡罗琳·科尔/洛杉矶时报通过盖蒂图片社提供。