太平洋海底发现神秘“暗氧”

2024-07-25 16:27:44 来源：中国科技网

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在太平洋克拉里昂－克利珀顿区（CCZ）平坦漆黑的海底，散落着形似土豆的黑乎乎的东西。这些不起眼的矿藏被称为多金属结核（又称锰结核），它们影响着深海生态系统，也有着许多未被科学家发掘的秘密。这些矿藏是深海采矿公司的重点目标，因为其中含有可用于制造电池的锰和钴等金属。

据最新一期《自然·地球科学》杂志报道，这些结核竟能在无光条件下产生氧气。“这是一个全新的、出乎意料的发现。”美国斯克利普斯海洋研究所生物海洋学名誉教授丽莎·莱文说。

人们通常认为，地球上的氧气主要由生物体通过光合作用将阳光、二氧化碳和水转化而来。而新研究发现，在CCZ以下4000米的深处，氧气并非源自生物体，而是由这些黑“土豆”产生的。研究人员表示，这挑战了人们对海洋的认知，可能有助于揭示生命的起源。

海底采样

这一发现可以追溯到2013年。当时，苏格兰海洋科学协会教授安德鲁·斯威特曼及其同事，正致力于测量CCZ海底生物消耗了多少氧气。研究人员使用了一个沉入海底的深海着陆器，将一个比鞋盒还小的容器推入沉积物中，以封闭一小块海底区域及其上方一定体积的水。

斯威特曼原本预计，随着微生物的呼吸作用，传感器能够检测到氧气水平随时间缓慢下降。然而，他们发现，氧气含量非但没有下降，反而大幅上升。斯威特曼以为传感器坏了，于是将仪器返厂进行重新校准。这种情况在5年内发生了四五次，斯威特曼甚至告诉他的学生：“把传感器扔了吧，它们根本不起作用！”

直到2021年，斯威特曼使用另一种备用方法来检测氧气，并得出了相同的结果后，才接受了海底正在产生氧气的事实。他意识到，在过去八九年里，他一直忽视了一件“深刻而巨大”的事情。

近十年来，斯威特曼在绵延6400多公里的CCZ多个地点反复观察到了这一现象。研究团队带回了一些沉积物、海水和锰结核样本，在实验室中进一步研究，试图了解氧气的确切产生方式。

了解“暗氧”

经过一系列实验，研究人员排除了微生物等生物过程，并将焦点锁定在锰结核本身，认为这是该现象的起因。他们推测，可能是结核中的氧化锰释放出氧气。但斯威特曼表示，这种释放并非氧气产生的原因所在。

后来，2022年的一天，斯威特曼观看了一部关于深海采矿的纪录片。片中有人提到，这些结核是“岩石中的电池”。这引发斯威特曼的思考：锰结核中的金属能以某种方式充当天然“地质电池”吗？如果是这样，它们就可能通过一种称为“海水电解”的过程将海水分解成氢和氧。

为了解锰结核是否真的带电，研究人员进行了测试，发现结核表面电压为0.95伏。这低于海水电解所需的1.5伏电压，但当锰结核聚集在一起时，电压可能显著增加，从而将水分解，产生氧气。

研究人员表示，他们似乎发现了一种天然的“地质电池”，这可能是对海洋“暗氧”现象的一种解释。

挑战范式

美国毕格罗海洋科学实验室高级研究员贝丝·奥科特表示，这项研究无疑“挑战了深海氧气循环的传统范式”。不过，研究团队的确提供了充分的支持数据，证明该观察结果是真实信号。

夏威夷大学马诺阿分校海洋学荣誉教授克雷格·史密斯说，“地质电池”假说为“暗氧”的存在提供了合理解释，但不排除其他原因。

史密斯还表示，由于研究的局限性，科学家尚无法真正评估此类（“暗氧”）区域的重要性，但它确实表明锰结核在深海海底可能具有未被充分认识的生态系统功能。

谜题待解

据美国地质调查局估计，CCZ蕴藏着211亿吨锰结核，其中所含的关键金属总量超过了全球陆地储量的总和。

斯威特曼表示，在推进深海采矿之前，必须充分考虑这一新发现对环境的潜在影响。他强调，对深海采矿进行科学监督至关重要。

关于“暗氧”是如何产生的以及它在深海生态系统中扮演什么角色，仍有许多未解之谜。

斯威特曼补充说，了解海底如何产生氧气，也可能为生命起源研究提供线索。有一种长期流行的理论认为，生命起源于海底热液喷口，而海水电解能在深海形成氧气的发现，可能会激发人们以新的方式思考地球上生命是如何起源的。

“我认为还需要做更多的科学研究，特别是关于这一过程及其重要性的研究。”斯威特曼满怀期待地说，“我希望这只是一个惊人发现的开始。”