太平洋海底現神秘氧源

幽深的太平洋底部，陽光難以到達，因此那里不存在光和合作用。然而，研究人員發現，海底有東西正在釋放大量氧氣。

這種“暗氧”是在一處散布著李子大小古老多金屬結核的區域發現的。研究人員懷疑釋放氧氣的正是這些多金屬結核，它們可以在催化水分子分解產生氧氣中發揮作用。相關研究近日發表于《自然-地球科學》。

“除了光合作用，地球上還有另一種氧氣來源。”該研究合著者、英國蘇格蘭海洋科學協會海底生態學家Andrew Sweetman說，盡管這種氧氣產生背后的機制仍是個謎，但上述發現有助了解生命如何誕生，以及該地區深海采礦可能產生的影響。

Sweetman和合作者是在2013年一次田野調查中首次發現上述現象的。當時他們正在研究太平洋克拉里昂-克利珀頓區海底生態系統，該地區是開采富金屬結核的潛在區域。調查過程中，他們釋放了一個沉入海底的自動化實驗模塊。一旦到達目標區域，該模塊就會驅動圓柱形腔室圈起海底的一小部分，創造出一小片封閉的海底微觀世界。

模塊上的相關儀器會測量封閉海水中氧氣濃度在幾天內是如何變化的。如果海水中沒有任何生物通過光合作用釋放氧氣，那么在其他生物消耗這種氣體的情況下，封閉海水中氧氣濃度應該緩慢下降。Sweetman在其他海洋地區進行的研究中都觀察到了這種情況，但在該區域，封閉海水中的氧氣含量不降反升。

起初，Sweetman將這反常的讀數歸因于傳感器故障。但在2021年和2022年的后續調查中，這種現象一直出現，其他技術測量也證實了這種現象的存在。

“我突然意識到，8年來，我們都忽視了4000米深處海底這個潛在的氧氣產生新過程。”Sweetman說，而且這一過程產生的氧氣量不小，封閉海水中的氧氣濃度高于富含藻類的地表水。

鑒于Sweetman等人調查過的其他地區都沒有發現多金屬結核，他們推測正是這些多金屬結核在“暗氧”產生中起重要作用。

為了驗證這一假設，研究團隊在船上的實驗室中利用采集的海底樣本，包括多金屬結核，重建了海底條件，并進行模擬實驗。結果發現，氧氣濃度至少在一段時間內有所提升。

“它們在一定程度上開始產生氧氣，然后停止。”Sweetman說，之所以停止，可能是因為驅動水分解的能量被耗盡了。而這就帶來了能量從哪里來的問題。如果是這些多金屬結核本身充當“電池”，通過化學反應產生能量，那它們早就被耗盡了。

研究人員認為，這些多金屬結核可以作為催化劑，使水分解并產生氧分子。他們測量了多金屬結核表面的電壓，發現電壓差高達0.95V。Sweetman說，雖然這未達到水分子分解所需的1.5V電壓，但多金屬結核通過“串聯”理論上可以產生更高的電壓。

該研究合著者、美國西北大學化學家Franz Geiger表示，目前尚不清楚該反應是否也會產生氫分子，但對上述過程的了解最終可能會實現應用，“也許海底存在幫助我們制造更好的催化劑的藍圖”。

Sweetman指出，在開展深海采礦前，研究人員應該繪制氧氣產生區域地圖。如果多金屬結核被移除，那么依賴氧氣的生態系統可能會崩潰。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8