科技日報記者?張佳欣

在太平洋克拉里昂－克利珀頓區(qū)（CCZ）平坦漆黑的海底，散落著形似土豆的黑乎乎的東西。這些不起眼的礦藏被稱為多金屬結(jié)核（又稱錳結(jié)核），它們影響著深海生態(tài)系統(tǒng)，也有著許多未被科學家發(fā)掘的秘密。這些礦藏是深海采礦公司的重點目標，因為其中含有可用于制造電池的錳和鈷等金屬。

加拿大金屬公司首席執(zhí)行官杰拉德·巴倫手持一塊多金屬結(jié)核。該公司資助了一項新研究，該研究發(fā)現(xiàn)，此類結(jié)核無需陽光就能產(chǎn)生氧氣。
圖片來源：《科學美國人》網(wǎng)站

據(jù)最新一期《自然·地球科學》雜志報道，這些結(jié)核竟能在無光條件下產(chǎn)生氧氣。“這是一個全新的、出乎意料的發(fā)現(xiàn)。”美國斯克利普斯海洋研究所生物海洋學名譽教授麗莎·萊文說。

人們通常認為，地球上的氧氣主要由生物體通過光合作用將陽光、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而來。而新研究發(fā)現(xiàn)，在CCZ以下4000米的深處，氧氣并非源自生物體，而是由這些黑“土豆”產(chǎn)生的。研究人員表示，這挑戰(zhàn)了人們對海洋的認知，可能有助于揭示生命的起源。

海底采樣

這一發(fā)現(xiàn)可以追溯到2013年。當時，蘇格蘭海洋科學協(xié)會教授安德魯·斯威特曼及其同事，正致力于測量CCZ海底生物消耗了多少氧氣。研究人員使用了一個沉入海底的深海著陸器，將一個比鞋盒還小的容器推入沉積物中，以封閉一小塊海底區(qū)域及其上方一定體積的水。

斯威特曼原本預計，隨著微生物的呼吸作用，傳感器能夠檢測到氧氣水平隨時間緩慢下降。然而，他們發(fā)現(xiàn)，氧氣含量非但沒有下降，反而大幅上升。斯威特曼以為傳感器壞了，于是將儀器返廠進行重新校準。這種情況在5年內(nèi)發(fā)生了四五次，斯威特曼甚至告訴他的學生：“把傳感器扔了吧，它們根本不起作用！”

直到2021年，斯威特曼使用另一種備用方法來檢測氧氣，并得出了相同的結(jié)果后，才接受了海底正在產(chǎn)生氧氣的事實。他意識到，在過去八九年里，他一直忽視了一件“深刻而巨大”的事情。

近十年來，斯威特曼在綿延6400多公里的CCZ多個地點反復觀察到了這一現(xiàn)象。研究團隊帶回了一些沉積物、海水和錳結(jié)核樣本，在實驗室中進一步研究，試圖了解氧氣的確切產(chǎn)生方式。

了解“暗氧”

經(jīng)過一系列實驗，研究人員排除了微生物等生物過程，并將焦點鎖定在錳結(jié)核本身，認為這是該現(xiàn)象的起因。他們推測，可能是結(jié)核中的氧化錳釋放出氧氣。但斯威特曼表示，這種釋放并非氧氣產(chǎn)生的原因所在。

后來，2022年的一天，斯威特曼觀看了一部關于深海采礦的紀錄片。片中有人提到，這些結(jié)核是“巖石中的電池”。這引發(fā)斯威特曼的思考：錳結(jié)核中的金屬能以某種方式充當天然“地質(zhì)電池”嗎？如果是這樣，它們就可能通過一種稱為“海水電解”的過程將海水分解成氫和氧。

為了解錳結(jié)核是否真的帶電，研究人員進行了測試，發(fā)現(xiàn)結(jié)核表面電壓為0.95伏。這低于海水電解所需的1.5伏電壓，但當錳結(jié)核聚集在一起時，電壓可能顯著增加，從而將水分解，產(chǎn)生氧氣。

研究人員表示，他們似乎發(fā)現(xiàn)了一種天然的“地質(zhì)電池”，這可能是對海洋“暗氧”現(xiàn)象的一種解釋。

挑戰(zhàn)范式

美國畢格羅海洋科學實驗室高級研究員貝絲·奧科特表示，這項研究無疑“挑戰(zhàn)了深海氧氣循環(huán)的傳統(tǒng)范式”。不過，研究團隊的確提供了充分的支持數(shù)據(jù)，證明該觀察結(jié)果是真實信號。

夏威夷大學馬諾阿分校海洋學榮譽教授克雷格·史密斯說，“地質(zhì)電池”假說為“暗氧”的存在提供了合理解釋，但不排除其他原因。

史密斯還表示，由于研究的局限性，科學家尚無法真正評估此類（“暗氧”）區(qū)域的重要性，但它確實表明錳結(jié)核在深海海底可能具有未被充分認識的生態(tài)系統(tǒng)功能。

謎題待解

從海底收集的多金屬結(jié)核被放置在美國西北大學化學家弗朗茨·蓋革實驗室的模擬海水中。
圖片來源：弗朗茨·蓋革/美國西北大學

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局估計，CCZ蘊藏著211億噸錳結(jié)核，其中所含的關鍵金屬總量超過了全球陸地儲量的總和。

斯威特曼表示，在推進深海采礦之前，必須充分考慮這一新發(fā)現(xiàn)對環(huán)境的潛在影響。他強調(diào)，對深海采礦進行科學監(jiān)督至關重要。

關于“暗氧”是如何產(chǎn)生的以及它在深海生態(tài)系統(tǒng)中扮演什么角色，仍有許多未解之謎。

斯威特曼補充說，了解海底如何產(chǎn)生氧氣，也可能為生命起源研究提供線索。有一種長期流行的理論認為，生命起源于海底熱液噴口，而海水電解能在深海形成氧氣的發(fā)現(xiàn)，可能會激發(fā)人們以新的方式思考地球上生命是如何起源的。

“我認為還需要做更多的科學研究，特別是關于這一過程及其重要性的研究。”斯威特曼滿懷期待地說，“我希望這只是一個驚人發(fā)現(xiàn)的開始。”