科技日報(bào)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(xué)家發(fā)掘的秘密。這些礦藏是深海采礦公司的重點(diǎn)目標(biāo)，因?yàn)槠渲泻锌捎糜谥圃祀姵氐腻i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(xiàng)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(xué)美國人》網(wǎng)站
據(jù)最新一期《自然·地球科學(xué)》雜志報(bào)道，這些結(jié)核竟能在無光條件下產(chǎn)生氧氣?！斑@是一個(gè)全新的、出乎意料的發(fā)現(xiàn)?！泵绹箍死账购Ｑ笱芯克锖Ｑ髮W(xué)名譽(yù)教授麗莎·萊文說。
人們通常認(rèn)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(rèn)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(dāng)時(shí)，蘇格蘭海洋科學(xué)協(xié)會(huì)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(gè)沉入海底的深海著陸器，將一個(gè)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(yù)計(jì)，隨著微生物的呼吸作用，傳感器能夠檢測到氧氣水平隨時(shí)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(jìn)行重新校準(zhǔn)。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(xué)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(shí)。他意識(shí)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(gè)地點(diǎn)反復(fù)觀察到了這一現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)帶回了一些沉積物、海水和錳結(jié)核樣本，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)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(shí)驗(yàn)，研究人員排除了微生物等生物過程，并將焦點(diǎn)鎖定在錳結(jié)核本身，認(rèn)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(guān)于深海采礦的紀(jì)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(dāng)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(jìn)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(dāng)錳結(jié)核聚集在一起時(shí)，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(xué)實(shí)驗(yàn)室高級研究員貝絲·奧科特表示，這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)的確提供了充分的支持?jǐn)?shù)據(jù)，證明該觀察結(jié)果是真實(shí)信號(hào)。
夏威夷大學(xué)馬諾阿分校海洋學(xué)榮譽(yù)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(xué)家尚無法真正評估此類（“暗氧”）區(qū)域的重要性，但它確實(shí)表明錳結(jié)核在深海海底可能具有未被充分認(rèn)識(shí)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(xué)化學(xué)家弗朗茨·蓋革實(shí)驗(yàn)室的模擬海水中。
圖片來源：弗朗茨·蓋革/美國西北大學(xué)
據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局估計(jì)，CCZ蘊(yùn)藏著211億噸錳結(jié)核，其中所含的關(guān)鍵金屬總量超過了全球陸地儲(chǔ)量的總和。
斯威特曼表示，在推進(jìn)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(qiáng)調(diào)，對深海采礦進(jìn)行科學(xué)監(jiān)督至關(guān)重要。
關(guān)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(bǔ)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(rèn)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(huì)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(rèn)為還需要做更多的科學(xué)研究，特別是關(guān)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(gè)驚人發(fā)現(xiàn)的開始。”
