海面以下4000多米處正在產(chǎn)生“暗”氧

2013年，一艘船在太平洋的偏遠(yuǎn)地區(qū)首次觀測(cè)到了一種神秘現(xiàn)象，它太過荒謬，以至于海洋科學(xué)家安德魯 · 斯威特曼（Andrew Sweetman）確信是他的監(jiān)測(cè)設(shè)備出了故障。

傳感器的讀數(shù)似乎顯示，距離海面4000多米的海底正在生成氧氣，但沒有光線可以照射到那里。之后，在三次前往克拉里昂-克利珀頓區(qū)的航行中，發(fā)生了同樣的狀況。

“基本上，我都是告訴我的學(xué)生，把傳感器收回盒子里，我們得把它們寄回給廠商檢測(cè)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)太離譜了?！彼雇芈f道。他是英國(guó)蘇格蘭海洋科學(xué)協(xié)會(huì)的教授，也是該機(jī)構(gòu)海底生態(tài)學(xué)和生物地球化學(xué)小組的負(fù)責(zé)人?！暗看螐S家都回復(fù)說，它們沒問題，已經(jīng)校準(zhǔn)了?！?/p>

斯威特曼表示，像植物、浮游生物和藻類這樣的光合生物會(huì)利用陽光產(chǎn)生氧氣，這些氧氣會(huì)循環(huán)進(jìn)入深海，但過往在深海進(jìn)行的研究表明，深海生物只會(huì)消耗氧氣，不會(huì)產(chǎn)生氧氣。

如今，斯威特曼團(tuán)隊(duì)的研究正在挑戰(zhàn)這一長(zhǎng)期存在的假設(shè)：他們發(fā)現(xiàn)了不依賴光合作用產(chǎn)生的氧氣。

“當(dāng)你發(fā)現(xiàn)一些違反常理的現(xiàn)象時(shí)，你會(huì)非常謹(jǐn)慎。”他說。

2024年7月發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》期刊上的這項(xiàng)研究表明，人類對(duì)深海仍然知之甚少，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了在推動(dòng)海底開采稀有金屬和礦物的過程中面臨的風(fēng)險(xiǎn)。該研究發(fā)現(xiàn)，在光合作用之外，地球上還存在另一種氧氣來源，這一發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)影響，可能有助于解開生命起源之謎。

海底采樣

斯威特曼首次觀察到海底產(chǎn)生“暗”氧時(shí)，正在為一個(gè)被指定開采土豆大小的多金屬結(jié)核的區(qū)域評(píng)估海洋生物多樣性。多金屬結(jié)核歷經(jīng)數(shù)百萬年的化學(xué)過程形成，這些過程使得金屬?gòu)乃形龀觯瑖@貝殼碎片、魷魚喙和鯊魚牙齒形成結(jié)核，它們?cè)诤５赘采w了相當(dāng)大的面積。

這些結(jié)核中含有的鈷、鎳、銅、鋰和錳等金屬在太陽能電池板、電動(dòng)汽車電池和其他綠色技術(shù)中的應(yīng)用需求量極大。然而，批評(píng)者認(rèn)為，深海采礦可能會(huì)對(duì)原始的水下環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，采礦設(shè)備產(chǎn)生的噪音和沉積物羽流不僅會(huì)影響中層水域的生態(tài)系統(tǒng)，還會(huì)危害那些常常依附在結(jié)核上的海底生物。

科學(xué)家還警告說，深海采礦可能會(huì)破壞海洋中碳的儲(chǔ)存方式，從而加劇氣候危機(jī)。

在2013年的那次實(shí)驗(yàn)中，斯威特曼和他的同事們使用了一種深海著陸器，它沉入海底，將一個(gè)比鞋盒還小的密閉艙插入沉積物中，封閉住一小塊海底區(qū)域及其上方的小塊水域。

他原本預(yù)期傳感器會(huì)檢測(cè)到氧氣水平隨著時(shí)間推移緩慢下降，因?yàn)槲⑿〉膭?dòng)物會(huì)吸入這些氧氣。他計(jì)劃根據(jù)這一數(shù)據(jù)計(jì)算出所謂的“沉積物群落耗氧量”，它能夠提供有關(guān)海底動(dòng)物和微生物活動(dòng)的重要信息。然而，事實(shí)并非如此，氧氣含量不降反升。

直到2021年，當(dāng)斯威特曼使用另一種備用方法檢測(cè)氧氣并得出了相同的結(jié)果時(shí)，他才接受海底真的有氧氣產(chǎn)生，并意識(shí)到他需要弄清楚這件事。

“我心想，天啊，在過去八九年里，我一直忽視了一些深刻而龐大的東西?！彼f。

在接近十年的時(shí)間里，斯威特曼在克拉里昂-克利珀頓區(qū)的多個(gè)地點(diǎn)一次又一次地觀測(cè)到了這個(gè)現(xiàn)象?？死锇?克利珀頓區(qū)是一個(gè)綿延4000多英里（約6400千米）的大范圍區(qū)域，不受任何國(guó)家管轄。

研究團(tuán)隊(duì)將一些沉積物、海水和多金屬結(jié)核樣本帶回實(shí)驗(yàn)室研究，試圖了解氧氣究竟是如何產(chǎn)生的。

了解“暗”氧

通過一系列實(shí)驗(yàn)，研究人員排除了微生物等生物過程的可能性，轉(zhuǎn)而將這種現(xiàn)象的起源鎖定在了結(jié)核本身。他們推斷，也許是結(jié)核中的氧化錳釋放出了氧氣。但斯威特曼表示，這種釋放并不是起因。

在巴西圣保羅一家酒店的酒吧里，斯威特曼曾觀看過一部有關(guān)深海采礦的紀(jì)錄片，這給了他啟發(fā)?！凹o(jì)錄片里有誰說了句，那就是塊巖石中的電池，”他回憶道，“看到這里，我突然想，深海氧氣的生成會(huì)不會(huì)是電化學(xué)過程？這些被開采用于制造電池的結(jié)核，它們本身會(huì)不會(huì)就是電池呢？”

斯威特曼解釋說，即使是一節(jié)5號(hào)電池，將它放入鹽水中時(shí)，所產(chǎn)生的電流也足以將水分解成氧氣和氫氣——這一過程被稱為海水電解。他推測(cè)，結(jié)核可能在做類似的事情。

斯威特曼找到了美國(guó)伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)的電化學(xué)家弗朗茲 · 蓋格（Franz Geiger），兩人一同展開了進(jìn)一步的研究。他們使用一種叫作萬用表的設(shè)備來測(cè)量微小的電壓和電壓變化，并從結(jié)核表面記錄到了0.95伏的電壓。

這些讀數(shù)低于海水電解所需的1.5伏電壓，但它們表明，結(jié)核聚集在一起時(shí)可能會(huì)形成顯著的電壓。

“看來，我們發(fā)現(xiàn)了一種天然的‘地質(zhì)電池’，”蓋格在新聞發(fā)布會(huì)上表示，“這些地質(zhì)電池可能是解釋海洋中‘暗氧’產(chǎn)生的依據(jù)?！?/p>

挑戰(zhàn)傳統(tǒng)范式

英國(guó)南安普敦國(guó)家海洋學(xué)中心的海洋生物地球科學(xué)小組主任丹尼爾 · 瓊斯（Daniel Jones）教授表示，深海結(jié)核能夠產(chǎn)生氧氣是“一項(xiàng)驚人且意外的發(fā)現(xiàn)”。他曾與斯威特曼合作，但未直接參與此次研究。瓊斯通過電子郵件表示：“這樣的發(fā)現(xiàn)展示了前往這些偏遠(yuǎn)但重要的全球海洋區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)洋科考的價(jià)值?！?/p>

據(jù)美國(guó)緬因州比格洛海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員貝絲 · 奧庫(kù)特（Beth Orcutt）稱，這項(xiàng)研究無疑挑戰(zhàn)了“深海中氧氣循環(huán)的傳統(tǒng)范式”。奧庫(kù)特雖然沒有參與此次研究，但她表示，該團(tuán)隊(duì)提供了“足夠的支持?jǐn)?shù)據(jù)來證明這一觀測(cè)結(jié)果是真實(shí)的信號(hào)”。

美國(guó)夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的海洋學(xué)名譽(yù)教授克雷格 · 史密斯（Craig Smith）稱，地質(zhì)電池假說是對(duì)暗氧產(chǎn)生的合理解釋。

“然而，就和其他任何新發(fā)現(xiàn)一樣，也可能還有其他解釋?！笔访芩雇ㄟ^電子郵件表示。

史密斯同樣沒有參與這項(xiàng)研究。他表示：“由于這項(xiàng)研究的局限性，我們無法真正評(píng)估這種（暗氧產(chǎn)生）現(xiàn)象的重要性，但它確實(shí)表明，錳結(jié)核在深海海底具有潛在的、尚未被充分認(rèn)識(shí)的生態(tài)系統(tǒng)功能。”

揭開生命起源之謎

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局估計(jì)，克拉里昂-克利珀頓區(qū)擁有21.1萬億噸的多金屬結(jié)核，其中所含的關(guān)鍵金屬比全球陸地儲(chǔ)量的總和還要多。

根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》，國(guó)際海底管理局負(fù)責(zé)管理該地區(qū)的采礦活動(dòng)，并已發(fā)放了勘探合同。2024年7月，該組織在牙買加舉行會(huì)議，審議制定允許企業(yè)從海底開采金屬的新規(guī)則。

然而，包括英國(guó)和法國(guó)在內(nèi)的幾個(gè)國(guó)家已表示了謹(jǐn)慎的態(tài)度，支持暫?；蚪股詈２傻V，以保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性。2024年7月早些時(shí)候，美國(guó)夏威夷已經(jīng)禁止在本州水域進(jìn)行深海采礦。

斯威特曼和蓋格表示，在可能開采深海結(jié)核之前，采礦行業(yè)應(yīng)考慮這一新發(fā)現(xiàn)的影響。

史密斯表示，考慮到采礦會(huì)對(duì)生物多樣性豐富的脆弱原始環(huán)境產(chǎn)生未知影響，他贊成暫停開采結(jié)核。

蓋格指出，20世紀(jì)80年代在該區(qū)進(jìn)行的早期采礦嘗試給后人提供了警示。

“2016年和2017年，海洋生物學(xué)家考察了20世紀(jì)80年代采過礦的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)連細(xì)菌都未能在這些區(qū)域恢復(fù)?！鄙w格說。

“然而，在未開采的區(qū)域，海洋生物卻能夠蓬勃發(fā)展。這種‘死亡區(qū)’為何會(huì)持續(xù)存在數(shù)十年，目前還不得而知，”他補(bǔ)充道，“然而，這給海底采礦策略打上了一個(gè)大大的問號(hào)，因?yàn)榻Y(jié)核富集區(qū)的海底動(dòng)物多樣性比生物多樣性最為豐富的熱帶雨林還要高?！?/p>

斯威特曼的科學(xué)研究得到了兩家有意在克拉里昂-克利珀頓區(qū)采礦的公司的資助和支持，他表示，對(duì)深海采礦進(jìn)行科學(xué)監(jiān)督至關(guān)重要。

有關(guān)“暗氧”產(chǎn)生的細(xì)節(jié)，以及它在深海生態(tài)系統(tǒng)中扮演的角色，仍有許多未解之謎。

斯威特曼補(bǔ)充道，了解海底如何產(chǎn)生氧氣還有可能為生命起源之謎提供線索。長(zhǎng)期以來，有一種理論認(rèn)為，生命起源于深海的海底熱泉，而海水電解能夠在深海中形成氧氣的發(fā)現(xiàn)，或可激發(fā)人們對(duì)地球生命起源的新思考。

“我認(rèn)為仍需要進(jìn)行更多的科學(xué)研究，特別是圍繞暗氧的形成過程及其重要性，”斯威特曼說，“我希望這個(gè)開端能將我們引向一個(gè)令人驚嘆的結(jié)果?！?/p>

資料來源 CNN

本文作者凱蒂 · 亨特（Katie Hunt）是CNN的資深欄目制作人，也撰寫科學(xué)與健康領(lǐng)域的科學(xué)文章