科技日報記者?張佳欣

在太平洋克拉里昂－克利珀頓區（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核（又稱錳結核），它們影響著深海生態系統，也有著許多未被科學家發掘的秘密。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行官杰拉德·巴倫手持一塊多金屬結核。該公司資助了一項新研究，該研究發現，此類結核無需陽光就能產生氧氣。
圖片來源：《科學美國人》網站

據最新一期《自然·地球科學》雜志報道，這些結核竟能在無光條件下產生氧氣。“這是一個全新的、出乎意料的發現。”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、二氧化碳和水轉化而來。而新研究發現，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”產生的。研究人員表示，這挑戰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

這一發現可以追溯到2013年。當時，蘇格蘭海洋科學協會教授安德魯·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，他們發現，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年內發生了四五次，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，并得出了相同的結果后，才接受了海底正在產生氧氣的事實。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象。研究團隊帶回了一些沉積物、海水和錳結核樣本，在實驗室中進一步研究，試圖了解氧氣的確切產生方式。

了解“暗氧”

經過一系列實驗，研究人員排除了微生物等生物過程，并將焦點鎖定在錳結核本身，認為這是該現象的起因。他們推測，可能是結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，這些結核是“巖石中的電池”。這引發斯威特曼的思考：錳結核中的金屬能以某種方式充當天然“地質電池”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。

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

研究人員表示，他們似乎發現了一種天然的“地質電池”，這可能是對海洋“暗氧”現象的一種解釋。

挑戰范式

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“挑戰了深海氧氣循環的傳統范式”。不過，研究團隊的確提供了充分的支持數據，證明該觀察結果是真實信號。

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”）區域的重要性，但它確實表明錳結核在深海海底可能具有未被充分認識的生態系統功能。

謎題待解

從海底收集的多金屬結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

據美國地質調查局估計，CCZ蘊藏著211億噸錳結核，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現對環境的潛在影響。他強調，對深海采礦進行科學監督至關重要。

關于“暗氧”是如何產生的以及它在深海生態系統中扮演什么角色，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現，可能會激發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現的開始。”