2024年7月22日Nature头条

标题： 在海底发现的神秘氧源——让科学家们感到困惑

副标题： 化学反应可能通过分裂水分子来产生氧气，但其能量来源仍然未知

附图1：在海底发现了“暗氧”的来源

附图2：在海底发现的多金属结核，研究人员认为它可能与氧气的产生有关

主要内容：

 在太平洋底部，有些东西正在抽出大量的氧气，在完全缺乏阳光使得光合作用无法进行的地方。

 研究人员怀疑，这种现象是在一个散布着古老的李子大小的地层的地区发现的，这些地层被称为多金属结核，这些结核可能通过催化水分子的分裂在氧气生产中发挥作用。研究结果发表在《自然地球科学》上。

 “除了光合作用之外，我们在地球上还有另一种氧气来源，”该研究的合著者安德鲁·斯威特曼（Andrew Sweetman）说，他是英国奥本苏格兰海洋科学协会的海底生态学家 - 尽管这种氧气产生背后的机制仍然是一个谜。他说，这些发现还可能有助于理解生命是如何开始的，以及深海采矿对该地区可能产生的影响。

 这一观察结果“令人着迷”，欧登塞南丹麦大学的生物地球化学家唐纳德·坎菲尔德（Donald Canfield）说。“但我觉得这很令人沮丧，因为它提出了很多问题，但答案并不多。

 斯威特曼和他的合作者在2013年的现场工作中首次注意到了一些不对劲。研究人员正在研究克拉里昂-克利珀顿区的海底生态系统，该地区位于夏威夷和墨西哥之间，面积比印度还大，是开采富含金属的结核的潜在目标。在这样的探险中，该团队释放了一个模块，该模块沉入海底以执行自动化实验。作者写道，一旦到达那里，该模块就会驱动圆柱形腔室，以封闭海底的一小部分 - 以及一些海水 - 并创造“海底的封闭微观世界”。然后，着陆器测量密闭海水中的氧气浓度在长达几天的时间内如何变化。

——氧气电流

 没有任何光合生物向水中释放氧气，并且有任何其他生物消耗气体，室内的氧气浓度应该缓慢下降。斯威特曼在他在南部、北极和印度洋以及大西洋地区进行的研究中已经看到这种情况。在世界各地，海底生态系统的存在归功于来自地表的洋流携带的氧气，如果切断氧气，它们会迅速死亡。 （大部分氧气起源于北大西洋，并通过“全球传送带”输送到世界各地的深海。

 但是在克拉里昂-克利珀顿区，仪器显示，隔离的水在氧气中变得更丰富，而不是更贫。起初，斯威特曼将读数归咎于传感器故障。但在 2021 年和 2022 年的后续旅行中，这种现象不断发生，并通过使用替代技术的测量证实了这一点。“我突然意识到，八年来，我一直在忽视这个可能在海底4000米深处的惊人新过程，”斯威特曼说。

 斯威特曼说，产生的氧气量并不小：腔室中的气体浓度高于在富含藻类的地表水中看到的浓度。斯威特曼调查过的其他地区都没有多金属结核，这表明这些岩石在产生这种“暗氧”中起着重要作用。

 作为对这一假设的第一次测试，该团队在他们船上的实验室中重现了海底发现的条件。他们监测了从海底收集的样本——其中包括多金属结核——并发现氧气浓度增加了，至少在一段时间内是这样。“他们开始产生氧气，达到一定程度。然后它们就停止了，“斯威特曼说——大概是因为驱动水分子分裂的能量耗尽了。这就留下了一个问题，即这种能量来自哪里。如果结核本身充当电池——通过化学反应产生能量——它们早就耗尽了。

——电势

 但是结核可以起到催化剂的作用，使水的分解和分子氧的形成成为可能。研究人员测量了结节表面的电压，发现电压差高达0.95伏。这并不完全是分裂水分子所需的1.5伏特，但是，原则上，可以以相同的方式产生更高的电压，就像通过串联两个电池可以使电池电压增加一倍一样，Sweetman说。

 该研究的合著者、伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的化学家弗朗茨·盖格（Franz Geiger）表示，目前尚不清楚该反应是否也会产生分子氢 - 由于催化剂，这在工业电解槽反应中发生 - 或者在水中释放质子，同时将剩余的电子拖到其他地方。但他说，理解它最终可能会有有用的应用。“也许在海底有一些蓝图可以帮助我们制造更好的催化剂。

 英国圣安德鲁斯大学的生物地球化学家Eva Stüeken表示，这些结果也可能对在太阳系外行星的光谱中寻找可能生命的特征的提议产生影响。“O 2 气体在其他行星上的存在可能必须更加谨慎地解释，”她说。

 斯威特曼说，在深海采矿开始之前，研究人员应该绘制出正在产生氧气的区域。否则，如果去除结核，依赖氧气的生态系统可能会崩溃。“如果有大量的氧气产生，这对生活在那里的动物来说可能很重要。

原文链接：https://doi.org/10.1038/d41586-024-02393-7