波士顿大学的研究人员在克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）的深海岩石中发现了一种名为“暗氧”的氧气产生现象。这种氧气不是由光合作用产生，而是由海底岩石中的金属离子分布不均引起的海水电解反应。这一发现不仅对深海采矿有影响，还可能对天体生物学和寻找外星生命提供线索。
科学家发现，CCZ 海底的岩石在没有阳光的情况下也会产生氧气，这一发现可能会影响深海生态系统和寻找外星生命。图片来源：NOAA
克拉里昂-克利珀顿断裂带(Clarion-Clipperton Zone或CCZ），是太平洋一片由国际海底管理局监管的海底区域。克拉里昂和克利珀顿是北太平洋海床五个主要断裂带中的两个。克拉里昂-克利珀顿断裂带全长大约7240公里，占地约450万平方公里，区域内多为山地。
波士顿大学的研究人员在正在进行深海采矿勘探的地区发现了一个惊人的现象：岩石正在产生一种被称为“暗氧”的氧气。在太平洋表面以下12,000多英尺的克拉里昂-克利珀顿区（CCZ），古老的岩石覆盖着海底，已有数百万年的历史。尽管这些岩石可能看起来没有生命，但它们的表面却栖息着微小的海洋生物和微生物，其中许多生物和微生物独特地适应了黑暗中的生活。
这些被称为多金属结核的深海岩石不仅栖息着数量惊人的海洋生物，包括波士顿大学专家在内的一组科学家发现它们也在海底产生氧气。考虑到氧气通常是由植物和生物在太阳的帮助下产生的，而不是由海底的岩石产生的，这一发现令人惊讶。我们呼吸的氧气中约有一半是由海洋表面附近的浮游植物产生的，这些浮游植物就像陆地植物一样进行光合作用。由于进行光合作用，在没有光的海底发现氧气的产生，颠覆了传统观念。参与这项研究的科学家们首先出乎意料的是认为这是一个错误。
揭开新现象的面纱
“这真的很奇怪，因为以前没有人见过它，”波士顿大学艺术与科学学院生物学助理教授、这项研究的合著者杰弗里·马洛（Jeffrey Marlow）说，该研究发表在《自然地球科学》上。
太平洋海底的多金属结核，也称为锰结核；令人惊讶的新研究表明，深海岩石能够在没有植物或太阳帮助的情况下产生氧气。图片来源：Wikimedia Commons/Geomar Bilddatenbank/ROV KIEL 6000、GEOMAR
作为生活在地球上最极端栖息地（如硬化熔岩和深海热液喷口）的微生物专家，马洛最初怀疑微生物活动可能是产生氧气的原因。研究小组使用了位于海底的深海舱室，里面装有海水、沉积物、多金属结核和生物体。然后他们测量了48小时内室内氧气水平的变化情况。如果有大量生物体呼吸氧气，那么氧气水平通常会下降，具体取决于室内有多少动物活动。但在这种情况下，氧气正在增加。
“我们进行了大量的误差排除，发现在初次测量后，氧气含量增加了很多倍，”马洛说。“所以我们现在确信这是一个真实的信号。”
调查“暗氧”的来源
他和他的同事登上了一艘研究船，任务是更多地了解CCZ的生态，该区域在夏威夷和墨西哥之间横跨170万平方英里，进行一项由金属公司（The Metals Company）赞助的环境调查，该公司是一家深海采矿公司，对开采石油感兴趣。岩石聚集成金属。在船上进行实验后，马洛和苏格兰海洋科学协会安德鲁·斯威特曼领导的团队得出结论，这种现象主要不是由微生物活动引起的，尽管船上和内部都有大量不同类型的微生物岩石。
多金属结核由铜、镍、钴、铁和锰等稀有金属组成，这就是公司对开采它们感兴趣的原因。研究表明，这些密集的金属很可能引发“海水电解”。这意味着岩石层中的金属离子分布不均匀，产生电荷分离——就像电池内部发生的情况一样。这种现象产生足够的能量将水分子分解成氧气和氢气。他们将其命名为“暗氧”，因为它是在没有阳光的情况下产生的氧气。目前尚不清楚的是这种情况发生的确切机制，CCZ内的氧气水平是否存在差异，以及氧气是否在维持当地生态系统方面发挥着重要作用。
波士顿大学研究员杰弗里·马洛表示，新的氧气发现可能会改变对深海和其他行星上的生命和栖息地的传统思维。图片来源：西德尼·斯科特
对深海采矿和生态系统的影响
金属公司将多金属结核称为“岩石中的电池”，并在其网站上表示，开采它们可以加速向电池驱动的电动汽车的过渡，并声称最终将不再需要在陆地上采矿。到目前为止，CCZ的采矿还处于探索阶段，但管理该地区的联合国国际海底管理局可能最早明年开始就采矿做出决定。金属公司正在与瑙鲁、汤加和基里巴斯等太平洋国家合作以获得采矿许可证，但包括帕劳、斐济和图瓦卢在内的许多南太平洋国家都公开支持暂停或暂停采矿计划。绿色和平组织和海洋保护协会等环保活动组织呼吁永久禁止该行动，反对该行动的人担心这可能会对海底造成不可逆转的损害。
与此同时，科学家们已经开始研究扰乱很大程度上未经开发的生态系统的潜在影响。这篇《自然地球科学》论文在任何大规模采矿开始之前提供了有关该地区基线条件的见解。
“我们不知道全部含义，但对我来说，这一发现表明我们应该深入考虑改变这些系统会对动物群落产生什么影响，”马洛说，因为所有动物都需要氧气才能生存。
天体生物学和寻找外星生命
CCZ也是研究地球上最小生物的完美环境，例如沉积物和结核中发现的细菌和古细菌（单细胞生物）。Marlow和他的合著者Peter Schroedl（GRS'25）是BU生态学、行为和进化项目的博士生，他们特别关注使用在CCZ等极端环境中发现的微生物作为在其他行星和其他行星上寻找单细胞生命的模板。卫星——因为沙漠、火山和海底喷口是我们与和的许多卫星。这被称为天体生物学，该领域旨在通过研究地球系统来为寻找外星生命提供信息。
“像CCZ这样的环境中的生命提供了一个机会来研究在独特的进化压力和限制下发展的生态系统，”在马洛实验室工作的施罗德说。他说，这些条件——深度、压力和水生环境——“类似于我们在冰冷卫星上测量或期望发现的条件”。例如，的卫星、土卫二和土星的卫星
马洛说，关于暗氧的发现对地外海洋和我们自己的海洋意味着什么，还有很多问题需要继续问。
“在大多数情况下，我们认为深海是腐烂物质掉落的地方，动物会吃掉残留物。但这一发现正在重新调整这种动态，”他说。“它帮助我们将深海视为生产地，类似于我们在甲烷渗漏和热液喷口中发现的为海洋动物和微生物创造绿洲的情况。我认为这是我们对深海的看法的有趣反转。”
参考文献：
“深海海底产生暗氧的证据”，作者：Andrew K. Sweetman、Alycia J. Smith、Danielle SW de Jonge、Tobias Hahn、Peter Schroedl、Michael Silverstein、Claire Andrade、R. Lawrence Edwards、Alastair JM Lough，Clare Wills、William B. Homoky、Andrea Koschinsky、Sebastian Fuchs、Thomas Kuhn、Franz Geiger 和 Jeffrey J. Marlow，2024年7月22日，《自然地球科学》。 DOI：10.1038/s41561-024-01480-8
改编自波士顿大学最初发表的一篇文章。