科学家们困惑了：海底发现了奇怪的氧气来源

一种化学反应可以通过分解水分子产生氧气，但其能量来源尚不清楚。

　　

在海底发现了一种“暗氧”的来源。在太平洋的底部，有什么东西在泵出大量的氧气，在完全缺乏阳光的深处，光合作用是不可能的。

这种现象是在一个被称为多金属结核的古老的李子大小的地层中发现的，研究人员怀疑，多金属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《Nature Geoscience》杂志上。

“除了光合作用，我们在地球上还有另一种氧气来源，”该研究的合著者、英国奥本苏格兰海洋科学协会的海底生态学家Andrew Sweetman说，尽管这种氧气产生的机制仍然是个谜。他说，这些发现还可能对了解生命的起源以及该地区深海采矿的可能影响产生影响。

位于欧登塞的南丹麦大学的生物地球化学家Donald Canfield说，这一观察结果“令人着迷”。“但我觉得这很令人沮丧，因为它提出了很多问题，却没有多少答案。”

Sweetman和他的合作者在2013年的实地工作中首次注意到一些问题。研究人员正在克拉里昂-克利珀顿区研究海底生态系统。克拉里昂-克利珀顿区位于夏威夷和墨西哥之间，面积比印度还大，是开采富含金属结核的潜在目标。在这样的探险中，该团队释放一个沉入海底的模块来进行自动化实验。作者写道，一旦到达那里，该模块将驱动圆柱形腔室向下封闭海底的一小部分-连同一些海水-并创建“一个封闭的海底微观世界”。然后，着陆器测量密闭海水中氧气浓度在长达几天的时间内是如何变化的。

氧气流

没有任何光合作用生物向水中释放氧气，而有任何其他生物消耗这些气体，舱内的氧气浓度应该会慢慢下降。Sweetman在他对南、北极、印度洋和大西洋地区进行的研究中看到了这种情况。在世界范围内，海底生态系统的存在要归功于来自地表的洋流携带的氧气，如果被切断，它们将很快死亡。(大部分氧气来自北大西洋，通过“全球传送带”输送到世界各地的深海。)

但在克拉里昂-克利珀顿区，仪器显示，被隔离的水的氧气含量变得更丰富，而不是更少。起初，Sweetman将读数归因于传感器故障。但在随后的2021年和2022年的旅行中，这种现象不断发生，并通过另一种技术的测量得到了证实。Sweetman说:“我突然意识到，八年来我一直忽视了这个潜在的惊人的新过程，在海底4000米的地方。”

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。

产生的氧气量并不小:Sweetman说，舱内的气体浓度比在富含藻类的地表水中看到的浓度还要高。Sweetman调查过的其他地区都没有含有多金属结核，这表明这些岩石在这种“暗氧”的产生中起着重要作用。

作为对这一假设的第一次测试，研究小组在船上的实验室里重现了海底的环境。他们监测了从海底收集的样本——其中包括多金属结核——发现氧气浓度至少在一段时间内有所增加。“在一定程度上，它们开始产生氧气。然后它们就停止了，”Sweetman说——大概是因为驱动水分子分裂的能量耗尽了。这就留下了能量来自哪里的问题。如果这些结核本身就像电池一样——通过化学反应产生能量——那么它们早就耗尽了。

电势

但结核可以作为催化剂，使水分解和分子氧的形成成为可能。研究人员测量了结核表面的电压，发现电压差高达0.95伏。Sweetman说，这还没有达到分解一个水分子所需的1.5伏电压，但原则上，更高的电压可以产生，就像把两块电池串联起来，电池电压可以增加一倍一样。

研究报告的合著者、伊利诺斯州埃文斯顿西北大学的化学家Franz Geiger说，目前还不清楚该反应是否也会产生氢分子——这在工业电解反应中由于催化剂而发生——或者在水中释放质子，同时将剩余的电子转移到其他地方。但他说，了解它最终可能会有有用的应用。“也许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 steken说，这些结果也可能对在太阳系外行星的光谱中寻找可能存在生命的迹象的建议产生影响。她说:“在其他行星上存在氧气可能需要额外的谨慎来解释。”

Sweetman说，在深海采矿开始之前，研究人员应该绘制出氧气产生区域的地图。否则，如果这些结节被移除，依赖氧气的生态系统可能会崩溃。“如果有大量的氧气产生，这可能对生活在那里的动物很重要。”