Химическа реакция може да произвежда кислород чрез разцепване на водните молекули, но източникът на енергия остава неизвестен

Нещо отделя големи количества кислород на дъното на Тихия океан, на дълбочина, където пълната липса на слънчева светлина прави фотосинтезата невъзможна.

Феноменът е открит в район, осеян с древни образувания с размерите на праскова, наречени полиметални конкреции, които биха могли да играят роля в производството на кислород, катализирайки разцепването на водните молекули, подозират изследователите. Откритията са публикувани в Nature Geoscience.

„Имаме още един източник на кислород на планетата, различен от фотосинтезата“, коментира съавторът на изследването Андрю Суитман (Andrew Sweetman), от Шотландската асоциация за морски науки в Обан, Великобритания - въпреки че механизмът на това производство на кислород остава загадка. Според него находките биха могли да имат отражение върху проучването на начина, по който е започнал животът, както и върху евентуалното въздействие на дълбоководния добив в региона.

Полиметалните конкреции се виждат на дъното на океана в зоната Кларион-Клипертън. Кредит: Geomar-Bilddatenbank/Wikimedia Commons

Според Суитман и колегите му ключът към откритието включва полиметалните конкреции (нодули), естествени минерални находища на океанското дъно. Тези конкреции, някои от които могат да бъдат малки като песъчинки, а други колкото бейзболна топка, са съставени от метали като кобалт, мед, литий, манган и никел, всичките важни за производството на батерии.

Наблюдението е „завладяващо“, отбелязва Доналд Канфийлд (Donald Canfield), биогеохимик в Университета на Южна Дания в Одензе. „Но го намирам за разочароващо, защото повдига много въпроси, а не дава много отговори“.

Суитман и неговите сътрудници за първи път забелязват нещо нередно по време на теренна работа през 2013 г. Изследователите проучват екосистемите на морското дъно в зоната Кларион-Клипертон - район между Хаваите и Мексико, който е по-голям от Индия и е потенциална цел за добив на богати на метали конкреции. По време на такива експедиции екипът освобождава модул, който потъва на морското дъно, за да извършва автоматизирани експерименти. Веднъж попаднал там, модулът спуска цилиндрични контейнери, за да затвори малки участъци от морското дъно - заедно с малко морска вода - и да създаде „затворен микрокосмос на морското дъно“, пишат авторите. След това спускаемият модул измерва как се променя концентрацията на кислород в затворената морска вода за период до няколко дни.

Местоположение на зоната Кларион-Клипертон. Кредит: Wikimedia Commons

КИСЛОРОДНИ ТЕЧЕНИЯ

Без фотосинтезиращи организми, които отделят кислород във водата, и без други организми, които консумират газа, концентрацията на кислород в камерите трябва бавно да спада. Суитман наблюдава това в проучванията, които е провел в райони на Южния, Арктическия и Индийския океан, както и в Атлантическия океан. По целия свят екосистемите на морското дъно дължат съществуването си на кислорода, пренасян от теченията от повърхността, и биха загинали бързо, ако бъдат прекъснати. (По-голямата част от този кислород произхожда от северната част на Атлантическия океан и се пренася до дълбините на океаните по целия свят чрез „глобален конвейер“).

Но в зоната Кларион-Клипъртън инструментите показват, че изолираната вода става по-богата, а не по-бедна на кислород. Първоначално Суитман обяснява показанията с неизправност на сензора. Но явлението продължава да се появява и по време на следващите пътувания през 2021 и 2022 г. и е потвърдено от измервания с алтернативна техника. „Изведнъж осъзнах, че в продължение на осем години съм пренебрегвал този потенциално невероятен нов процес, на 4000 метра дълбочина в океанското дъно“, признава Суитман.

Нов детайл на конкреция върху петриева паничкаПолиметална конкреция, открита на морското дъно, за която изследователите смятат, че може да участва в производството на кислород. Кредит: Camille Bridgewater

Количествата произведен кислород не са малки: газът в камерите достига концентрации, по-високи от тези, които се наблюдават в богатите на водорасли повърхностни води, разказва Суитман. В нито един от другите региони, които Суитман е изследвал, не са открити полиметални конкреции, което предполага, че тези скали имат важна роля в производството на този „тъмен кислород“.

Като първа проверка на тази хипотеза екипът пресъздава условията, открити на морското дъно, в лаборатория на своя кораб. Те наблюдават пробите, взети от морското дъно, които включват полиметални конкреции, и виждат, че концентрацията на кислород се увеличава, поне за известно време.

„Те започват да произвеждат кислород до определен момент. След това спират“, разказва Суитман, вероятно защото енергията, която задвижва разцепването на водните молекули, се изчерпва. Остава въпросът откъде идва тази енергия. Ако самите конкреции действат като батерии - произвеждащи енергия от химическа реакция - те отдавна щяха да са се изтощили.

ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ПОТЕНЦИАЛ

Но конкрециите биха могли да служат като катализатори, позволяващи разделянето на водата и образуването на молекулярен кислород.

Съавторът Франц Гайгер (Franz Geiger), химик от Северозападния университет в Еванстън, Илинойс, отбелязва, че все още не е ясно дали при реакцията се получава и молекулярен водород - което се случва при промишлените електролизни реакции благодарение на катализатор - или освобождава протони във водата, премествайки техните електрони някъде другаде.

Само 1,5 волта - приблизително напрежението на типична AA батерия - осигурява достатъчно енергия, за да раздели морската вода на водород и кислород. По време на тестването се наблюдава, че отделни конкреции произвеждат до 0,95 волта, което макар и да е изненадващо само по себе си, е доста под необходимото напрежение за електролиза. Въпреки това, Суитман и Гайгер установяват, че когато са групирани заедно, множество конкреции могат да функционират по същество като няколко батерии, свързани в последователно, осигурявайки достатъчно напрежение за производство на кислород.

В крайна сметка разбирането на този процес може да има полезни приложения, смята Суитман.

„Може би там, на дъното на океана, има някакъв процес, който може да ни помогне да правим по-добри катализатори."

Ева Стюкен (Eva Stüeken), биогеохимик от Университета в Сейнт Андрюс, Великобритания, подчертава, че резултатите могат да имат значение и за предложенията за търсене на признаци на възможен живот в светлинния спектър на извънслънчеви планети.

„Наличието на газ О2 на други планети може би ще трябва да се тълкува с допълнителна предпазливост“, посочва изследователката.

Relicanthus sp.—нов вид от нов разред Cnidaria, събран на 4100 метра в зоната Кларион-Клипертон, който живее върху морски гъби, прикрепени към конкрециите. Кредит: Craig Smith and Diva Amon, ABYSSLINE Project.

ДЪЛБОКОВОДЕН ДОБИВ НА ЦЕННИ МЕТАЛИ ИЛИ МОРСКИ ЖИВОТ

Суитман заявява, че преди да започне дълбоководен добив, изследователите трябва да картографират районите, в които се наблюдава производство на кислород. В противен случай екосистемите, които са станали зависими от този кислород, могат да се разрушат, ако конкрециите бъдат премахнати.

Тези „геобатерии“ в зоната Кларион-Клипертон вероятно притежават достатъчно енергия, за да отговорят на глобалните нужди от доставки за няколко десетилетия. Недостатъкът обаче е, че предишни проучвания отпреди няколко десетилетия разкриват, че райони, където е имало минен добив в дълбокия океан, не показват почти никакви признаци на възстановяване, дори до прости организми.

„През 2016 г. и 2017 г. морски биолози посетиха обекти, които са били добивани през 80-те години на миналия век, и откриха, че дори бактериите не са се възстановили в минните райони“, разказва Гайгер в скорошно изявление.

„В райони без мини обаче морският живот процъфтява“, добавя ученият.

Защо тези минни райони на океанското дъно остават истински „мъртви зони“ в продължение на десетилетия остава загадка.

За Гайгер подобни проблеми поставят „основна пречка за стратегиите за добив на морското дъно, тъй като разнообразието на фауната на океанското дъно в богатите на конкреции райони е с по-висок приоритет, отколкото най-разнообразните тропически гори“.

„Ако там се произвежда кислород в големи количества, това вероятно ще бъде важно за животните, които живеят там."

Справка: Sweetman, A.K., Smith, A.J., de Jonge, D.S.W. et al. Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8

Източници:

Mystery oxygen source discovered on the sea floor — bewildering scientists, Davide Castelvecchi, Nature, doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-02393-7

Scientists Locate Mysterious ‘Dark Oxygen’ on the Ocean Floor in Baffling Discovery that Challenges Ideas on Life’s Origins, The Debrief