太平洋克拉里昂-克利珀頓區（CCZ）的黑暗海底佈滿了看起來像木炭塊的東西。 這些貌不驚人的金屬礦藏被稱為多金屬結核，含有錳和鈷等用於生產電池的金屬，使其成為深海採礦公司的目標。
現在研究人員發現，這些有價值的結核做了一件了不起的事情：它們產生氧氣，而且無需陽光。“這是一個全新的、意想不到的發現，”斯克裡普斯海洋研究所的生物海洋學榮譽教授麗莎·萊文說，她沒有參與目前的研究。
波士頓大學微生物學家傑弗裡·馬洛說，地球上的一些氧氣可能不是來自光合作用生物，而是來自完全黑暗中無生命的礦物質，這種觀點“確實強烈地違背了我們傳統上認為的氧氣產生地以及氧氣產生方式”。馬洛是這項新研究的共同作者，該研究發表在《自然-地球科學》雜誌上。
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發現的故事可以追溯到 2013 年，當時深海生態學家安德魯·斯威特曼正面臨一個令人沮喪的問題。他的團隊一直在嘗試測量 CCZ 海底生物消耗多少氧氣。 研究人員將著陸器傳送到 13,000 多英尺深處，並在海底建立封閉的腔室，以跟蹤水中氧氣水平隨時間的下降情況。
但氧氣水平並沒有下降。 相反，它們顯著上升。 斯威特曼認為感測器壞了，便將儀器送回製造商。 “在五年多的時間裡，這種情況發生了四五次，”在蘇格蘭海洋科學協會研究海底生態學和生物地球化學的斯威特曼說。 “我真的告訴我的學生，‘把感測器扔進垃圾桶。 它們就是不好用。’”
然後，在 2021 年，他返回 CCZ 參加了一次由金屬公司（一家深海採礦公司）贊助的調查探險。 他的團隊再次使用著陸器在海底製作封閉的腔室並監測氧氣水平。 他們這次使用了不同的技術來測量氧氣，但觀察到了同樣的奇怪結果：氧氣水平顯著增加。 “突然，我意識到我一直忽略了這個非常重要的過程，我真該打自己，”斯威特曼說。
研究人員最初認為深海微生物正在產生氧氣。 這個想法曾經可能看起來很牽強，但科學家們最近發現，一些微生物可以在沒有陽光的情況下產生“暗氧”。 在重現海底條件的實驗室測試中，斯威特曼和他的同事用氯化汞毒化海水以殺死微生物。 然而，氧氣水平仍然升高。
科學家們推斷，如果這種暗氧不是來自生物過程，那麼它一定來自地質過程。 他們測試了一些可能的假設——例如結核中的放射性物質正在分解海水分子以產生氧氣，或者有什麼東西正在從結核的二氧化錳中提取氧氣——但最終都排除了這些假設。 然後，在 2022 年的某一天，斯威特曼在觀看一段關於深海採礦的影片時，聽到有人將結核稱為“岩石中的電池”。 這種營銷手段只是一種比喻，但它讓他想知道結核是否有可能充當天然地質電池。 如果它們帶電，它們可能會透過稱為海水電解的過程將海水分解為氫氣和氧氣。 （掉入鹽水中的電池會產生類似的效果。）
“令人驚訝的是，這些結核表面幾乎有 1 伏[的電荷]，”斯威特曼說； 相比之下，AA 電池的電壓約為 1.5 伏。 結核可能會在生長過程中帶電，因為不同的金屬在數百萬年的過程中不規則地沉積，並且在每一層之間形成電荷梯度。 海水電解是研究人員目前對暗氧產生的首要理論，他們計劃進一步測試它。
然而，目前尚不清楚這些結核是否（或在多大程度上）在海底自然產生氧氣。 在大多數實驗中，氧氣產生在兩天後停止，這可能表明著陸器透過破壞環境中的某些東西導致了這種情況。 但馬洛說，反應最終停止也可能是因為封閉腔室內的“瓶子效應”。 “產物積累，反應物消失，然後反應就停止了。 但在一個開放系統中……這可能是一個更持續的過程，”他解釋道。
德國不萊梅馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的海洋生物地球化學家博·巴克·約根森對這些結核在未受干擾地留在海底時是否會產生氧氣表示懷疑。 （約根森沒有參與這項研究，但他是《自然-地球科學》雜誌該論文的同行評審員之一。）儘管如此，他補充說，結核似乎確實透過電解產生氧氣，“而這本身就是一個非常有趣的觀察結果，據我所知，以前從未有人觀察到過。”
研究人員尚不清楚這種氧氣對於 CCZ 海底的生命是否重要。 結核和周圍的沉積物是深海生物的棲息地，從微小的微生物到較大的“巨型動物”，如魚類和海星。 生態系統中一半的巨型動物僅在結核上發現。 萊文說，這是一個“知之甚少的生態系統”。 “我們甚至還沒有發現深海中的大多數物種，更不用說研究它們了。”
擬議的深海採礦專案將從 CCZ 海底的大片區域提取結核。 國際海底管理局（ISA）仍在起草關於開採結核和其他深海目標的規則和條例。 至少有 32 個 ISA 成員國呼籲暫停、預防性暫停或禁止深海採礦。
斯威特曼說，這些發現是“我們在決定‘我們是否應該去開採深海’時現在需要考慮的另一件事”。 “對我來說，這個決定需要以可靠的科學建議和意見為基礎。”