深海暗氧的发现引发了关于外星生命的疑问

科学家发现克拉里昂-克利珀顿区海底的岩石可以在没有阳光的情况下产生氧气，这一发现可能会影响深海生态系统和外星生命的搜寻。资料来源：美国国家海洋和大气管理局

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个科学家小组发现，它们还能在海底产生氧气。

这一发现令人惊讶，因为氧气通常是由植物和生物在太阳的帮助下产生的，而不是由海底岩石产生的。我们呼吸的氧气中约有一半是由浮游植物在海洋表面附近制造的，这些浮游植物像陆地上的植物一样进行光合作用。由于光合作用需要阳光，在没有光照的海底发现氧气的产生，颠覆了传统的观点。这太出乎意料了，以至于参与研究的科学家们起初以为这是一个错误。

这项研究发表在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）上，作者之一、北京大学艺术与科学学院生物学助理教授杰弗里-马洛（Jeffrey Marlow）说："这真的很奇怪，因为以前从来没有人见过它。

太平洋海底的多金属结核，又称锰结核；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

马洛是研究生活在地球上最极端栖息地--如硬化熔岩和深海热液喷口--的微生物的专家，他最初怀疑微生物活动可能是制造氧气的原因。研究小组使用了深海腔室，这些腔室位于海底，将海水、沉积物、多金属结核和生物体封闭起来。然后，他们测量了舱内氧气含量在 48 小时内的变化情况。如果有大量生物呼吸氧气，那么氧气含量通常会下降，这取决于舱内有多少动物活动。但在这种情况下，氧气却在增加。

马洛说："我们做了大量的故障排除工作，发现在最初的测量之后，氧气含量又增加了许多倍。因此，我们现在确信这是一个真实的信号。"

调查"暗氧"的来源

马洛和他的同事们当时正在一艘研究船上，负责进一步了解夏威夷和墨西哥之间面积达 170 万平方英里的 CCZ 的生态环境，这项环境调查是由金属公司（The Metals Company）赞助的，该公司是一家深海采矿公司，有意大规模开采岩石中的金属。马洛和由苏格兰海洋科学协会的安德鲁-斯威特曼（Andrew Sweetman）领导的研究小组在船上进行实验后得出结论：尽管岩石上和岩石内部存在大量不同类型的微生物，但这种现象主要不是由微生物活动引起的。

英国大学研究员杰弗里-马洛（Jeffrey Marlow）说，新的氧气发现可能会改变人们对深海--以及其他星球上的生命和栖息地的传统看法。图片来源：Cydney Scott

多金属结核由包括铜、镍、钴、铁和锰在内的稀有金属组成，这也是公司有兴趣开采它们的原因。研究发现，这些密集的金属很可能引发了"海水电解"。这意味着岩层中的金属离子分布不均，造成电荷分离--就像电池内部发生的情况一样。这种现象产生的能量足以将水分子分裂成氧气和氢气。他们将这种现象命名为"暗氧"，因为它是在没有阳光照射的情况下产生的氧气。目前尚不清楚的是这种现象发生的确切机制，CCZ 中的氧气含量是否会发生变化，以及氧气在维持当地生态系统方面是否发挥着重要作用。

对深海采矿和生态系统的影响

金属公司称多金属结核为"岩石中的电池"，并在其网站上称，开采多金属结核可以加速向电池驱动的电动汽车过渡，并声称最终将不再需要在陆地上采矿。到目前为止，在克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）的开采还处于探索阶段，但负责管理该区域的联合国国际海底管理局最快将于明年开始做出开采决定。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其他南太平洋国家都强烈支持暂停或中止采矿计划。绿色和平组织（Greenpeace）和海洋保护组织（Ocean Conservancy）等环保活动团体呼吁永久禁止采矿，反对者担心采矿会对海底造成不可逆转的破坏。

与此同时，科学家们已经开始研究扰动一个基本未开发的生态系统可能产生的影响。这篇《自然地球科学》（Nature Geoscience ）论文对该地区在开始大规模采矿之前的基线条件提出了见解。

马洛说："我们不知道全部的影响，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造成什么影响，因为所有动物都需要氧气才能生存。"

天体生物学与寻找地外生命

克拉里昂-克利珀顿区也是研究地球上最小生物的理想环境，例如在沉积物和结核上发现的细菌和古细菌（单细胞生物）。马洛和他的合著者彼得-施罗德（Peter Schroedl，GRS'25）是北京大学生态学、行为学和进化项目的一名博士生，他们尤其专注于利用在CCZ等极端环境中发现的微生物作为模板，在其他行星和卫星上寻找单细胞生命--因为沙漠、火山和海底喷口是我们与火星和土星众多卫星最相似的地方。这就是所谓的天体生物学，一个试图通过研究地球系统为寻找外星生命提供信息的领域。

在马洛实验室工作的施罗德说："在像CCZ这样的环境中生活，为研究在独特的进化压力和限制条件下发展起来的生态系统提供了机会。他说，这些条件--深度、压力和水生环境--"类似于我们在冰卫星上已经测量到或有望发现的条件。"

例如，木星的卫星木卫二（Europa）和土星的卫星土卫二（Enceladus）都被冰层覆盖，阳光无法照射到冰层下的水。马洛说："谁知道呢--如果这些类型的岩石在冰层下制造氧气，那可能会让一个更有生产力的生物圈存在。如果不需要光合作用来制造氧气，那么其他拥有海洋和像这些结核一样富含金属的岩石的行星就可以维持一个比我们过去所认为的更进化的生物圈。"

马洛说，关于暗氧的发现对外星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追问。他说："在大多数情况下，我们认为深海是一个腐烂物质掉落的地方，动物吃掉残余物。但这一发现重新调整了这一动态，这有助于我们将深海视为一个生产地，类似于我们发现的甲烷渗漏和热液喷口，它们为海洋动物和微生物创造了绿洲。我认为这是一种有趣的反转，颠覆了我们对深海的看法。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41561-024-01480-8