Джерард Баррон, председатель и генеральный директор The Metals Company, держит конкрецию, извлеченную со дна моря в зоне Кларион-Клиппертон в Тихом океане в 2021 году. Компания планирует добывать эти конкреции, которые, по мнению исследователей, вырабатывают кислород под водой.
Двенадцать тысяч футов под поверхностью океана — это мир вечной полночи. Солнечный свет не может проникнуть на эту глубину, чтобы способствовать фотосинтезу, поэтому там не вырабатывается кислород. Тем не менее, в этом окутанном тьмой регионе в изобилии содержится газ, необходимый для поддержания жизни, благодаря необычной кислородной фабрике: «камням-батареям» размером с картофелину на морском дне.
Новое исследование опубликовано на этой неделе в журнале Природа Геонауки показывает, что природа изобрела способ производить кислород без участия растений. Это «удивительное и неожиданное открытие», — говорит Дэниел Джонс, исследователь из Национального океанографического центра в Великобритании, который не принимал участия в исследовании, в интервью Кэти Хант из CNN.
Ранее ученые считали, что кислород является продуктом самой жизни, а именно, созданным фотосинтезирующими автотрофами, такими как растения и водоросли. Но новое исследование переворачивает это упрощенное представление. Фактически, открытие было настолько поразительным, что когда ведущий автор Эндрю Свитман впервые измерил этот «темный кислород» в зоне Кларион-Клиппертон в Тихом океане в 2013 году, он сразу же его отверг.
«Я просто проигнорировал это, потому что меня учили — кислород можно получить только посредством фотосинтеза», — рассказал Свитман, эколог из Шотландской ассоциации морских наук, Виктории Гилл из BBC News. «В конце концов я понял, что годами игнорировал это потенциально огромное открытие».
Отслеживание происхождения «темного кислорода»
Свитмен был частью исследовательской группы, которая стремилась измерить, сколько кислорода потребляется организмами на дне океана. То, что он увидел в морской воде, зачерпнутой с глубины, было повышением уровня кислорода вместо прогнозируемого снижения. Сначала он подумал, что его датчики неисправны, и отправил их обратно производителю для повторной калибровки — четыре-пять раз.
В 2021 году у Свитмена появилась возможность вернуться на то же место, на этот раз, чтобы исследовать морское дно для глубоководной горнодобывающей компании Metals Company. Используя другую технику, команда Свитмена снова измерила резкое увеличение растворенного кислорода, пишет Научный американецЭллисон Паршалл. Наконец-то у него появились веские основания серьезно отнестись к цифрам — и мотивация заняться поисками настоящего источника кислорода.
Сначала был процесс устранения. Ученые исключили возможность того, что за этим стояли микробы: в лабораторных испытаниях, имитирующих морское дно, исследователи убили все организмы в воде с помощью хлорида ртути. Однако уровень кислорода все равно вырос.
Этот регион CCZ был усеян похожими на камни комками, известными как полиметаллические конкреции, которые образуются, когда металлы, такие как марганец и кобальт, выпадают из воды и слипаются вокруг фрагментов раковин или зубов акулы. Ученые сосредоточились на этих металлах как на источнике кислорода, но они все еще не были уверены, как они создали газ. Например, кислород не был вызван радиоактивными веществами в конкрециях, расщепляющими молекулы воды, или разложением кислородсодержащих минералов, таких как оксид марганца.
Прорыв случился, когда Свитмен смотрел документальный фильм о глубоководной добыче полезных ископаемых в баре отеля в Сан-Паулу, Бразилия. По данным CNN, он услышал, как персонаж назвал конкреции «батарейкой в камне». В его мозгу загорелась идея: может ли кислород генерироваться электрохимическим путем?
Если вы поместите стандартную батарейку АА в соленую воду, вы увидите пузырьки и услышите шипение — это образование газов водорода и кислорода, когда электричество расщепляет молекулы воды, процесс, известный как электролиз. Исследователи подозревали, что то же самое происходит в глубоком океане, благодаря полиметаллическим конкрециям. Действительно, измерения напряжения на поверхности конкреций подтвердили, что камни содержали столько же сока, сколько 0,95 вольта. Это было немного меньше теоретического требования в 1,5 вольта для электролиза морской воды, но исследователи подозревали, что конкреции, сгруппированные вместе, помогли реакции преодолеть это препятствие.
«Это одна из самых захватывающих вещей, над которыми (я и моя лаборатория) когда-либо работали», — говорит Франц Гейгер, физико-химик из Северо-Западного университета и соавтор статьи. Научный американец.
Естественные каменные батареи заставляют ученых расширять теории эволюционной траектории жизни. Ученые предполагали, что сложная жизнь развилась после того, как фотосинтезирующие цианобактерии выработали достаточно кислорода на ранней Земле. Возможно, жизнь могла бы выровняться в карманах, питаясь кислородом в неожиданных местах.
«Я думаю, что нам поэтому нужно пересмотреть такие вопросы, как: где могла зародиться аэробная жизнь?» — говорит Свитман. Живая наукаСаша Паре. Тот же процесс может происходить и в других океанических мирах, таких как Энцелад и Европа.
Цели глубоководной добычи полезных ископаемых
Независимо от того, приложили ли они руку к формированию эволюции жизни или нет, конкреции важны для морской жизни сегодня. Исследование CCZ в 2013 году показало, что половина задокументированных видов мегафауны — тех, которые достаточно велики для того, чтобы их можно было различить невооруженным глазом — присутствовали только на конкрециях. Глубокое море остается плохо изученным регионом с точки зрения биоразнообразия, и до двух третей его обитателей до сих пор неизвестны науке.
Однако CCZ уже привлекает интерес своим глубоководным добывающим потенциалом. Те самые конкреции, которые выполняют эту кислородогенерирующую алхимию, также являются объектом добычи из-за их богатства редкоземельными металлами. Эти элементы, в том числе кобальт, никель, медь и марганец, являются важными компонентами в аккумуляторах, смартфонах, ветряных турбинах и солнечных панелях.
Глубоководная добыча полезных ископаемых, которая все еще находится на экспериментальной стадии, а не является полномасштабной отраслью, вызвала огромную негативную реакцию. На данный момент 27 стран и 52 корпорации пообещали поддержать мораторий на глубоководную добычу полезных ископаемых. Более 800 ученых и экспертов по политике подали петиции против этой практики. Добыча полезных ископаемых в международных водах, таких как CCZ, регулируется Международным органом по морскому дну, который выдает разрешения на разведку полезных ископаемых.
Компания Metals Company, та же фирма, которая спонсировала новое исследование, первой получила разрешение на проведение горнодобывающего эксперимента в 2022 году, к удивлению и разочарованию защитников окружающей среды. На сегодняшний день частным компаниям было предоставлено 16 контрактов на глубоководную добычу полезных ископаемых для обследования примерно 400 000 квадратных миль морского дна в CCZ.
Исследования, подобные исследованиям Свитмена, важны для раскрытия полного масштаба того, что поставлено на карту. «Я не считаю, что это исследование положит конец горнодобывающей промышленности», — сказал он BBC News. Но исследователи могут собрать данные, которые помогут заинтересованным сторонам принимать обоснованные решения и, возможно, зародить новые идеи о том, как минимизировать последствия, если — или когда — отрасль когда-либо сдвинется с мертвой точки.
