Nat Geosci：深海发现无需阳光参与的氧气产生机制

地刊速览 · 海洋科技自媒体 · 2 天前

主要观点总结

最新研究发现，在深海沉积物中发现了一种能在黑暗环境下持续产生氧气的现象，该现象与多金属结核密切相关。这一发现挑战了人们对深海生态系统的传统认知，并为地球早期生命的演化提供了新的线索。研究团队通过模拟实验和排除法分析，发现多金属结核内部的金属离子在海水电势差的驱动下发生电解反应产生氧气。

关键观点总结

关键观点1: 深海发现持续产生氧气现象

在海底沉积物中发现了能在黑暗环境下持续产生氧气的现象，速率远高于已知的任何深海生物或化学过程。

关键观点2: 现象与多金属结核密切相关

研究团队通过模拟实验和排除法分析，发现该现象与多金属结核这种海底矿物密切相关。

关键观点3: 多金属结核内部金属离子电解反应产生氧气

科学家推测，多金属结核内部的金属离子可能充当了微型电池的正负极，在海水电势差的驱动下发生电解反应产生氧气。

关键观点4: 发现挑战了深海生态系统认知并可能为地球早期生命演化提供新线索

这一发现挑战了人们对深海生态系统的传统认知，并可能为地球早期生命的演化提供新的解释和线索。

正文

近日《自然·地球科学》杂志发表最新成果，在海底沉积物中发现能够在黑暗环境下持续产生氧气的现象，其速率远高于已知的任何深海生物或化学过程。模拟实验发现“黑暗产氧”现象与一种名为“多金属结核”的海底矿物密切相关。多金属结核内部的金属离子可能充当了微型电池的正负极，而海水则充当了电解质，在电势差的驱动下，海水发生电解反应，从而产生了氧气。这一惊人发现挑战了人们对深海生态系统的传统认知，或将为地球早期生命演化提供新的线索。

长期以来，科学家们普遍认为，深海是一个极度缺氧的环境。有机物的分解和生物的呼吸作用都会消耗氧气，而阳光无法穿透厚厚的水层到达深海，无法进行光合作用补充氧气。然而，近期科学家在进行深海采矿环境影响评估时，意外地发现，深海海底的氧气浓度竟然不降反升。

研究团队利用一种名为“海底呼吸室”的设备，对深海不同区域的海底沉积物进行了原位测量。结果显示，在为期两天的实验中，封闭呼吸室内的氧气浓度持续升高，最高可达初始值的3倍以上，且该现象在多个地点、不同深度和沉积物类型中均有出现。起初科研人员以为是仪器出现了故障，但反复检查后排除了这种可能性，科学家们意识到这可能是一个全新的科学发现。

图1 在不同的底栖室培养中，通过校准的O2光电二极管随时间（h）测量的氧气浓度（μmol/L）

为了找到“黑暗氧气工厂”的秘密，研究团队进行了大量的排除法分析。首先排除了海底热液喷口、富氧底流以及实验设备本身的影响。随后，通过对沉积物样本进行的实验室分析，发现“黑暗产氧”现象与一种名为“多金属结核”的海底矿物密切相关。

多金属结核是一种富含锰、铁、镍、铜等金属元素的球状或块状矿物，广泛分布于全球各大洋的海底，是深海采矿的重要目标资源。研究人员发现，多金属结核表面存在着微弱的电势差，最高可达0.95伏。

科学家推测，多金属结核内部的金属离子可能充当了微型电池的正负极，而海水则充当了电解质，在电势差的驱动下，海水发生电解反应，从而产生了氧气。

图2 结核表面背景校正电压电位的箱图

为了验证这一假设，研究团队在实验室中模拟了深海环境，将多金属结核浸泡在人工海水中，并使用铂电极测量其表面电势。结果与预期相符，多金属结核确实能够产生电势差，且电势差的大小与氧气产生速率呈正相关。

这一发现意味着深海中可能存在着一种全新的、无需阳光参与的氧气产生机制。这种机制的发现，不仅将改写我们对深海生态系统的认知，还可能为地球早期生命的演化提供新的解释。

在地球形成的早期，大气中几乎不存在氧气，生命主要以厌氧形式存在。直到大约24亿年前，地球上才出现了能够进行光合作用的蓝藻，开始向大气中释放氧气，为需氧生物的出现和繁荣创造了条件。一些科学家认为，在地球早期的大气和海洋中，氧气的含量可能存在着局部性的波动，而多金属结核的“黑暗产氧”机制，或许可以解释这种波动的原因。

在地球历史的某些时期，海底火山活动频繁，释放出大量的金属元素，形成了大量的多金属结核，这些多金属结核就像一个个微型氧气工厂，为早期生命的演化提供了必要的氧气。

目前关于“黑暗产氧”机制的研究还处于初步阶段，这一惊人发现挑战了我们对深海生态系统的传统认知，或将为地球早期生命演化提供新的线索。

论文信息：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

以上就是这篇文章的主要内容，如需了解详情，请阅读原文。

END

样品袋, 地质锤, 硬度笔, 记录本, 放大镜

学术润色,论文翻译,科学编辑.了解详情

地刊速览专注科普，尝试用最通俗的语言，对地球科学前沿进行科普式的介绍，一方面希望对地球科学研究人员有所帮助，另一方面向非地学背景人员展示地学之美。