太平洋克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）的黑暗海底布满了看起来像木炭块的东西。 这些貌不惊人的金属矿藏被称为多金属结核，含有锰和钴等用于生产电池的金属，使其成为深海采矿公司的目标。
现在研究人员发现，这些有价值的结核做了一件了不起的事情：它们产生氧气，而且无需阳光。“这是一个全新的、意想不到的发现，”斯克里普斯海洋研究所的生物海洋学荣誉教授丽莎·莱文说，她没有参与目前的研究。
波士顿大学微生物学家杰弗里·马洛说，地球上的一些氧气可能不是来自光合作用生物，而是来自完全黑暗中无生命的矿物质，这种观点“确实强烈地违背了我们传统上认为的氧气产生地以及氧气产生方式”。马洛是这项新研究的共同作者，该研究发表在《自然-地球科学》杂志上。
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发现的故事可以追溯到 2013 年，当时深海生态学家安德鲁·斯威特曼正面临一个令人沮丧的问题。他的团队一直在尝试测量 CCZ 海底生物消耗多少氧气。 研究人员将着陆器发送到 13,000 多英尺深处，并在海底创建封闭的腔室，以跟踪水中氧气水平随时间的下降情况。
但氧气水平并没有下降。 相反，它们显着上升。 斯威特曼认为传感器坏了，便将仪器送回制造商。 “在五年多的时间里，这种情况发生了四五次，”在苏格兰海洋科学协会研究海底生态学和生物地球化学的斯威特曼说。 “我真的告诉我的学生，‘把传感器扔进垃圾桶。 它们就是不好用。’”
然后，在 2021 年，他返回 CCZ 参加了一次由金属公司（一家深海采矿公司）赞助的调查探险。 他的团队再次使用着陆器在海底制作封闭的腔室并监测氧气水平。 他们这次使用了不同的技术来测量氧气，但观察到了同样的奇怪结果：氧气水平显着增加。 “突然，我意识到我一直忽略了这个非常重要的过程，我真该打自己，”斯威特曼说。
研究人员最初认为深海微生物正在产生氧气。 这个想法曾经可能看起来很牵强，但科学家们最近发现，一些微生物可以在没有阳光的情况下产生“暗氧”。 在重现海底条件的实验室测试中，斯威特曼和他的同事用氯化汞毒化海水以杀死微生物。 然而，氧气水平仍然升高。
科学家们推断，如果这种暗氧不是来自生物过程，那么它一定来自地质过程。 他们测试了一些可能的假设——例如结核中的放射性物质正在分解海水分子以产生氧气，或者有什么东西正在从结核的二氧化锰中提取氧气——但最终都排除了这些假设。 然后，在 2022 年的某一天，斯威特曼在观看一段关于深海采矿的视频时，听到有人将结核称为“岩石中的电池”。 这种营销手段只是一种比喻，但它让他想知道结核是否有可能充当天然地质电池。 如果它们带电，它们可能会通过称为海水电解的过程将海水分解为氢气和氧气。 （掉入盐水中的电池会产生类似的效果。）
“令人惊讶的是，这些结核表面几乎有 1 伏[的电荷]，”斯威特曼说； 相比之下，AA 电池的电压约为 1.5 伏。 结核可能会在生长过程中带电，因为不同的金属在数百万年的过程中不规则地沉积，并且在每一层之间形成电荷梯度。 海水电解是研究人员目前对暗氧产生的首要理论，他们计划进一步测试它。
然而，目前尚不清楚这些结核是否（或在多大程度上）在海底自然产生氧气。 在大多数实验中，氧气产生在两天后停止，这可能表明着陆器通过破坏环境中的某些东西导致了这种情况。 但马洛说，反应最终停止也可能是因为封闭腔室内的“瓶子效应”。 “产物积累，反应物消失，然后反应就停止了。 但在一个开放系统中……这可能是一个更持续的过程，”他解释道。
德国不莱梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的海洋生物地球化学家博·巴克·约根森对这些结核在未受干扰地留在海底时是否会产生氧气表示怀疑。 （约根森没有参与这项研究，但他是《自然-地球科学》杂志该论文的同行评审员之一。）尽管如此，他补充说，结核似乎确实通过电解产生氧气，“而这本身就是一个非常有趣的观察结果，据我所知，以前从未有人观察到过。”
研究人员尚不清楚这种氧气对于 CCZ 海底的生命是否重要。 结核和周围的沉积物是深海生物的栖息地，从微小的微生物到较大的“巨型动物”，如鱼类和海星。 生态系统中一半的巨型动物仅在结核上发现。 莱文说，这是一个“知之甚少的生态系统”。 “我们甚至还没有发现深海中的大多数物种，更不用说研究它们了。”
拟议的深海采矿项目将从 CCZ 海底的大片区域提取结核。 国际海底管理局（ISA）仍在起草关于开采结核和其他深海目标的规则和条例。 至少有 32 个 ISA 成员国呼吁暂停、预防性暂停或禁止深海采矿。
斯威特曼说，这些发现是“我们在决定‘我们是否应该去开采深海’时现在需要考虑的另一件事”。 “对我来说，这个决定需要以可靠的科学建议和意见为基础。”