海面以下4000多米處正在產生“暗”氧

2013年，一艘船在太平洋的偏遠地區首次觀測到了一種神秘現象，它太過荒謬，以至于海洋科學家安德魯 · 斯威特曼（Andrew Sweetman）確信是他的監測設備出了故障。

傳感器的讀數似乎顯示，距離海面4000多米的海底正在生成氧氣，但沒有光線可以照射到那里。之后，在三次前往克拉里昂-克利珀頓區的航行中，發生了同樣的狀況。

“基本上，我都是告訴我的學生，把傳感器收回盒子里，我們得把它們寄回給廠商檢測，因為這些數據太離譜了。”斯威特曼說道。他是英國蘇格蘭海洋科學協會的教授，也是該機構海底生態學和生物地球化學小組的負責人。“但每次廠家都回復說，它們沒問題，已經校準了。”

斯威特曼表示，像植物、浮游生物和藻類這樣的光合生物會利用陽光產生氧氣，這些氧氣會循環進入深海，但過往在深海進行的研究表明，深海生物只會消耗氧氣，不會產生氧氣。

如今，斯威特曼團隊的研究正在挑戰這一長期存在的假設：他們發現了不依賴光合作用產生的氧氣。

“當你發現一些違反常理的現象時，你會非常謹慎。”他說。

2024年7月發表在《自然-地球科學》期刊上的這項研究表明，人類對深海仍然知之甚少，同時也強調了在推動海底開采稀有金屬和礦物的過程中面臨的風險。該研究發現，在光合作用之外，地球上還存在另一種氧氣來源，這一發現具有深遠影響，可能有助于解開生命起源之謎。

海底采樣

斯威特曼首次觀察到海底產生“暗”氧時，正在為一個被指定開采土豆大小的多金屬結核的區域評估海洋生物多樣性。多金屬結核歷經數百萬年的化學過程形成，這些過程使得金屬從水中析出，圍繞貝殼碎片、魷魚喙和鯊魚牙齒形成結核，它們在海底覆蓋了相當大的面積。

這些結核中含有的鈷、鎳、銅、鋰和錳等金屬在太陽能電池板、電動汽車電池和其他綠色技術中的應用需求量極大。然而，批評者認為，深海采礦可能會對原始的水下環境造成不可逆轉的破壞，采礦設備產生的噪音和沉積物羽流不僅會影響中層水域的生態系統，還會危害那些常常依附在結核上的海底生物。

科學家還警告說，深海采礦可能會破壞海洋中碳的儲存方式，從而加劇氣候危機。

在2013年的那次實驗中，斯威特曼和他的同事們使用了一種深海著陸器，它沉入海底，將一個比鞋盒還小的密閉艙插入沉積物中，封閉住一小塊海底區域及其上方的小塊水域。

他原本預期傳感器會檢測到氧氣水平隨著時間推移緩慢下降，因為微小的動物會吸入這些氧氣。他計劃根據這一數據計算出所謂的“沉積物群落耗氧量”，它能夠提供有關海底動物和微生物活動的重要信息。然而，事實并非如此，氧氣含量不降反升。

直到2021年，當斯威特曼使用另一種備用方法檢測氧氣并得出了相同的結果時，他才接受海底真的有氧氣產生，并意識到他需要弄清楚這件事。

“我心想，天啊，在過去八九年里，我一直忽視了一些深刻而龐大的東西。”他說。

在接近十年的時間里，斯威特曼在克拉里昂-克利珀頓區的多個地點一次又一次地觀測到了這個現象。克拉里昂-克利珀頓區是一個綿延4000多英里（約6400千米）的大范圍區域，不受任何國家管轄。

研究團隊將一些沉積物、海水和多金屬結核樣本帶回實驗室研究，試圖了解氧氣究竟是如何產生的。

了解“暗”氧

通過一系列實驗，研究人員排除了微生物等生物過程的可能性，轉而將這種現象的起源鎖定在了結核本身。他們推斷，也許是結核中的氧化錳釋放出了氧氣。但斯威特曼表示，這種釋放并不是起因。

在巴西圣保羅一家酒店的酒吧里，斯威特曼曾觀看過一部有關深海采礦的紀錄片，這給了他啟發。“紀錄片里有誰說了句，那就是塊巖石中的電池，”他回憶道，“看到這里，我突然想，深海氧氣的生成會不會是電化學過程？這些被開采用于制造電池的結核，它們本身會不會就是電池呢？”

斯威特曼解釋說，即使是一節5號電池，將它放入鹽水中時，所產生的電流也足以將水分解成氧氣和氫氣——這一過程被稱為海水電解。他推測，結核可能在做類似的事情。

斯威特曼找到了美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學的電化學家弗朗茲 · 蓋格（Franz Geiger），兩人一同展開了進一步的研究。他們使用一種叫作萬用表的設備來測量微小的電壓和電壓變化，并從結核表面記錄到了0.95伏的電壓。

這些讀數低于海水電解所需的1.5伏電壓，但它們表明，結核聚集在一起時可能會形成顯著的電壓。

“看來，我們發現了一種天然的‘地質電池’，”蓋格在新聞發布會上表示，“這些地質電池可能是解釋海洋中‘暗氧’產生的依據。”

挑戰傳統范式

英國南安普敦國家海洋學中心的海洋生物地球科學小組主任丹尼爾 · 瓊斯（Daniel Jones）教授表示，深海結核能夠產生氧氣是“一項驚人且意外的發現”。他曾與斯威特曼合作，但未直接參與此次研究。瓊斯通過電子郵件表示：“這樣的發現展示了前往這些偏遠但重要的全球海洋區域進行遠洋科考的價值。”

據美國緬因州比格洛海洋科學實驗室的高級研究員貝絲 · 奧庫特（Beth Orcutt）稱，這項研究無疑挑戰了“深海中氧氣循環的傳統范式”。奧庫特雖然沒有參與此次研究，但她表示，該團隊提供了“足夠的支持數據來證明這一觀測結果是真實的信號”。

美國夏威夷大學馬諾阿分校的海洋學名譽教授克雷格 · 史密斯（Craig Smith）稱，地質電池假說是對暗氧產生的合理解釋。

“然而，就和其他任何新發現一樣，也可能還有其他解釋。”史密斯通過電子郵件表示。

史密斯同樣沒有參與這項研究。他表示：“由于這項研究的局限性，我們無法真正評估這種（暗氧產生）現象的重要性，但它確實表明，錳結核在深海海底具有潛在的、尚未被充分認識的生態系統功能。”

揭開生命起源之謎

美國地質調查局估計，克拉里昂-克利珀頓區擁有21.1萬億噸的多金屬結核，其中所含的關鍵金屬比全球陸地儲量的總和還要多。

根據《聯合國海洋法公約》，國際海底管理局負責管理該地區的采礦活動，并已發放了勘探合同。2024年7月，該組織在牙買加舉行會議，審議制定允許企業從海底開采金屬的新規則。

然而，包括英國和法國在內的幾個國家已表示了謹慎的態度，支持暫停或禁止深海采礦，以保護海洋生態系統和生物多樣性。2024年7月早些時候，美國夏威夷已經禁止在本州水域進行深海采礦。

斯威特曼和蓋格表示，在可能開采深海結核之前，采礦行業應考慮這一新發現的影響。

史密斯表示，考慮到采礦會對生物多樣性豐富的脆弱原始環境產生未知影響，他贊成暫停開采結核。

蓋格指出，20世紀80年代在該區進行的早期采礦嘗試給后人提供了警示。

“2016年和2017年，海洋生物學家考察了20世紀80年代采過礦的區域，發現連細菌都未能在這些區域恢復。”蓋格說。

“然而，在未開采的區域，海洋生物卻能夠蓬勃發展。這種‘死亡區’為何會持續存在數十年，目前還不得而知，”他補充道，“然而，這給海底采礦策略打上了一個大大的問號，因為結核富集區的海底動物多樣性比生物多樣性最為豐富的熱帶雨林還要高。”

斯威特曼的科學研究得到了兩家有意在克拉里昂-克利珀頓區采礦的公司的資助和支持，他表示，對深海采礦進行科學監督至關重要。

有關“暗氧”產生的細節，以及它在深海生態系統中扮演的角色，仍有許多未解之謎。

斯威特曼補充道，了解海底如何產生氧氣還有可能為生命起源之謎提供線索。長期以來，有一種理論認為，生命起源于深海的海底熱泉，而海水電解能夠在深海中形成氧氣的發現，或可激發人們對地球生命起源的新思考。

“我認為仍需要進行更多的科學研究，特別是圍繞暗氧的形成過程及其重要性，”斯威特曼說，“我希望這個開端能將我們引向一個令人驚嘆的結果。”

資料來源 CNN

本文作者凱蒂 · 亨特（Katie Hunt）是CNN的資深欄目制作人，也撰寫科學與健康領域的科學文章