Загадочное явление, впервые наблюдаемое в 2013 году на борту судна в отдаленной части Тихого океана, оказалось настолько нелепым, что убедило океанолога Эндрю Свитмана в неисправности его оборудования для мониторинга.
Показания датчиков, по-видимому, показывали, что кислород вырабатывается на морском дне на глубине 4000 метров (около 13 100 футов) под поверхностью, куда не проникает свет. То же самое произошло во время трех последующих рейсов в регион, известный как зона Кларион-Клиппертон.“По сути, я сказал своим студентам: просто положите датчики обратно в коробку. Мы отправим их обратно производителю и протестируем, потому что они просто несут нам чушь ”, - сказал Свитман, профессор Шотландской ассоциации морских наук и руководитель группы экологии морского дна и биогеохимии института. “И каждый раз производитель отвечал:‘Они работают. Они откалиброваны ”.
Фотосинтетические организмы, такие как растения, планктон и водоросли, используют солнечный свет для производства кислорода, который циркулирует в глубинах океана, но предыдущие исследования, проведенные в глубоководных районах, показали, что кислород только потребляется, а не вырабатывается организмами, которые там живут, сказал Свитман.
Теперь исследование его команды ставит под сомнение это давнее предположение, обнаружив, что кислород образуется без фотосинтеза.
“Вы проявляете осторожность, когда видите что-то, что идет вразрез с тем, что должно происходить”, - сказал он.
Исследование, опубликованное в понедельник в журнале Nature Geoscience, демонстрирует, как много еще неизвестно об океанских глубинах, и подчеркивает, что поставлено на карту в стремлении добывать на дне океана редкие металлы и минералы. Открытие о том, что на планете есть другой источник кислорода, помимо фотосинтеза, также имеет далеко идущие последствия, которые могут помочь разгадать происхождение жизни.
Отбор проб с морского дна
Свитман впервые сделал неожиданное наблюдение о том, что “темный” кислород вырабатывается на морском дне, при оценке морского биоразнообразия в районе, предназначенном для добычи полиметаллических конкреций размером с картофелину. Конкреции образуются в течение миллионов лет в результате химических процессов, которые заставляют металлы осаждаться из воды вокруг фрагментов раковин, клювов кальмаров и зубов акул и покрывают удивительно большую площадь морского дна.
Металлы, такие как кобальт, никель, медь, литий и марганец, содержащиеся в конкрециях, пользуются большим спросом для использования в солнечных панелях, аккумуляторах для электромобилей и других экологически чистых технологиях. Однако критики говорят, что глубоководная добыча полезных ископаемых может нанести непоправимый ущерб нетронутой подводной среде, поскольку шум и шлейфы наносов, создаваемые горным оборудованием, наносят ущерб экосистемам средней части воды, а также организмам на морском дне, которые часто живут на конкрециях.
Iэти ученые предупреждают, что также возможно, что глубоководная добыча полезных ископаемых может нарушить способ накопления углерода в океане, способствуя климатическому кризису.
Для этого эксперимента 2013 года Свитман и его коллеги использовали глубоководный спускаемый аппарат, который опускается на морское дно, чтобы погрузить в осадок камеру размером меньше обувной коробки, чтобы окружить небольшой участок морского дна и объем воды над ним.
Он ожидал, что датчик обнаружит, что уровень кислорода медленно падает с течением времени по мере того, как микроскопические животные вдыхают его. Исходя из этих данных, он планировал рассчитать так называемое “потребление кислорода сообществом донных отложений”, которое дает важную информацию об активности фауны морского дна и микроорганизмов.
Только в 2021 году, когда Свитман использовал другой, резервный метод обнаружения кислорода, и он дал тот же результат, он признал, что кислород вырабатывается на морском дне, и ему нужно было разобраться в том, что происходит.
“Я подумал:‘Боже мой, последние восемь или девять лет я просто игнорировал нечто глубокое и грандиозное”, - сказал он.
Свитман наблюдал это явление снова и снова на протяжении почти десятилетия в нескольких местах в зоне Кларион-Клиппертон, большой территории, которая простирается более чем на 4000 миль (6400 километров) и находится за пределами юрисдикции какой-либо одной страны.
Команда взяла некоторые образцы донных отложений, морской воды и полиметаллических конкреций для изучения в лаборатории, чтобы попытаться точно понять, как производился кислород.
Понимание темного кислорода
В ходе серии экспериментов исследователи исключили биологические процессы, такие как деятельность микробов, и выделили сами конкреции как источник явления. Возможно, рассуждали они, это кислород, выделяющийся из оксида марганца в конкреции. Но такое выделение не было причиной, сказал Свитман.
Документальный фильм о глубоководной добыче полезных ископаемых, который Свитман посмотрел в баре отеля в Сан-Паулу, Бразилия, стал настоящим прорывом. “На снимке кто-то сказал:‘ Это батарейка в камне”, - вспоминал он. “Наблюдая за этим, я вдруг подумал, может ли это быть электрохимическим? Эти штуки, которые они хотят добывать для изготовления аккумуляторов, могут ли они сами быть аккумуляторами? ”
Электрический ток, даже от батарейки типа АА, при помещении в соленую воду, может расщеплять воду на кислород и водород — процесс, известный как электролиз морской воды, сказал Свитман. Возможно, конкреция делала нечто подобное, предположил он.
Свитман обратился к Францу Гейгеру, электрохимику из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, и вместе они продолжили исследование. Используя устройство, называемое мультиметром, для измерения крошечных напряжений и вариаций напряжений, они зафиксировали показания 0,95 вольт с поверхности конкреций.
Эти показания были меньше, чем напряжение в 1,5, необходимое для электролиза морской воды, но предполагали, что значительные напряжения могут возникать, когда конкреции сгруппированы вместе.
“Похоже, что мы обнаружили естественную ”геобатарею", - сказал Гейгер, профессор химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Северо-Западном колледже искусств и наук Вайнберга в пресс-релизе. “Эти геобатареи являются основой для возможного объяснения образования темного кислорода в океане”.
Бросая вызов парадигме
Открытие того, что абиссальные, или глубоководные, конкреции вырабатывают кислород, является “удивительной и неожиданной находкой”, - сказал Дэниел Джонс, профессор и руководитель отдела океанологических исследований в Национальном центре океанографии в Саутгемптоне, Англия, который работал со Свитманом, но не принимал непосредственного участия в исследовании. “Подобные находки демонстрируют ценность морских экспедиций в эти отдаленные, но важные районы мирового океана”, - сказал он по электронной почте.
На этом снимке от 24 апреля 2016 года, предоставленном NOAA, изображена биолюминесцентная медуза во время глубоководного исследования района Морского национального памятника Марианская впадина в Тихом океане недалеко от Гуама и Сайпана. Погружения в ходе экспедиции проходили на глубине от 250 до 6000 метров (820 футов - 3,7 мили). (Управление исследований океана NOAA через AP)
Исследование определенно бросает вызов “традиционной парадигме круговорота кислорода в морских глубинах”, по словам Бет Оркатт, старшего научного сотрудника Лаборатории океанологии Бигелоу в штате Мэн. Но команда предоставила “достаточные подтверждающие данные, чтобы подтвердить наблюдение как истинный сигнал”, - сказал Оркатт, который не принимал участия в исследовании.
Крейг Смит, почетный профессор океанографии Гавайского университета в Маноа, назвал гипотезу геобатареи разумным объяснением образования темного кислорода.
“Однако любому новому открытию могут быть альтернативные объяснения”, - сказал он по электронной почте.
“Региональное значение такого (производства темного кислорода) на самом деле невозможно оценить из-за ограниченного характера этого исследования, но оно предполагает потенциальную недооцененную экосистемную функцию марганцевых конкреций на глубоководном дне”, - сказал Смит, который также не принимал участия в исследовании.Разгадка происхождения жизни
По оценкам Геологической службы США, в зоне Кларион-Клиппертон существует 21,1 миллиарда сухих тонн полиметаллических конкреций, содержащих больше важных металлов, чем все наземные запасы мира вместе взятые.
Международный орган по морскому дну в соответствии с Конвенцией ООН по морскому праву регулирует добычу полезных ископаемых в регионе и выдал контракты на разведку. Группа собирается на Ямайке в этом месяце, чтобы рассмотреть новые правила, позволяющие компаниям добывать металлы со дна океана.
Однако несколько стран, включая Соединенное Королевство и Францию, выразили осторожность, поддержав мораторий или запрет на глубоководную добычу полезных ископаемых для защиты морских экосистем и сохранения биоразнообразия. Ранее в этом месяце Гавайи запретили глубоководную добычу полезных ископаемых в водах своего штата.
Свитман и Гейгер заявили, что горнодобывающая промышленность должна рассмотреть последствия этого нового открытия, прежде чем потенциально разрабатывать глубоководные конкреции.
Смит из Гавайского университета сказал, что он выступает за паузу в разработке конкреций, учитывая влияние, которое это окажет на уязвимую, биологически разнообразную и нетронутую окружающую среду.
По словам Гейгера, первые попытки добычи полезных ископаемых в этой зоне в 1980-х годах послужили предостережением.
“В 2016 и 2017 годах морские биологи посетили участки, которые были заминированы в 1980-х годах, и обнаружили, что на заминированных участках не сохранилось даже бактерий”, - сказал Гейгер.
“Однако в незастроенных регионах процветала морская флора и фауна. Почему такие "мертвые зоны’ сохраняются десятилетиями, до сих пор неизвестно”, - добавил он. “Однако это ставит под сомнение стратегии добычи полезных ископаемых на морском дне, поскольку разнообразие фауны океанского дна в районах, богатых конкрециями, выше, чем в самых разнообразных тропических лесах”.
Свитман, чьи научные исследования финансировались и поддерживались двумя компаниями, заинтересованными в добыче полезных ископаемых в зоне Кларион-Клиппертон, сказал, что крайне важно иметь научный надзор за глубоководной добычей полезных ископаемых.
Остается много вопросов без ответа о том, как вырабатывается темный кислород и какую роль он играет в глубоководной экосистеме.
Понимание того, как на дне океана вырабатывается кислород, также может пролить свет на происхождение жизни, добавил Свитман. Одна из давних теорий заключается в том, что жизнь развивалась в глубоководных гидротермальных источниках, а открытие того, что электролиз морской воды может образовывать кислород на глубине, может вдохновить на новые размышления о том, как зародилась жизнь на Земле.
“Я думаю, что необходимо провести дополнительную научную работу, особенно в отношении этого процесса и его важности”, - сказал Свитман. “Я надеюсь, что это начало чего-то удивительного”.
Благодарю Вас за публикацию. Интересно