Загадка морских глубин: откуда на дне океана берется кислород?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Глубины океана, куда не проникает свет солнца, всегда считались царством вечной тьмы, холода и покоя. Ученые, десятилетиями изучавшие эти таинственные просторы, привыкли считать, что жизнь там существует в основном за счет органических остатков, медленно опускающихся из верхних, освещенных солнцем слоев. Кислород, необходимый для дыхания большинства живых существ, рассматривался как дефицитный ресурс, потребляемый донными организмами и химическими реакциями окисления.


Однако недавнее открытие, сделанное группой исследователей из Великобритании, Германии и США, перевернуло с ног на голову устоявшиеся представления о процессах, происходящих в абиссальных зонах.

Все началось с рутинного, на первый взгляд, исследования. Ученые изучали потребление кислорода донными отложениями в зоне Кларион-Клиппертон, расположенной в Тихом океане. Эта область известна своими обширными залежами железомарганцевых конкреций — своеобразных геологических образований, богатых ценными металлами. Для измерений использовались специальные донные камеры — герметичные боксы, опускаемые на дно и позволяющие регистрировать концентрацию растворенных газов в придонном слое воды.

Кислород из железомарганцевых конкреций, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Каково же было удивление ученых, когда вместо ожидаемого снижения уровня кислорода, они зафиксировали его устойчивый рост в ходе эксперимента. В некоторых камерах концентрация кислорода увеличивалась более чем в три раза по сравнению с исходной, причем этот феномен наблюдался в ходе многократных экспериментов, проведенных в разное время и в разных точках зоны Кларион-Клиппертон.

Сначала исследователи предположили, что имеют дело с ошибкой измерений или артефактом, связанным с конструкцией камер. Однако тщательная проверка оборудования и методики исключила эти возможности. Стало ясно, что ученые столкнулись с неизвестным ранее природным феноменом — производством кислорода в условиях кромешной тьмы и высокого давления на дне океана.

Железомарганцевая конкреция
Автор: User Koelle on de.wikipedia. Koelle, selbst fotografiert, own photo, CC BY-SA 3.0 Источник: commons.wikimedia.org

Дальнейшие исследования показали, что ключевую роль в этом удивительном процессе играют все те же железомарганцевые конкреции. Лабораторные эксперименты подтвердили, что в присутствии конкреций, извлеченных из донных отложений, кислород выделяется даже в искусственно созданной среде.


a-c. Развертывание посадочного модуля с донной камерой in situ было выполнено во время рейсов 5D (a), 5E (b) и 7A (c) к лицензионному участку NORI-D. Узловые образования присутствовали во всех экспериментах по инкубации. Зеленый оттенок, синий оттенок и красные линии на рисунке 5D (а) обозначают биомассу мертвых водорослей, растворенный неорганический углерод + NH4+ и обработку фильтрованной морской воды соответственно. Пробел в данных оптода в AKS279-Ch.3 был вызван тем, что оптод периодически не записывал данные. Черная линия указывает концентрацию O2 в окружающей среде, измеренную снаружи донных камер во время AKS273 в круизе 5D. Зеленые и желтые линии на рисунках 5E (b) и 7A (c) обозначают обработку биомассы мертвых водорослей и контрольную обработку (без инъекций) соответственно. Незначительные падения, наблюдаемые в некоторых профилях концентрации O2 на 28, 38 и 47 часах, вызваны разбавлением воды в камере 50 мл морской воды, которая попала в камеру снаружи через отверстие диаметром 1,5 м (диаметр 0,25 см). открытая трубка, когда шприцевой пробоотборник собирал пробы морской воды изнутри камеры. Постоянная концентрация O2, измеренная в течение первых 2 часов экспериментов 5D и 7A, была обусловлена ​​выключением мешалок на 1 час, чтобы позволить субстратам (например, биомассе мертвых водорослей) опуститься на поверхность осадка. Мешалки включались во время экспедиции 5Е с момента развертывания посадочного модуля до его возвращения и отключения питания мешалок.
Автор: 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 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Возник вопрос: каков же механизм этого феномена? Ученые обратили внимание на необычный химический состав конкреций, которые помимо марганца содержат значительное количество железа, никеля, меди и других металлов. Возникла гипотеза, что сложная структура конкреций, образованная множеством микроскопических слоев различных минералов, может работать как своего рода «гео-батарейка», генерирующая электрический ток.

И действительно, измерения показали, что на поверхности конкреций возникают электрические потенциалы, достигающие 0.95 вольт. Этого вполне достаточно для электролиза — процесса разложения воды на водород и кислород под действием электрического тока. Для запуска электролиза морской воды требуется напряжение около 1.23 вольта, и ученые не исключают, что в микроскопических масштабах, на поверхности конкреций, могут возникать еще более высокие значения потенциала, достаточные для запуска этого процесса.

Расположение бентосных камер (BCL) в точках APEIs 1, 4 и 7 (западная CCZ), UK1 и OMS и NORI-D (звезды) (a) и в обоих районах NORI-D (коллекторный тестовый район или CTA и заповедная контрольная зона или PRZ) (b-d) в центральной абиссальной части Тихого океана. Также показано место развертывания мультикоптера (MUC), который отбирал пробы осадков для экспериментов ex-situ, проводившихся во время экспедиции 5D (c).
Автор: 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 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Открытие «темного» производства кислорода на дне океана имеет огромное значение для науки. Во-первых, оно заставляет пересмотреть наши представления об источниках кислорода на Земле и о факторах, влияющих на его концентрацию в атмосфере. Во-вторых, это открытие меняет взгляд на условия существования жизни в абиссальных зонах. Оказывается, железомарганцевые конкреции могут играть важную роль в поддержании жизни на дне океана, обеспечивая ее кислородом.

Не исключено, что дальнейшие исследования этого феномена приведут к созданию новых, экологически чистых технологий получения энергии и ценных химических веществ. Ведь если природа научилась использовать «гео-батарейки», скрытые на дне океана, то и человек сможет перенять этот опыт для решения своих проблем.