«Похоже, что мы обнаружили естественную геобатарею»
Ученые обнаружили, что «темный» кислород образуется на глубине более 4 км под поверхностью океана. Загадочное явление, впервые наблюдавшееся в 2013 году на борту судна в отдаленной части Тихого океана, казалось настолько нелепым, что убедило ученого-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 происходило во время трех последующих рейсов в район, известный как зона Кларион-Клиппертон, рассказывает CNN.
“По сути, я сказал своим студентам, что просто положите датчики обратно в коробку. Мы отправим их обратно производителю и проведем тестирование, потому что они просто несут чушь, — рассказал Свитман, профессор Шотландской ассоциации морских наук и руководитель группы по экологии морского дна и биогеохимии. – И каждый раз производитель сообщал: "Они работают. Они откалиброваны”.
Фотосинтезирующие организмы, такие как растения, планктон и водоросли, используют солнечный свет для производства кислорода, который циркулирует в океанских глубинах, но предыдущие исследования, проведенные в морских глубинах, показали, что живущие там организмы только потребляют кислород, а не производят его, говорит Свитман.
Теперь исследования его команды опровергают это давнее предположение, обнаружив, что кислород образуется без фотосинтеза.
“Будьте осторожны, когда видите что-то, что противоречит тому, что должно происходить”, — сказал он.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, демонстрирует, как много еще неизвестно о глубинах океана, и подчеркивает, что поставлено на карту в стремлении использовать океанское дно в поисках редких металлов и минералов. Открытие того, что на планете существует еще один источник кислорода, помимо фотосинтеза, также имеет далеко идущие последствия, которые могут помочь разгадать происхождение жизни.
Свитман впервые сделал неожиданное наблюдение о том, что на морском дне образуется “темный” кислород, во время оценки морского биоразнообразия в районе, предназначенном для добычи полиметаллических конкреций размером с картофелину. Конкреции образуются в течение миллионов лет в результате химических процессов, которые приводят к выпадению металлов в осадок из воды вокруг фрагментов раковин, клювов кальмаров и зубов акул и покрывают удивительно большую площадь морского дна.
Такие металлы, 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 утверждают, что глубоководная добыча полезных ископаемых может нанести непоправимый ущерб нетронутой подводной среде, поскольку шум и шлейфы наносов, создаваемые горнодобывающим оборудованием, наносят вред экосистемам в средней части воды, а также организмам на морском дне, которые часто живут на конкрециях.
Эти ученые предупреждают, что также возможно, что глубоководная добыча полезных ископаемых может нарушить процесс накопления углерода в океане, что приведет к климатическому кризису.
Для эксперимента 2013 года Свитман и его коллеги использовали глубоководный спускаемый аппарат, который опускается на морское дно, чтобы поместить камеру размером меньше обувной коробки в осадочные породы, чтобы охватить небольшой участок морского дна и объем воды над ним. Он ожидал, что датчик обнаружит медленное снижение уровня кислорода с течением времени, когда микроскопические животные вдыхают его. На основе этих данных он планировал рассчитать так называемое “потребление кислорода сообществом донных отложений”, которое предоставляет важную информацию об активности донной фауны и микроорганизмов.
Только в 2021 году, когда Свитман использовал другой, резервный метод обнаружения кислорода, и это дало 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 что-то глубокое и огромное", — сказал он.
Свитман наблюдал это явление снова и снова на протяжении почти десяти лет в нескольких местах в зоне Кларион-Клиппертон, обширной территории протяженностью более 6400 километров, которая находится за пределами юрисдикции какой-либо одной страны.
Команда взяла несколько образцов донных отложений, морской воды и полиметаллических конкреций для изучения в лаборатории, чтобы попытаться точно понять, как образуется кислород.
Проведя серию экспериментов, исследователи исключили биологические процессы, такие как микробы, и сосредоточились на самих конкрециях как источниках этого явления. Возможно, по их мнению, это был кислород, выделяющийся из оксида марганца в конкрециях. Но, по словам Свитмана, причиной было не такое освобождение.
Документальный фильм о глубоководной добыче полезных ископаемых, который Свитман посмотрел в баре отеля в Сан-Паулу, Бразилия, стал настоящим прорывом. “В нем кто-то сказал: "Это батарейка в скале", — вспоминал он. — Наблюдая за этим, я вдруг подумал, может ли это быть электрохимическим? Эти вещества, которые они хотят добывать для производства батареек, могут ли они сами по себе быть батарейками?”
По словам Свитмана, электрический ток, даже от батарейки типа АА, при попадании в соленую воду, может расщеплять воду на кислород и водород — процесс, известный как электролиз морской воды. Возможно, конкреция делала нечто подобное, предположил он.
Свитман обратился к Францу Гейгеру, электрохимику из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, и они вместе продолжили исследование. Используя устройство под названием мультиметр для измерения крошечных напряжений и их перепадов, они зафиксировали показания напряжения в 0,95 вольта на поверхности конкреций.
Эти показания были меньше напряжения в 1,5 раз, необходимого для электролиза морской воды, но свидетельствовали о том, что при скоплении конкреций могут возникать значительные напряжения.
“Похоже, что мы обнаружили естественную ”геобатарею", — сказал профессор Франц Гейгер. – Эти геобатареи являются основой для возможного объяснения производства темного кислорода в океане”.
Открытие того, что абиссальные, или глубоководные, конкреции вырабатывают кислород, является “удивительным и неожиданным открытием”, — комментирует Дэниел Джонс, профессор и руководитель отдела биогеофизики океана 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”, — написал он по электронной почте.
По словам Бет Оркатт, старшего научного сотрудника Лаборатории океанологии Бигелоу в штате Мэн, это исследование определенно бросает вызов “традиционной парадигме круговорота кислорода в морских глубинах”. Но команда предоставила “достаточно подтверждающих данных, чтобы оправдать 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, как и в случае с любым новым открытием, могут быть альтернативные объяснения”, — написал он по электронной почте.
“Региональное значение такого (производства темного кислорода) на самом деле невозможно оценить из-за ограниченности этого исследования, но оно предполагает потенциальную недооцененную экосистемную функцию марганцевых конкреций на глубоководном дне”, — сказал Смит, который также не принимал участия в исследовании.
По оценкам Геологической службы США, в зоне Кларион-Клиппертон имеется 21,1 миллиарда сухих тонн полиметаллических конкреций, содержащих больше важнейших металлов, чем все мировые запасы на суше, 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. В этом месяце группа собирается на Ямайке, чтобы обсудить новые правила, позволяющие компаниям добывать металлы со дна океана.
Однако несколько стран, включая Великобританию 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 начинать потенциальную эксплуатацию глубоководных конкреций.
Смит из Гавайского университета заявил, что он выступает за приостановку добычи конкреций, учитывая воздействие, которое это окажет на уязвимую, биологически разнообразную и нетронутую окружающую среду.
Первые попытки добычи полезных ископаемых в этой зоне в 1980-х годах стали поучительной историей, сказал Гейгер.
“В 2016 и 2017 годах морские биологи посетили участки, которые были заминированы в 1980-х годах, и обнаружили, что в заминированных районах не сохранились даже бактерии”, — сказал Гейгер.
“Однако в неразведанных районах морская флора и фауна процветала. Почему такие ”мертвые зоны" сохраняются десятилетиями, до сих пор неизвестно, — добавил он. — Однако это придает большое значение стратегиям разработки месторождений 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 обеспечить научный надзор за глубоководной добычей полезных ископаемых.
Многие вопросы о том, как образуется темный кислород и какую роль он играет в глубоководной экосистеме, остаются без ответа.
Понимание того, как на дне океана образуется кислород, может также пролить свет на происхождение жизни, добавил Свитман. Одна из давних теорий гласит, что жизнь развилась в глубоководных гидротермальных источниках, и открытие того, что электролиз морской воды может привести к образованию кислорода на глубине, может вдохновить на новые размышления о том, как зародилась жизнь на Земле.
“Я думаю, что необходимо провести больше научных исследований, особенно в отношении этого процесса и его важности, — сказал Свитман. — Я надеюсь, что это начало чего-то удивительного”.
