«Темный кислород», производимый на морском дне, ставит под сомнение происхождение кислорода на Земле

Исследование показало, что полиметаллические минералы, выстилающие дно океана на глубине более 4 000 метров, действуют как «геобатареи», извлекая кислород из воды. Считается, что этот процесс является источником кислорода, который поддерживает морскую жизнь на таких глубинах, куда не проникает свет. Это ставит под сомнение давнее предположение о том, что кислород на суше поступает в основном от фотосинтезирующих живых организмов.

Производство кислорода на Земле началось в архейский период 3,5 миллиарда лет назад с появлением автотрофных прокариотических организмов — фотосинтезирующих цианобактерий, которые ответственны за образование огромных окаменевших карбонатных отложений, известных как строматолиты. Эти морские организмы размножались более миллиарда лет, постепенно увеличивая концентрацию кислорода в атмосфере. Затем, около 2 миллиардов лет назад, они были постепенно вытеснены эукариотическими водорослями.

Выделяющийся в атмосферу кислород обильно окислял горные породы и стал источником почти 2 500 из 4 500 минералов, имеющихся на Земле. Увеличение количества кислорода также послужило началом адаптивной эволюции, которая привела к появлению аэробных организмов (зависящих от кислорода для жизни).

«Чтобы на планете появилась аэробная жизнь, необходим был кислород, а мы знаем, что снабжение Земли кислородом началось с фотосинтезирующих организмов«, — объясняет в блоге Северо-Западного университета Эндрю К. Свитман из Шотландской ассоциации морских наук (SAMS).

Однако, взяв пробы с морского дна зоны Кларион-Клиппертон — подводного хребта, протянувшегося почти на 7 242 километра вдоль северо-восточной части Тихого океана, — Свитмен и его коллеги обнаружили удивительно высокий уровень кислорода на глубине более 4 000 метров. Если кислород на суше поступает в основном от фотосинтезирующих организмов, то, по логике вещей, его должно быть меньше в морских глубинах, куда не проникает солнечный свет.

«Когда мы получили эти данные, мы подумали, что датчики неисправны, потому что все исследования, проведенные в морских глубинах, наблюдали только потребление кислорода, а не его производство«, — объясняет Свитмен. Однако, перенастроив датчики и параллельно используя другую методику измерения, мы получили данные об уровне кислорода за последние 10 лет. «Когда оба метода дали одинаковый результат, мы поняли, что сделали нечто революционное и беспрецедентное«, — говорит Свитмен.

Подлинные природные «геобатареи»

Чтобы определить происхождение этого «темного кислорода», производимого исключительно в морских глубинах, Свитмен обратился к своему коллеге Францу Гейгеру из Северо-Западного университета, который ранее проводил исследование по извлечению кислорода из воды. Тот продемонстрировал, что в сочетании с соленой водой ржавчина может генерировать электричество, разделяя атомы водорода и кислорода в воде.

Цель нового исследования, подробно описанного в журнале Nature Geoscience, заключалась в том, чтобы определить, могут ли полиметаллические конкреции в глубинах океана также генерировать достаточно электроэнергии для извлечения кислорода из соленой воды. Эта химическая реакция известна как электролиз морской воды.

Образец полиметаллических конкреций, проанализированный исследователями.

Полиметаллические конкреции — это темные, округлые массы породы, состоящие из смеси металлов, таких как кобальт, никель, медь, литий и марганец. По размеру они находятся между песчинкой и средней картофелиной. Эти элементы (обычно используемые в производстве батарей) представляют особый интерес для горнодобывающих компаний, которые добывают конкреции на глубине до 6 000 метров.

Чтобы проверить свою гипотезу, команда Свитмана собрала и проанализировала несколько килограммов полиметаллических конкреций. Исследователи обнаружили, что они могут выступать в качестве настоящих природных «геобатарей». Одна конкреция среднего размера может генерировать электрическое напряжение до 0,95 вольта.

Соединяясь в группы и подключаясь друг к другу, они могут генерировать большее напряжение, как электрические батареи, соединенные последовательно. Фактически, 1,5 вольта (эквивалент напряжения, вырабатываемого стандартной батарейкой AA) достаточно, чтобы расщепить морскую воду на водород и кислород.

По мнению экспертов, эти геобатареи могут быть основным источником кислорода на океанском дне, опровергая широко распространенную гипотезу о том, что кислород на суше в основном образуется в результате фотосинтеза. «Теперь мы знаем, что кислород производится в морских глубинах, где нет света. Поэтому я думаю, что нам нужно задаться вопросом: где могла зародиться аэробная жизнь?» — предполагает Свитмен.

Жизненно важный элемент для абиссальной фауны

Исследователи считают, что горнодобывающие компании должны учитывать эти результаты, прежде чем планировать глубоководную добычу. В частности, общей массы металлических конкреций только в зоне Кларион-Клиппертон хватило бы для удовлетворения мирового спроса на энергию в течение нескольких десятилетий.

Однако, согласно исследованию, они также являются важной поддержкой для абиссальной фауны, которая, в отличие от морских обитателей на мелководье, не получает кислород в результате фотосинтеза. Последствия предыдущих операций по добыче полиметаллических конкреций в 1980-х годах, похоже, подтверждают эту гипотезу. Посетив эти места в 2016-2017 годах, морские биологи обнаружили, что так называемые «мертвые зоны» были полностью покинуты морской жизнью, включая бактерии. С другой стороны, фауна продолжала процветать на неэксплуатируемых участках. Разнообразие фауны морского дна в районах, богатых конкрециями, даже выше, чем в самых разнообразных тропических лесах. «Нам необходимо переосмыслить способ добычи этих материалов, чтобы не истощать источник кислорода, доступный для глубоководной жизни«, — заключает Гейгер.