Новое понимание зарождения жизни: металлы на дне океанов «добывают» из воды тёмный кислород

Международная группа исследователей обнаружила, что минералы с содержанием металлов на дне океанов производят кислород на глубине в 4000 м.


Удивительное открытие бросает вызов давним предположениям о том, что только фотосинтезирующие организмы, такие как растения и водоросли, вырабатывают кислород на Земле. Оказывается, кислород также может выделяться на морском дне, куда не проникает свет. Теперь становится понятным, каким образом выживают в кромешной придонной тьме нуждающиеся в кислороде (аэробные) морские организмы.

Исследование под заголовком «Доказательства производства тёмного кислорода на морском дне» опубликовали в научном журнале Nature Geoscience. Кавычек в названии вещества не потребовалось, потому что это не метафора, а термин, созданный с целью отделить химический элемент от его фотосинтетических аналогов.

Открыл тёмный кислород Эндрю Свитман из Шотландской ассоциации морских наук (SAMS) во время исследований на корабле в Тихом океане. Франц Гейгер из Северо-Западного университета, штат Иллинойс, руководил электрохимическими экспериментами, чтобы объяснить совершённое открытие.

Для зарождения аэробной жизни на планете требовался кислород. Насколько науке известно, снабжение Земли кислородом началось с фотосинтезирующих организмов, сказал Свитман. Но теперь известно, что кислород вырабатывается в глубоководье, там, где нет света. Это даёт основание вернуться к вопросу о том, где же всё-таки могла зародиться аэробная жизнь, оценил учёный глубокий смысл совершенного открытия.

В основе научной сенсации — полиметаллические конкреции, то есть природные минеральные отложения, которые образуются на дне океана. Конкреции представляют собой смесь различных минералов размером от крошечных частиц до картофелины.

Франц Гейгер, как соавтор исследования, отметил, что полиметаллические конкреции, которые производят этот кислород, содержат такие металлы, как кобальт, никель, медь, литий и марганец — и все они являются важнейшими элементами, используемыми в промышленности для производства батареек.

Поясним, что полиметаллические конкреции представляют собой минеральные образования на морском дне, сформированные преимущественно концентрическими слоями гидроксидов железа и марганца. Поскольку конкреции можно найти в огромных количествах, и они содержат ценные металлы, глубоководные месторождения к тому же представляют потенциальный экономический интерес.



Несколько крупных горнодобывающих компаний стремятся начать добычу этих заманчивых залежей с морского дна на глубинах от трех до шести километров. Однако следует хорошо обдумать способы их добычи, чтобы не истощать источник кислорода для морской жизни, предостерегает Гейгер.

Свитман совершил открытие, собирая пробы со дна конкрециеносной провинции Кларион-Клиппертон, как называют гористый подводный хребет, который простирается более чем на 7000 км в Тихом океане. Когда исследователи впервые обнаружили в образцах кислород, то подумали, что у них сломалось оборудование.


— Свитман.

Тогда коллеги решили использовать резервный метод, который работал иначе, чем ранее использованные оптические датчики. Когда оба метода дали одинаковый результат, учёные поняли, что наткнулись на что-то новаторское и немыслимое.

Летом 2023 года Свитман связался с Гейгером, чтобы обсудить возможные объяснения присутствия кислорода. В своей предыдущей научной работе Гейгер обнаружил, что ржавчина в сочетании с солёной водой может вырабатывать электричество. Исследователи задавались вопросом, вырабатывают ли глубоководные полиметаллические конкреции достаточно электричества для выделения кислорода. Химическая реакция является частью процесса, называемого электролизом морской воды, который вытягивает электроны из атома кислорода.

Чтобы проверить гипотезу, Свитман отправил несколько килограммов полиметаллических конкреций, собранных со дна океана, в лабораторию Гейгера в Северо-Западном университете. Свитман также посетил вуз в декабре 2023 года, проведя неделю в лаборатории.

Всего 1,5 вольта, то есть такого же напряжения, как у обычной батарейки типа АА, достаточно для расщепления морской воды. Удивительно, но исследователи зафиксировали напряжение до 0,95 вольта на поверхности отдельных конкреций. А когда несколько конкреций сгруппированы вместе, напряжение может повышаться, как при последовательном подключении батареек.


— Гейгер.

Исследователи считают, что горнодобывающей промышленности следует рассмотреть сделанное открытие, прежде чем планировать глубоководную добычу полезных ископаемых. По словам Гейгера, общей массы полиметаллических конкреций в одной подводной провинции Кларион-Клиппертон достаточно, чтобы удовлетворить глобальный спрос на энергию на десятилетия.

При этом Гейгер рассматривает попытки подводной добычи полезных ископаемых в 1980 годах как поучительную историю. Спустя несколько десятилетий, в 2016-2017 годах морские биологи посетили участки той добычи и обнаружили, что за прошедшие годы не восстановились даже бактерии.

Однако в нетронутых регионах морская жизнь процветала. Почему такие мёртвые зоны сохраняются десятилетиями, до сих пор неизвестно, признал учёный. Однако сами факты ставят под сомнение стратегии добычи полезных ископаемых на морском дне. Кстати, разнообразие фауны на дне океана в районах, богатых конкрециями, выше, чем в самых кишащих живностью тропических лесах.