Дослідники з Бостонського університету зробили вражаюче відкриття: породи виробляють «темний кисень» у регіоні, який зараз досліджується для глибоководного видобутку. На глибині понад 12 000 футів під поверхнею Тихого океану, у зоні Кларіон-Кліппертон (CCZ), морське дно вкривають стародавні скелі, віком мільйони років. Незважаючи на те, що ці скелі можуть виглядати мертвими, вони розташовані між закутками та щілинами на їхній поверхні, крихітні морські істоти та мікроби створюють їхній дім, багато з яких унікальним чином пристосовані до життя в темряві.
Ці глибоководні скелі, які називаються поліметалевими конкреціями, не лише містять дивовижну кількість морських тварин. Команда вчених, до складу якої входять експерти Бостонського університету, виявила, що вони також виробляють кисень на морському дні.
Це відкриття є несподіванкою, враховуючи, що кисень зазвичай виробляється рослинами та організмами за допомогою сонця, а не скелями на дні океану. Близько половини всього кисню, яким ми дихаємо, утворюється біля поверхні океану фітопланктоном, який фотосинтезує, так само як наземні рослини. Оскільки сонце потрібне для здійснення фотосинтезу, пошук вироблення кисню на дні моря, де немає світла, перевертає загальноприйняту думку з ніг на голову. Це було настільки несподівано, що вчені, які брали участь у дослідженні, спочатку подумали, що це помилка.
Відкриття нового явища
«Це було справді дивно, тому що ніхто ніколи цього не бачив», — каже Джеффрі Марлоу, доцент біології Коледжу мистецтв і наук BU та співавтор дослідження, опублікованого в Nature Geoscience.
Як експерт з мікробів, які живуть у найекстремальніших середовищах існування на Землі, таких як затверділа лава та глибоководні гідротермальні джерела, Марлоу спочатку підозрював, що мікробна діяльність може бути відповідальною за утворення кисню. Дослідницька група використовувала глибоководні камери, які опускаються на морське дно і містять морську воду, осад, поліметалічні конкреції та живі організми. Потім вони вимірювали, як змінювався рівень кисню в камерах протягом 48 годин. Якщо існує велика кількість організмів, які дихають киснем, то рівень зазвичай знижується залежно від активності тварин у камері. Але в цьому випадку кисень збільшувався.
«Ми провели багато пошуків і виявили, що рівень кисню зріс у багато разів після початкового вимірювання», — каже Марлоу. «Тож тепер ми переконані, що це справжній сигнал».
Дослідження джерела «темного кисню»
Він і його колеги були на борту дослідницького судна, якому доручено дізнатися більше про екологію CCZ, яка охоплює 1,7 мільйона квадратних миль між Гаваями та Мексикою, для дослідження навколишнього середовища, спонсорованого The Metals Company, глибоководною гірничодобувною компанією, зацікавленою у видобутку породи масово для металів. Провівши експерименти на борту судна, Марлоу та команда під керівництвом Ендрю Світмана з Шотландської асоціації морських наук дійшли висновку, що це явище не спричинене в першу чергу мікробною активністю, незважаючи на велику кількість різних типів мікробів як на ньому, так і всередині нього. скелі.
Поліметалічні конкреції складаються з рідкісних металів, зокрема міді, нікелю, кобальту, заліза та марганцю, тому компанії зацікавлені в їх видобутку. Згідно з дослідженням, виявилося, що ці щільно упаковані метали, ймовірно, викликають «електроліз морської води». Це означає, що іони металу в шарах гірських порід розподіляються нерівномірно, створюючи поділ електричних зарядів, як це відбувається всередині акумулятора. Це явище створює достатньо енергії для розщеплення молекул води на кисень і водень. Вони назвали це «темним киснем», оскільки це кисень, створений без сонячного світла. Залишається незрозумілим точний механізм того, як це відбувається, якщо рівні кисню різняться в CCZ і чи відіграє кисень значну роль у підтримці місцевої екосистеми.
Наслідки для глибоководного видобутку та екосистем
Metals Company називає поліметалічні конкреції «батареєю в скелі», і на своєму сайті стверджує, що їх видобуток може прискорити перехід до електромобілів, що живляться від акумуляторів, і стверджує, що видобуток на суші зрештою більше не буде потрібною. Поки що видобуток корисних копалин у CCZ є дослідницьким, але Міжнародне управління морського дна ООН, яке керує цим районом, може почати приймати рішення щодо видобутку вже наступного року. Компанія Metals працює з тихоокеанськими державами Науру, Тонга та Кірібаті, щоб отримати доступ до ліцензій на видобуток, але багато інших країн у південній частині Тихого океану, включаючи Палау, Фіджі та Тувалу, відкрито підтримали мораторій або призупинення видобутку. плани. Групи екологічних активістів, такі як Greenpeace і Ocean Conservancy, закликають до повної заборони, а противники операції побоюються, що вона може завдати незворотної шкоди морському дну.
Тим часом вчені почали вивчати потенційні наслідки порушення значною мірою невивченої екосистеми. Ця стаття Nature Geoscience містить уявлення про базові умови місцевості до початку будь-якого великомасштабного видобутку.
«Ми не знаємо повних наслідків, але для мене це відкриття говорить про те, що ми повинні глибоко розглянути, що зміна цих систем призведе до спільноти тварин», — каже Марлоу, оскільки всім тваринам для виживання потрібен кисень.
Астробіологія та пошуки позаземного життя
CCZ також є ідеальним середовищем для вивчення найменших організмів планети, таких як бактерії та археї (одноклітинні організми), що знаходяться в осадових відкладеннях і на конкреціях. Марлоу та його співавтор Пітер Шредл (GRS’25), аспірант програми екології, поведінки та еволюції BU, особливо зосереджені на використанні мікробів, знайдених в екстремальних середовищах, таких як CCZ, як шаблонів для пошуку одноклітинного життя на інших планетах і супутники, оскільки пустелі, вулкани та джерела морського дна є найбільш схожими місцями на численні супутники Марса та Сатурна. Це називається астробіологією, галуззю, яка прагне інформувати пошуки позаземного життя шляхом вивчення систем Землі.
«Життя в таких середовищах, як CCZ, дає можливість вивчати екосистеми, які розвивалися під певним еволюційним тиском і обмеженнями», — говорить Шредл, який працює в лабораторії Марлоу. Ці умови — глибина, тиск і водне середовище — «аналогічні умовам, які ми виміряли або очікуємо виявити на крижаних супутниках», — каже він.
Наприклад, супутник Юпітера, Енцелад, і супутник Сатурна, Європа, вкриті шарами льоду, і сонячне світло не потрапляє на воду, яка знаходиться під ними. «Хто знає, якщо ці типи гірських порід знаходяться під льодом, що виробляє кисень, це може дозволити існувати більш продуктивній біосфері», — каже Марлоу. «Якщо фотосинтез не потрібен для виробництва кисню, то інші планети з океанами та багатими металами породами, такими як ці конкреції, могли б підтримувати більш розвинену біосферу, ніж ми вважали можливим у минулому».
Марлоу каже, що є багато запитань про те, що відкриття темного кисню означає для позаземних океанів і для нашого океану.
«Здебільшого ми думаємо про глибоке море як про місце, де гнилий матеріал падає вниз, а тварини їдять його залишки. Але це відкриття перекалібрує цю динаміку», – каже він. «Це допомагає нам розглядати глибини океану як місце виробництва, подібне до того, що ми знайшли з метановими витоками та гідротермальними джерелами, які створюють оазиси для морських тварин і мікробів. Я думаю, що це весела інверсія того, як ми зазвичай думаємо про морські глибини».