Ciemny tlen

Pogrążone w ciemnościach dno Strefy Clarion-Clipperton (CCZ) w tropikalnej części północnego Pacyfiku jest usiane grudkami przypominającymi węgiel drzewny. W rzeczywistości są to konkrecje polimetaliczne zawierające przydatne w produkcji ogniw metale, takie jak mangan czy kobalt, i dlatego będące obiektem zainteresowania firm wydobywczych.

Teraz naukowcy odkryli, że te cenne grudki potrafią wykonać coś naprawdę niesamowitego, a mianowicie produkują tlen, mimo braku dostępu do światła słonecznego. „To coś absolutnie nowego i nieoczekiwanego” – komentuje Lisa Levin, emerytowana profesor oceanografii biologicznej ze Scripps Institution of Oceanography, która nie była uczestniczką tych badań.

Według Jeffreya Marlowa, mikrobiologa z Boston University, idea, że część tlenu na Ziemi może pochodzić nie od fotosyntetyzujących organizmów, ale od minerałów znajdujących się w zupełnych ciemnościach otchłani morskich, „jest całkowicie sprzeczna z dotychczasowymi przekonaniami na temat tego, gdzie i jak powstaje tlen”. Marlow jest współautorem badań, których wyniki zostały opublikowane w „Nature Geoscience”.

Historia odkrycia zaczęła się w 2013 roku, kiedy to badacz ekosystemów głębinowych Andrew Sweetman zderzył się z frustrującym go problemem. Jego zespół próbował zmierzyć, ile tlenu konsumują organizmy żyjące na dnie CCZ. Naukowcy posłali na głębokość 4 km pojazdy podwodne, które odizolowały małe fragmenty dna i monitorowały, w jakim tempie ubywa gazu w wodzie.

Tyle że gazu nie ubywało. Przeciwnie – poziom tlenu rósł. Sweetman uznał, że to instrumenty pomiarowe się zepsuły i odesłał je producentowi. „Sytuacja powtórzyła się kilkukrotnie w ciągu kolejnych pięciu lat – mówi Sweetman, który zajmuje się biogeochemią i ekologią dna morskiego w Scottish Association for Marine Science. – Powiedziałem swoim studentom, by wyrzucili te sensory do kosza, bo są do niczego”.

Jednakże w 2021 roku naukowiec powrócił do CCZ z ekspedycją sfinansowaną przez firmę wydobywczą Metals Company. Jego zespół znów posłał na dno sondę, która szczelnie odizolowała fragmenty dna, umieszczając w nich aparaturę pomiarową. Choć wykorzystano inną technikę pomiaru, wynik był taki sam, jak poprzednio: stężenia tlenu rosły szybko w izolowanych strefach. „Nagle pojąłem, że od lat ignoruję niezmiernie ważne zjawisko. Zacząłem sobie wyrzucać, że byłem taki ślepy” – mówi Sweetman.

Badacze początkowo sądzili, że to głębokowodne drobnoustroje wytwarzają tlen. Brzmiało to dziwnie i niezbyt wiarygodnie, ale nieco wcześniej inni naukowcy faktycznie wykazali, że mikroorganizmy mogą być wytwórcami „ciemnego tlenu” (dark oxygen). Sweetman i jego współpracownicy przenieśli się ze swoim śledztwem do laboratorium, gdzie stworzyli warunki takie, jak na dnie oceanicznej otchłani, po czym zabili wszystkie mikroorganizmy chlorkiem rtęci. Mimo to poziom tlenu nadal rósł.

Skoro ciemny tlen nie był produktem procesów biologicznych, to jego źródłem musiały być procesy geologiczne – doszli do wniosku badacze. Testom poddali kilka możliwych hipotez, w tym taką, że konkrecje są źródłem radioaktywności, która rozbija cząsteczki wody, uwalniając tlen, oraz taką, że coś odseparowuje tlen z tlenków manganu w konkrecjach. Ostatecznie obie tezy odrzucono. W 2022 roku Sweetman oglądał film wideo poświęcony górnictwu podwodnemu. Narrator w pewnym momencie określił konkrecje jako „baterie ukryte w skale”. Była to oczywiście metafora, ale naukowiec zaczął się zastanawiać, czy faktycznie metaliczne grudki mogą się zachowywać jak naturalne geobaterie. Gdyby były elektrycznie naładowane, potencjalnie mogłyby dokonywać elektrolizy wody, czyli rozdzielać ją na tlen cząsteczkowy oraz jony wodoru. (Możesz się o tym przekonać w domu, wrzucając baterię do szklanki ze słoną wodą)

„To było niesamowite, ale faktycznie zmierzyliśmy na ich powierzchni napięcie o wartości prawie wolta” – mówi Sweetman. Dla porównania, bateria AA ma napięcie około 1,5 V. Konkrecje mogły zyskać ładunek elektryczny podczas powolnego wzrostu w wyniku nieregularnego gromadzenia się kolejnych warstewek metali i pojawienia się różnicy potencjałów pomiędzy nimi. Elektroliza słonej wody jest obecnie główną teorią tłumaczącą powstawanie ciemnego tlenu i naukowcy zamierzają ją dalej weryfikować.

Nie jest jednak jasne, czy (lub też w jakim stopniu) te metaliczne grudki wytwarzają tlen w sposób naturalny na dnie oceanu. W większości eksperymentów produkcja tlenu ustawała po dwóch dniach, co może sugerować, że w oceanie wywołał ją sam pojazd poprzez zaburzenie jakiegoś elementu środowiska. Ale jest też możliwe, że reakcja ustawała samoistnie, ponieważ eksperyment odbywał się w małej, zamkniętej przestrzeni. „Produkty reakcji gromadziły się wokół konkrecji, zamiast być usuwane, aż w końcu reakcja stanęła […] tymczasem w otwartym systemie ten proces może być stale podtrzymywany” – mówi Marlow.

Bo Barker Jørgensen, biogeochemik morski Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie w Bremie, powątpiewa w to, by leżące w spokoju na dnie oceanu konkrecje metaliczne mogły wytwarzać tlen. (Jørgensen nie uczestniczył w badaniach, ale był jednym z recenzentów pracy opublikowanej w „Nature Geoscience”.) Niemniej eksperyment zdaje się potwierdzać, że konkrecje rzeczywiście wytwarzają tlen poprzez elektrolizę i „samo w sobie jest to interesujące zjawisko, które wcześniej nie było obserwowane, przynajmniej według mojej wiedzy”, mówi.

Naukowcy nie wiedzą jeszcze, czy ten tlen z dna oceanicznego mógłby mieć znaczenie dla życia w CCZ. Konkrecje oraz osady denne wokół nich zamieszkuje wiele głębinowych organizmów – od maleńkich mikrobów po większą „megafaunę”, taką jak ryby czy rozgwiazdy. Połowa tej megafauny jest odnajdywana wyłącznie na powierzchni metalicznych grudek. „To bardzo słabo poznany ekosystem. Wciąż nie znaleźliśmy większości głębinowych gatunków, nie mówiąc już o ich dokładnym zbadaniu” – mówi Levin.

Projektowane przedsięwzięcia górnicze polegałyby na pozyskiwaniu konkrecji z rozległych przestrzeni dna CCZ. Międzynarodowa Organizacja Dna Morskiego (ISA) wciąż debatuje nad przepisami regulującymi wydobycie konkrecji i innych surowców podmorskich. W toku rozmów na ten temat co najmniej dwa tuziny państw, które należą do ISA, zaapelowały o zakazanie górnictwa podmorskiego lub przynajmniej wprowadzenie moratorium na taką działalność.

Najnowsze odkrycia są „kolejną rzeczą, którą musimy wziąć pod uwagę, gdy przyjdzie nam podjąć decyzję, czy schodzimy na dno oceanu po metale, czy też nie” – mówi Sweetman. „Dla mnie jest niezmiernie ważne, by taka decyzja była oparta na rzetelnych badaniach naukowych” – dodaje.