重磅！深海矿物生成“黑暗氧气”：新发现颠覆传统生命起源理论？
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深海是地球上最神秘的区域之一，尤其是在极深的海域，光线无法到达，生态系统和生物的生存机制仍不为人知。传统上，人们习惯性地认为，地球上的氧气主要来源于光合作用，这一理论局限于已知的生物过程，而深海环境中光合作用无法进行。此外，多金属结核在深海的经济潜力引发了对其开采的关注，但对深海生态系统的潜在影响尚未明确。
但是，2024年7月22日刚刚发表的一项新研究，可能颠覆过去的陈见、挑战传统的生命起源理论，笔者认为，这一发现甚至可能改写目前正在谈判中的国际海底管理局（ISA）“深海采矿”的进程。为助力全球环境治理、并供我国学者了解最新研究动态信息，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。
（上图：该论文标题、以及研究人员的阵容。图片来源：Nature Geoscience）
2024年7月22日，英国诺斯韦斯特大学（Northwestern University）及其国际研究团队在《自然地球科学》期刊上发表了一项突破性的研究，揭示了深海底部金属矿物能够在光线无法照射到的环境中生成氧气。这一发现挑战了长期以来的观点，即只有光合生物如植物和藻类才能产生地球上的氧气，可能会重新定义生命起源的理论。
科学家在太平洋深海发现了一种令人震惊的现象：金属结核正在产生氧气。这些看似普通的土豆状矿物，却如同微型电池一般，能够释放出近似于AA电池的电量，进而分解海水产生氧气。这一发现彻底颠覆了我们对于氧气来源的传统认知。
该研究由诺斯韦斯特大学的化学家弗朗茨·盖格（Franz Geiger）领导，这个团队发现，深海的多金属结核（polymetallic nodules）通过类似电池的方式产生氧气。这些矿物质沉积物通常位于海床深处，包含钴、镍、铜、锂和锰等金属，这些金属在电池技术中具有重要应用。研究表明，这些矿物能够通过与海水的电化学反应生成氧气，这一过程不依赖于阳光。
研究人员在克拉里昂-克利珀顿断裂带（Clarion-Clipperton Fracture Zone）进行的实地采样揭示了这一令人惊讶的现象。
克拉里昂-克利珀顿断裂带（Clarion-Clipperton Fracture Zone，简称CCZ）是太平洋东北部海底的一条巨大的断裂带，长约7240公里，宽约450万平方公里，面积相当于美国陆地面积的一半。CCZ是地球上最大的断裂带之一，也是目前已知富含多金属结核（polymetallic nodules）的区域之一。
研究人员在克拉里昂-克利珀顿区进行了多次现场底栖舱地陆器实验。与之前的深海氧通量研究不同的是，它们发现在舱内积累的氧明显多于消耗的氧，表现为净氧产生现象。经反复查验、研究结果显示，底栖群落内氧的产生超过消耗，表现为“黑色氧气产生”现象，可能为底栖生物提供额外的氧气。
刚开始，这个研究团队对在如此深的黑暗环境中发现氧气感到困惑，认为可能是搞错了、设备可能出现了故障。但是，经过反复验证，他们确认：这些金属结核确实能产生氧气，并将其归因于自然界中的“地质电池”现象，这种现象通过电化学反应从海水中释放氧气。
“地质电池”假说（geo-battery hypothesis）也就是这项研究中提出的一种假设，认为在深海多金属结核中，由于结核内部金属离子之间的电位差，可能会发生海水电解反应，导致氧气的产生。这个过程类似于在电池中，通过金属反应来产生电流。
这一发现具有深远的意义。它不仅挑战了我们对地球氧气来源的理解，也引发了对生命起源的新思考。传统观点认为，地球上的氧气主要由蓝藻等光合生物产生，进而促进了复杂生命形态的演化。而此次发现表明，氧气的产生方式可能更加多样，甚至可能为外星生命的存在提供新的线索。
同样地，这一发现对深海开采提出了新的顾虑。以前人们印象中去深海“捡土豆”好处多于坏处，除了栖息地的破坏之外，似乎没有其他负面影响；但如果它们是“氧气制造者”的话，显然一切都需要重新考虑。
随着对深海矿产资源的开发热潮兴起，保护脆弱的深海生态系统变得尤为重要。盖格教授指出，克拉里昂-克利珀顿断裂带中的多金属结核量巨大，足以满足全球数十年的能源需求。然而，1980年代的海底开采活动导致了长期的生态“死区”，这些区域至今尚未恢复。当前的研究表明，在规划深海开采活动时，必须充分考虑这些生态影响，以避免破坏深海丰富的生物多样性。
回顾一下：1982年，联合国通过了《联合国海洋法公约》，其中规定了海底矿产资源的开发利用规则，要求各国在开发海底矿产资源时要保护海洋环境。1994年，国际海底管理局成立，负责监管国际区域海底矿产资源的开发利用。2001年，国际海底管理局颁布了《关于防止海底采矿对海洋环境有害影响的规定》，对海底采矿活动提出了具体的环境保护要求。
目前，国际海底管理局（ISA）负责监测和审查深海底采矿活动方面的趋势和发展，2024年7月底马上要召开一次重要会议（注：“海洋与湿地”工作组已经提名人员参会）。这项研究选择在这个时间节点发布，笔者认为，或许也不完全是巧合。
（上图：一块来自5600米深海的多金属结核矿。摄影：Linda ©️ 绿会融媒·海洋与湿地工作组）
可以说，这一研究不仅扩展了我们对深海生态系统的理解，也为生命起源的科学探索提供了新的视角，可能将推动我们对地球及其他星球生命起源的重新审视。其结果，可能是导致国际上全球海洋治理规则和政策的大变化。感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：
海洋与湿地·小百科
黑暗氧气产生
黑暗氧气产生（Dark Oxygen Production，DOP）是指在没有光照的环境中，如深海底部的沉积物或底栖生物体系中，产生氧气的过程。这种现象与传统的光合作用相反，可能由于化学反应或微生物代谢活动而引起，对深海生态系统中氧气循环和能量流动有重要影响。
多金属结核矿
多金属结核矿（polymetallic nodules）是一类深海沉积物，也称为多金属结核或多金属结核球，通常位于深海平原的海底表面。它们主要由氧化物和碳酸盐组成，包含多种金属元素如镍、铜、钴、锰和钛等，因此得名为“多金属”。
多金属结核矿通常是球形或椭球形的结构，直径一般在数毫米到数十厘米之间，尽管有些也可以更大。它们在深海平原上以分散分布的形式存在，覆盖了大约半个地球表面的深海底部。这些结核矿形成的过程复杂，通常涉及多种物理化学作用，主要包括海水中的沉积物沉积和沉淀过程。由于其富含有价值的金属元素，多金属结核矿被认为是潜在的未来深海矿产资源。但开采和利用这些资源，面临着技术、环境和经济、法律和治理规则等多方面的挑战和限制。
（上图：多金属结核及其横截面。图片来源：国际海底管理局（ISA））
生命起源理论（theories of the origin of life）是探讨地球上生命最早是如何可能产生的科学理论。虽然目前没有一个被广泛接受的单一理论，但是科学界已提出了几种主要的假说。比如地球早期的化学演化理论认为，生命可能始于地球早期的海洋或陆地上的非生物化学物质，并通过分子之间的化学反应形成最早的生命形式。而“原核生物假说”则认为早期生命形式类似于原核生物，这些简单的细胞利用周围环境的化学能源进行生物合成。
另一方面，RNA世界假说（RNA World Hypothesis）也提出了一个有力的观点，认为RNA可能是地球早期最早的生物分子，既能作为遗传物质，也能充当催化剂，为早期生命的进化奠定基础。深海热液喷口假说则指出，这些独特环境可能为早期生命的产生和发展提供了热能和必要的化学物质。虽然各种理论都有其支持者和反对者，但通过实验和观察的持续努力，科学界正朝着更深入的理解地球生命起源的真实机制迈进。
思考题 | 举一反三
Q1. “黑暗氧气产生”是这个研究的一个关键词。设想一下：如果海洋深处能够在没有阳光的情况下产生氧气，那么这是否挑战了光合作用是地球氧化的唯一驱动力的概念？如果是这样，哪些替代机制，可能促成了地球富氧的大气层？ Q2、深海矿物生成“黑暗氧气”的发现，是否意味着地球生命起源的理论需要重新审视？如果生命起源并非完全依赖光合作用，那么地球早期生命可能以怎样的形式存在？ Q3、“黑暗氧气”在深海的发现表明，氧气生产机制可能比人类以前想象的更加普遍，也扩展了我们对地球以外生命潜在栖息地的理解。这对我们理解其他行星和卫星的宜居性，特别是那些缺乏液态水或大气的行星和卫星，有何影响？未来，我们如何应用这一知识来指导我们寻找外星生命，特别是在可能缺乏阳光的环境中？ Q4、深海采矿的伦理影响及其对深海生态系统的潜在影响是复杂而深远的。如果这项研究结果确凿，去深海捞“小土豆”，换句话说，就意味着把深海生物的“氧气罐”给拔了。那么，人类如何在追求宝贵资源、新能源和矿产资源的同时，承担起保护深海生命的栖息地、海洋生物多样性的责任？ |
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资讯源 | 英国诺斯韦斯特大学，Nature Geoscience，sciencedaily等
编译 | 王芊佳
编辑 | Sara
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://news.northwestern.edu/stories/2024/july/deep-ocean-floor-produces-its-own-dark-oxygen/
https://www.nature.com/articles/d41586-024-02393-7
https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240722154949.htm
https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2021.634726/full
https://www.france24.com/en/americas/20240723-dark-oxygen-pacific-ocean-life-origins
https://www.isa.org.jm/wp-content/uploads/2022/06/eng7.pdf
https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/natural-selection/origins-of-life-on-earth/a/rna-world
https://en.wikipedia.org/wiki/RNA_world
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