Noe pumper ut store mengder oksygen på bunnen av Stillehavet, på dyp der fullstendig mangel på sollys gjør fotosyntese umulig.

Fenomenet ble oppdaget i en region dekket med eldgamle formasjoner på størrelse med plomme kalt polymetalliske knuter, som kunne katalysere oksygenproduksjonen ved å antagelig fremme spaltningen av vannmolekyler. Resultatene er inneNatur Geovitenskap 1publisert.

"Vi har en annen kilde til oksygen på planeten enn fotosyntese," sier studiemedforfatter Andrew Sweetman, en havbunnsøkolog ved Scottish Association for Marine Science i Oban, Storbritannia - selv om mekanismen bak denne oksygenproduksjonen forblir et mysterium. Funnene kan også ha implikasjoner for å forstå hvordan livet begynte, sier han, samt den mulige virkningen av dyphavsgruvedrift i regionen.

Observasjonen er «fascinerende», sier Donald Canfield, en biogeokimist ved Syddansk Universitet i Odense. "Men jeg synes det er frustrerende fordi det reiser mange spørsmål og ikke gir veldig mange svar."

Sweetman og hans samarbeidspartnere la først merke til noe avvikende under feltarbeid i 2013. Forskerne studerte havbunnsøkosystemer i Clarion-Clipperton-sonen mellom Hawaii og Mexico, som er større enn India og er et potensielt mål for gruvedrift av metallrike knuter. Under slike ekspedisjoner slipper teamet en modul som synker til havbunnen for å utføre automatiserte eksperimenter. Der driver modulen ned sylindriske kammer for å tette av små deler av havbunnen – sammen med litt sjøvann – og skape «et lukket mikrokosmos av havbunnen», skriver forfatterne. "Landeren" måler deretter hvordan oksygenkonsentrasjonen i det forseglede sjøvannet endres over perioder på opptil flere dager.

Oksygenstrømmer

Uten at noen fotosyntetiske organismer frigjør oksygen til vannet, og med andre organismer som forbruker gassen, bør oksygenkonsentrasjonen i kamrene sakte avta. Sweetman har observert dette i studier han utførte i områder i Sør-, Arktis og Indiske hav, samt Atlanterhavet. Havbunnsøkosystemer rundt om i verden skylder sin eksistens til oksygen fraktet fra overflaten av strømmer og ville raskt dø hvis de ble avskåret. (Det meste av dette oksygenet kommer fra Nord-Atlanteren og transporteres til verdens dype hav med et "globalt transportbånd.")

Men i Clarion-Clipperton-sonen viste instrumenter at det stengte vannet ble rikere, ikke fattigere, på oksygen. Først tilskrev Sweetman målingene til en sensorfeil. Men fenomenet skjedde igjen og igjen under påfølgende ekspedisjoner i 2021 og 2022 og ble bekreftet ved målinger ved bruk av en alternativ teknikk. "Plutselig innså jeg at jeg i åtte år hadde ignorert denne potensielt fantastiske nye prosessen, 4000 meter dypt på havbunnen," sier Sweetman.

Eine detaillierte Ansicht einer Knolle auf einer Petrischale.

Mengden oksygen som produseres er ikke liten: Gassen i kamrene når konsentrasjoner høyere enn de i algerrikt overflatevann, sier Sweetman. Ingen av de andre regionene Sweetman undersøkte inneholdt polymetalliske knuter, noe som tyder på at disse bergartene spiller en viktig rolle i produksjonen av dette "mørke oksygenet."

Som en første test av denne hypotesen, reproduserte teamet forholdene de fant på havbunnen i et laboratorium på skipet deres. De overvåket prøver samlet fra havbunnen - inkludert polymetalliske knuter - og fant at oksygenkonsentrasjonen økte, i det minste midlertidig. "De begynner å produsere oksygen opp til et visst punkt. Så stopper de," sier Sweetman - antagelig fordi energien som driver spaltningen av vannmolekyler er oppbrukt. Dette reiser spørsmålet om hvor denne energien kommer fra. Hvis knollene i seg selv fungerte som batterier - genererte energi gjennom en kjemisk reaksjon - ville de vært utslitt for lenge siden.

Elektrisk potensial

Men knutene kan tjene som katalysatorer, som tillater spaltning av vann og dannelse av molekylært oksygen. Forskerne målte spenninger på overflaten av knoller og fant spenningsforskjeller på opptil 0,95 volt. Selv om dette ikke helt kommer i nærheten av de 1,5 volt som trengs for å splitte et vannmolekyl, kan det i prinsippet genereres høyere spenninger, lik hvordan batterispenninger kan dobles ved å koble to batterier i serie, sier Sweetman.

Medforfatter Franz Geiger, en kjemiker ved Northwestern University i Evanston, Illinois, sier at det fortsatt er uklart om reaksjonen også produserer molekylært hydrogen – som skjer i industrielle elektrolysereaksjoner takket være en katalysator – eller frigjør protoner i vannet mens de skyver de resterende elektronene andre steder. Men forståelsen kan til syvende og sist ha nyttige anvendelser, sier han. "Kanskje det er en blåkopi der på havbunnen som kan hjelpe oss å lage bedre katalysatorer."

Eva Stüeken, en biogeochimist ved University of St Andrews, Storbritannia, sier at resultatene også kan ha implikasjoner for forslag om å lete etter signaturen til mulig liv i lysspekteret til planeter utenfor solen. "Tilstedeværelsen av O2"Gass på andre planeter må kanskje tolkes med ekstra forsiktighet," sier hun.

Sweetman sier at før dyphavsgruvedrift begynner, bør forskere kartlegge områdene hvor oksygen produseres. Ellers kan økosystemer som har blitt avhengige av dette oksygenet kollapse hvis knutene fjernes. "Hvis store mengder oksygen produseres, vil dette potensielt være viktig for dyrene som lever der."