Något pumpar ut stora mängder syre på botten av Stilla havet, på djup där en total brist på solljus omöjliggör fotosyntes.

Fenomenet upptäcktes i en region täckt av forntida, plommonstora formationer som kallas polymetalliska knölar, som kunde katalysera syreproduktionen genom att antagligen främja splittringen av vattenmolekyler. Resultaten är inneNaturgeovetenskap 1publiceras.

"Vi har en annan källa till syre på planeten än fotosyntes", säger studiens medförfattare Andrew Sweetman, en havsbottenekolog vid Scottish Association for Marine Science i Oban, Storbritannien - även om mekanismen bakom denna syreproduktion förblir ett mysterium. Fynden kan också ha implikationer för att förstå hur livet började, säger han, såväl som den möjliga effekten av djuphavsbrytning i regionen.

Observationen är "fascinerande", säger Donald Canfield, biogeokimist vid Syddanmarks universitet i Odense. "Men jag tycker att det är frustrerande eftersom det väcker många frågor och inte ger särskilt många svar."

Sweetman och hans medarbetare märkte först något avvikande under fältarbete 2013. Forskarna studerade havsbottens ekosystem i Clarion-Clipperton Zon mellan Hawaii och Mexiko, som är större än Indien och är ett potentiellt mål för brytning av metallrika knölar. Under sådana expeditioner släpper teamet en modul som sjunker till havsbotten för att utföra automatiserade experiment. Där driver modulen ner cylindriska kammare för att täta av små delar av havsbotten - tillsammans med lite havsvatten - och skapa "ett slutet mikrokosmos av havsbotten", skriver författarna. ”Landaren” mäter sedan hur syrekoncentrationen i det förseglade havsvattnet förändras under perioder på upp till flera dagar.

Syreströmmar

Utan några fotosyntetiska organismer som släpper ut syre i vattnet, och med någon annan organism som förbrukar gasen, bör syrekoncentrationerna i kamrarna sakta minska. Sweetman har observerat detta i studier han genomfört i områden i södra, arktiska och Indiska oceanen, samt Atlanten. Havsbottenekosystem runt om i världen har sin existens att tacka för syre som transporteras från ytan av strömmar och skulle snabbt dö om de skärs av. (Det mesta av detta syre kommer från Nordatlanten och transporteras till världens djupa hav med ett "globalt transportband.")

Men i Clarion-Clipperton-zonen visade instrument att det avstängda vattnet blev rikare, inte fattigare, på syre. Först tillskrev Sweetman avläsningarna till ett sensorfel. Men fenomenet inträffade gång på gång under efterföljande expeditioner 2021 och 2022 och bekräftades genom mätningar med en alternativ teknik. "Plötsligt insåg jag att jag i åtta år hade ignorerat denna potentiellt fantastiska nya process, 4 000 meter djupt på havsbotten", säger Sweetman.

Eine detaillierte Ansicht einer Knolle auf einer Petrischale.

Mängden syre som produceras är inte liten: Gasen i kamrarna når koncentrationer högre än de i algerrika ytvatten, säger Sweetman. Ingen av de andra regionerna Sweetman undersökte innehöll polymetalliska knölar, vilket tyder på att dessa stenar spelar en viktig roll i produktionen av detta "mörka syre".

Som ett första test av denna hypotes, reproducerade teamet förhållandena de hittade på havsbotten i ett laboratorium på sitt skepp. De övervakade prover som samlats in från havsbotten - inklusive polymetalliska knölar - och fann att syrekoncentrationerna ökade, åtminstone tillfälligt. "De börjar producera syre upp till en viss punkt. Sedan slutar de", säger Sweetman - förmodligen för att energin som driver sprickningen av vattenmolekyler är slut. Detta väcker frågan om var denna energi kommer ifrån. Om knölarna själva fungerade som batterier - genererade energi genom en kemisk reaktion - skulle de ha varit slut för länge sedan.

Elektrisk potential

Men knölarna kan fungera som katalysatorer, vilket möjliggör spjälkning av vatten och bildandet av molekylärt syre. Forskarna mätte spänningar på ytan av knölar och fann spänningsskillnader på upp till 0,95 volt. Även om detta inte riktigt kommer i närheten av de 1,5 volt som behövs för att dela en vattenmolekyl, kan i princip högre spänningar genereras, liknande hur batterispänningar kan fördubblas genom att koppla två batterier i serie, säger Sweetman.

Medförfattare Franz Geiger, kemist vid Northwestern University i Evanston, Illinois, säger att det fortfarande är oklart om reaktionen också producerar molekylärt väte - vilket sker i industriella elektrolysörreaktioner tack vare en katalysator - eller frigör protoner i vattnet samtidigt som de trycker överblivna elektroner någon annanstans. Men förståelsen kan i slutändan ha användbara tillämpningar, säger han. "Kanske finns det en ritning där på havsbotten som kan hjälpa oss att göra bättre katalysatorer."

Eva Stüeken, en biogeochimist vid University of St Andrews, Storbritannien, säger att resultaten också kan få konsekvenser för förslag om att leta efter signaturen för möjligt liv i ljusspektrumet av extrasolära planeter. "Närvaron av O2"Gas på andra planeter kan behöva tolkas med ytterligare försiktighet", säger hon.

Sweetman säger att innan djuphavsbrytning påbörjas bör forskarna kartlägga områdena där syre produceras. Annars kan ekosystem som blivit beroende av detta syre kollapsa om knölarna tas bort. "Om stora mängder syre produceras kommer detta potentiellt vara viktigt för djuren som lever där."