深海是地球上最神秘的區(qū)域之一，尤其是在極深的海域，光線無(wú)法到達(dá)，生態(tài)系統(tǒng)和生物的生存機(jī)制仍不為人知。傳統(tǒng)上，人們習(xí)慣性地認(rèn)為，地球上的氧氣主要來(lái)源于光合作用，這一理論局限于已知的生物過(guò)程，而深海環(huán)境中光合作用無(wú)法進(jìn)行。此外，多金屬結(jié)核在深海的經(jīng)濟(jì)潛力引發(fā)了對(duì)其開(kāi)采的關(guān)注，但對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響尚未明確。

但是，2024年7月22日剛剛發(fā)表的一項(xiàng)新研究，可能顛覆過(guò)去的陳見(jiàn)、挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的生命起源理論，筆者認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)甚至可能改寫(xiě)目前正在談判中的國(guó)際海底管理局（ISA）“深海采礦”的進(jìn)程。為助力全球環(huán)境治理、并供我國(guó)學(xué)者了解最新研究動(dòng)態(tài)信息，編譯分享信息如下，供感興趣的讀者們參閱。

（上圖：該論文標(biāo)題、以及研究人員的陣容。圖片來(lái)源：Nature Geoscience）

2024年7月22日，英國(guó)諾斯韋斯特大學(xué)（Northwestern University）及其國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在《自然地球科學(xué)》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性的研究，揭示了深海底部金屬礦物能夠在光線無(wú)法照射到的環(huán)境中生成氧氣。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了長(zhǎng)期以來(lái)的觀點(diǎn)，即只有光合生物如植物和藻類(lèi)才能產(chǎn)生地球上的氧氣，可能會(huì)重新定義生命起源的理論。

（上圖：一種類(lèi)似海葵的新種Relicanthus sp.，是一種新發(fā)現(xiàn)的刺胞動(dòng)物，屬于一個(gè)全新的目。它被發(fā)現(xiàn)在克利珀頓斷裂帶（CCZ）4100米深的海底，生活在附著在礦塊上的海綿莖上。圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)/AFP）
科學(xué)家在太平洋深海發(fā)現(xiàn)了一種令人震驚的現(xiàn)象：金屬結(jié)核正在產(chǎn)生氧氣。這些看似普通的土豆?fàn)畹V物，卻如同微型電池一般，能夠釋放出近似于AA電池的電量，進(jìn)而分解海水產(chǎn)生氧氣。這一發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了我們對(duì)于氧氣來(lái)源的傳統(tǒng)認(rèn)知。

（上圖：一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，包括一名西北大學(xué)的化學(xué)家，發(fā)現(xiàn)深海海底的金屬礦物在水深13000英尺處產(chǎn)生氧氣。圖片來(lái)源：英國(guó)諾斯韋斯特大學(xué)官網(wǎng)）

該研究由諾斯韋斯特大學(xué)的化學(xué)家弗朗茨·蓋格（Franz Geiger）領(lǐng)導(dǎo)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，深海的多金屬結(jié)核（polymetallic nodules）通過(guò)類(lèi)似電池的方式產(chǎn)生氧氣。這些礦物質(zhì)沉積物通常位于海床深處，包含鈷、鎳、銅、鋰和錳等金屬，這些金屬在電池技術(shù)中具有重要應(yīng)用。研究表明，這些礦物能夠通過(guò)與海水的電化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，這一過(guò)程不依賴(lài)于陽(yáng)光。

研究人員在克拉里昂-克利珀頓斷裂帶（Clarion-Clipperton Fracture Zone）進(jìn)行的實(shí)地采樣揭示了這一令人驚訝的現(xiàn)象。

克拉里昂-克利珀頓斷裂帶（Clarion-Clipperton Fracture Zone，簡(jiǎn)稱(chēng)CCZ）是太平洋東北部海底的一條巨大的斷裂帶，長(zhǎng)約7240公里，寬約450萬(wàn)平方公里，面積相當(dāng)于美國(guó)陸地面積的一半。CCZ是地球上最大的斷裂帶之一，也是目前已知富含多金屬結(jié)核（polymetallic nodules）的區(qū)域之一。

研究人員在克拉里昂-克利珀頓區(qū)進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)底棲艙地陸器實(shí)驗(yàn)。與之前的深海氧通量研究不同的是，它們發(fā)現(xiàn)在艙內(nèi)積累的氧明顯多于消耗的氧，表現(xiàn)為凈氧產(chǎn)生現(xiàn)象。經(jīng)反復(fù)查驗(yàn)、研究結(jié)果顯示，底棲群落內(nèi)氧的產(chǎn)生超過(guò)消耗，表現(xiàn)為“黑色氧氣產(chǎn)生”現(xiàn)象，可能為底棲生物提供額外的氧氣。

剛開(kāi)始，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)在如此深的黑暗環(huán)境中發(fā)現(xiàn)氧氣感到困惑，認(rèn)為可能是搞錯(cuò)了、設(shè)備可能出現(xiàn)了故障。但是，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，他們確認(rèn)：這些金屬結(jié)核確實(shí)能產(chǎn)生氧氣，并將其歸因于自然界中的“地質(zhì)電池”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)從海水中釋放氧氣。

“地質(zhì)電池”假說(shuō)（geo-battery hypothesis）也就是這項(xiàng)研究中提出的一種假設(shè)，認(rèn)為在深海多金屬結(jié)核中，由于結(jié)核內(nèi)部金屬離子之間的電位差，可能會(huì)發(fā)生海水電解反應(yīng)，導(dǎo)致氧氣的產(chǎn)生。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于在電池中，通過(guò)金屬反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電流。

這一發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的意義。它不僅挑戰(zhàn)了我們對(duì)地球氧氣來(lái)源的理解，也引發(fā)了對(duì)生命起源的新思考。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，地球上的氧氣主要由藍(lán)藻等光合生物產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)了復(fù)雜生命形態(tài)的演化。而此次發(fā)現(xiàn)表明，氧氣的產(chǎn)生方式可能更加多樣，甚至可能為外星生命的存在提供新的線索。

同樣地，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)深海開(kāi)采提出了新的顧慮。以前人們印象中去深海“撿土豆”好處多于壞處，除了棲息地的破壞之外，似乎沒(méi)有其他負(fù)面影響；但如果它們是“氧氣制造者”的話，顯然一切都需要重新考慮。

隨著對(duì)深海礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)熱潮興起，保護(hù)脆弱的深海生態(tài)系統(tǒng)變得尤為重要。蓋格教授指出，克拉里昂-克利珀頓斷裂帶中的多金屬結(jié)核量巨大，足以滿足全球數(shù)十年的能源需求。然而，1980年代的海底開(kāi)采活動(dòng)導(dǎo)致了長(zhǎng)期的生態(tài)“死區(qū)”，這些區(qū)域至今尚未恢復(fù)。當(dāng)前的研究表明，在規(guī)劃深海開(kāi)采活動(dòng)時(shí)，必須充分考慮這些生態(tài)影響，以避免破壞深海豐富的生物多樣性。

回顧一下：1982年，聯(lián)合國(guó)通過(guò)了《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》，其中規(guī)定了海底礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用規(guī)則，要求各國(guó)在開(kāi)發(fā)海底礦產(chǎn)資源時(shí)要保護(hù)海洋環(huán)境。1994年，國(guó)際海底管理局成立，負(fù)責(zé)監(jiān)管?chē)?guó)際區(qū)域海底礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用。2001年，國(guó)際海底管理局頒布了《關(guān)于防止海底采礦對(duì)海洋環(huán)境有害影響的規(guī)定》，對(duì)海底采礦活動(dòng)提出了具體的環(huán)境保護(hù)要求。

目前，國(guó)際海底管理局（ISA）負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和審查深海底采礦活動(dòng)方面的趨勢(shì)和發(fā)展，2024年7月底馬上要召開(kāi)一次重要會(huì)議（注：“海洋與濕地”工作組已經(jīng)提名人員參會(huì)）。這項(xiàng)研究選擇在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)布，筆者認(rèn)為，或許也不完全是巧合。

（上圖：一塊來(lái)自5600米深海的多金屬結(jié)核礦。攝影：Linda ?? 綠會(huì)融媒·海洋與濕地工作組）

可以說(shuō)，這一研究不僅擴(kuò)展了我們對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)的理解，也為生命起源的科學(xué)探索提供了新的視角，可能將推動(dòng)我們對(duì)地球及其他星球生命起源的重新審視。其結(jié)果，可能是導(dǎo)致國(guó)際上全球海洋治理規(guī)則和政策的大變化。

海洋與濕地·小百科

黑暗氧氣產(chǎn)生（Dark Oxygen Production，DOP）是指在沒(méi)有光照的環(huán)境中，如深海底部的沉積物或底棲生物體系中，產(chǎn)生氧氣的過(guò)程。這種現(xiàn)象與傳統(tǒng)的光合作用相反，可能由于化學(xué)反應(yīng)或微生物代謝活動(dòng)而引起，對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)中氧氣循環(huán)和能量流動(dòng)有重要影響。

多金屬結(jié)核礦（polymetallic nodules）是一類(lèi)深海沉積物，也稱(chēng)為多金屬結(jié)核或多金屬結(jié)核球，通常位于深海平原的海底表面。它們主要由氧化物和碳酸鹽組成，包含多種金屬元素如鎳、銅、鈷、錳和鈦等，因此得名為“多金屬”。

多金屬結(jié)核礦通常是球形或橢球形的結(jié)構(gòu)，直徑一般在數(shù)毫米到數(shù)十厘米之間，盡管有些也可以更大。它們?cè)谏詈Ｆ皆弦苑稚⒎植嫉男问酱嬖冢采w了大約半個(gè)地球表面的深海底部。這些結(jié)核礦形成的過(guò)程復(fù)雜，通常涉及多種物理化學(xué)作用，主要包括海水中的沉積物沉積和沉淀過(guò)程。由于其富含有價(jià)值的金屬元素，多金屬結(jié)核礦被認(rèn)為是潛在的未來(lái)深海礦產(chǎn)資源。但開(kāi)采和利用這些資源，面臨著技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)、法律和治理規(guī)則等多方面的挑戰(zhàn)和限制。


（上圖：多金屬結(jié)核及其橫截面。圖片來(lái)源：國(guó)際海底管理局（ISA））

生命起源理論（theories of the origin of life）是探討地球上生命最早是如何可能產(chǎn)生的科學(xué)理論。雖然目前沒(méi)有一個(gè)被廣泛接受的單一理論，但是科學(xué)界已提出了幾種主要的假說(shuō)。比如地球早期的化學(xué)演化理論認(rèn)為，生命可能始于地球早期的海洋或陸地上的非生物化學(xué)物質(zhì)，并通過(guò)分子之間的化學(xué)反應(yīng)形成最早的生命形式。而“原核生物假說(shuō)”則認(rèn)為早期生命形式類(lèi)似于原核生物，這些簡(jiǎn)單的細(xì)胞利用周?chē)h(huán)境的化學(xué)能源進(jìn)行生物合成。

另一方面，RNA世界假說(shuō)（RNA World Hypothesis）也提出了一個(gè)有力的觀點(diǎn)，認(rèn)為RNA可能是地球早期最早的生物分子，既能作為遺傳物質(zhì)，也能充當(dāng)催化劑，為早期生命的進(jìn)化奠定基礎(chǔ)。深海熱液噴口假說(shuō)則指出，這些獨(dú)特環(huán)境可能為早期生命的產(chǎn)生和發(fā)展提供了熱能和必要的化學(xué)物質(zhì)。雖然各種理論都有其支持者和反對(duì)者，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)和觀察的持續(xù)努力，科學(xué)界正朝著更深入的理解地球生命起源的真實(shí)機(jī)制邁進(jìn)。

思考題 | 舉一反三

Q1. “黑暗氧氣產(chǎn)生”是這個(gè)研究的一個(gè)關(guān)鍵詞。設(shè)想一下：如果海洋深處能夠在沒(méi)有陽(yáng)光的情況下產(chǎn)生氧氣，那么這是否挑戰(zhàn)了光合作用是地球氧化的唯一驅(qū)動(dòng)力的概念？如果是這樣，哪些替代機(jī)制，可能促成了地球富氧的大氣層？

Q2、深海礦物生成“黑暗氧氣”的發(fā)現(xiàn)，是否意味著地球生命起源的理論需要重新審視？如果生命起源并非完全依賴(lài)光合作用，那么地球早期生命可能以怎樣的形式存在？

Q3、“黑暗氧氣”在深海的發(fā)現(xiàn)表明，氧氣生產(chǎn)機(jī)制可能比人類(lèi)以前想象的更加普遍，也擴(kuò)展了我們對(duì)地球以外生命潛在棲息地的理解。這對(duì)我們理解其他行星和衛(wèi)星的宜居性，特別是那些缺乏液態(tài)水或大氣的行星和衛(wèi)星，有何影響？未來(lái)，我們?nèi)绾螒?yīng)用這一知識(shí)來(lái)指導(dǎo)我們尋找外星生命，特別是在可能缺乏陽(yáng)光的環(huán)境中？

Q4、深海采礦的倫理影響及其對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響是復(fù)雜而深遠(yuǎn)的。如果這項(xiàng)研究結(jié)果確鑿，去深海撈“小土豆”，換句話說(shuō)，就意味著把深海生物的“氧氣罐”給拔了。那么，人類(lèi)如何在追求寶貴資源、新能源和礦產(chǎn)資源的同時(shí)，承擔(dān)起保護(hù)深海生命的棲息地、海洋生物多樣性的責(zé)任？

（上圖：在深海采礦中，“水力采礦系統(tǒng)”指的是一種利用高壓水流來(lái)從海底多金屬結(jié)核或其他礦床中提取礦物的技術(shù)。這種系統(tǒng)通常包括使用水力噴射器或水力切割設(shè)備，將高壓水流噴射到海底，以沖擊和破碎礦床，然后通過(guò)管道將懸浮的礦物顆粒輸送至上方的采集設(shè)備或處理平臺(tái)的材料。圖片來(lái)源：國(guó)際海底管理局（ISA）

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資訊源 | 英國(guó)諾斯韋斯特大學(xué)，Nature Geoscience，sciencedaily等
編譯 | 王芊佳
編輯 | Sara
排版 | 綠葉

參考資料略

來(lái)源: 海洋與濕地