# Как ученые обнаружили выработку «темного кислорода» в Тихом океане Источник: https://www.youtube.com/watch?v=KTrEaJnriK0 Канал: Event Horizon Опубликовано: 03.10.2024 --- В новом интервью для научно-популярного канала Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсуждает с аспирантом Бостонского университета Питером Шрёдлем (Peter Schroedl) революционное открытие «темного кислорода» на экстремальных глубинах Тихого океана. Открытие, зафиксированное в Кларион-Клиппертонской зоне, полностью опровергает многолетнее убеждение, что весь кислород на Земле производится исключительно за счет фотосинтеза. Участники беседы подробно разобрали геохимические механизмы этого процесса, потенциал добычи редких металлов на морском дне и захватывающие астробиологические перспективы для поиска жизни на ледяных лунах Юпитера и Сатурна. ## 🌊 Тайны Кларион-Клиппертонской зоны [[JUMP:01:37]] Кларион-Клиппертонская зона (Clarion Clipperton Zone, CCZ) представляет собой обширную и крайне удаленную область абиссальной равнины в Тихом океане. Она расположена недалеко от экватора, к югу от Гавайских островов, простираясь примерно от 4 до 15 градусов северной широты. По своим масштабам эта зона сопоставима с шириной Соединенных Штатов Америки. Чтобы добраться до места проведения исследований, экспедиции Шрёдля пришлось идти на корабле строго на юг из Сан-Диего в течение четырех дней на хорошей скорости. Находясь там, исследователь был поражен тем, насколько кристально чистой и невероятно синей выглядит океанская вода на поверхности. Однако истинные загадки скрываются на глубине около 4000 метров (порядка 12 000 футов), что сопоставимо с местом крушения «Титаника», где царит колоссальное давление. Сюда совершенно не проникают солнечные лучи, поэтому ученые классифицируют эту зону как афотическую. Кроме того, данная среда является олиготрофной, то есть крайне бедной питательными веществами и органическим углеродом. Для наглядности Питер Шрёдль привел конкретные цифры: уровень доступного углерода здесь составляет всего около 300 миллиграммов на квадратный метр в год. По его словам, это эквивалентно тому, как если бы живому организму выделили всего лишь один кубик сахара (или даже его половину) в качестве единственного источника пищи на весь год. Практически весь органический материал, образующийся у поверхности океана, активно перерабатывается местными сообществами еще в верхних слоях, так как эти ресурсы представляют огромную ценность. Падающим вниз частицам требуется много времени, чтобы достичь дна, и за этот период организмы в толще воды успевают практически полностью их уничтожить. Тем не менее на пустынном морском дне сформировалась уникальная экосистема, неразрывно связанная с так называемыми полиметаллическими конкрециями. Эти минеральные образования, по форме напоминающие комковатый космический картофель, устилают дно плотным ковром. Они возникают благодаря близлежащим подводным горам, поставляющим восстановленные металлы, которые в ходе гидрогенетических и диагенетических процессов постепенно концентрируются на дне. ## 🛰️ Методы исследования экстремальных глубин [[JUMP:03:26]] Изучение абиссальных равнин сопряжено с огромными техническими трудностями, поскольку в мире существует крайне мало аппаратов, способных выдерживать давление на глубине 4000 метров. По словам гостя, знаменитый американский глубоководный обитаемый аппарат Alvin лишь недавно прошел модернизацию, позволившую ему достигать подобных отметок. Аналогичной техникой обладают исследовательские флоты лишь нескольких государств мира. В ходе экспедиции, в которой принимал участие Шрёдль, ученые полагались на дистанционные методы и использовали три основных инструмента: * Глубоководный донный посадочный аппарат (Deep-sea Lander), созданный доктором Свитманом (Dr. Sweetman) для проведения долгосрочных измерений на дне по всей планете. * Мультикорер (multi core) — специальное многотрубчатое устройство для отбора проб. * Бокскорер (box core) — коробчатый дночерпатель. Эти приборы позволяют аккуратно захватывать полиметаллические конкреции, слой осадочных пород (ил) непосредственно под ними, а также придонную воду. Спуск и подъем оборудования осуществляются с помощью мощной судовой лебедки, выполняющей роль гигантского шкива. Учитывая четырехкилометровую толщу воды, каждый такой цикл занимает несколько часов кропотливой работы. ## 🧪 Открытие «темного кислорода» и крушение догм [[JUMP:06:30]] Традиционная океанологическая парадигма гласит, что глубоководные сообщества выживают исключительно за счет потребления кислорода и выделения углекислого газа (CO2) в процессе дыхания. Измерять объемы выделяемого CO2 напрямую в воде крайне сложно, так как этот газ мгновенно вступает в химические реакции, превращаясь в три разные формы: угольную кислоту ($H_2CO_3$), бикарбонат-ионы ($HCO_3^-$) и карбонат-ионы ($CO_3^{2-}$). Чтобы обойти эту проблему, ученые десятилетиями использовали стехиометрические расчеты: предполагалось, что если уровень кислорода в изолированной камере падает, то уровень углекислого газа пропорционально растет. Это правило доминировало во всех исследованиях с использованием донных инкубаторов. Однако результаты измерений в Кларион-Клиппертонской зоне полностью опровергли эти ожидания. Ученые зафиксировали существенное и необъяснимое увеличение концентрации растворенного кислорода в полной темноте. Как объясняет Питер Шрёдль, на дне одновременно и параллельно запущены два противоположных процесса — производство кислорода и его потребление живыми организмами. Это открытие заставляет пересмотреть результаты множества предыдущих научных работ. Гость подчеркивает: если скрытый механизм непрерывно вырабатывает кислород в процессе эксперимента, это означает, что ученые систематически недооценивали реальные масштабы дыхания (респирации) и метаболической активности организмов на морском дне. Геохимический профиль этой зоны оказался поистине аномальным. В то время как на большей части мирового океанского дна запасы кислорода полностью истощаются и среда становится аноксичной (бескислородной) уже на глубине всего 10 сантиметров внутри осадка, в Кларион-Клиппертонской зоне датчики фиксируют наличие кислорода на огромной глубине — до 4,5 метров в толще донного ила. ## 🔋 Геобатареи и другие гипотезы механизмов выработки [[JUMP:08:11]] Полиметаллические конкреции давно известны науке и промышленности. Интересно, что в 1970-х годах их изучение послужило официальной легендой для секретной операции США по подъему затонувшей советской подводной лодки с помощью специально построенного судна Glomar Explorer. Сегодня эти конкреции снова оказались в центре внимания, но уже благодаря их уникальным физико-химическим свойствам. В настоящее время у научного сообщества есть несколько конкурирующих гипотез относительно природы «темного кислорода»: 1. **Концепция «геобатарей».** Измерения показали, что полиметаллические конкреции генерируют электрическое напряжение на своей поверхности. По мнению исследователей, они могут функционировать как природные батарейки, способные запускать процесс электролиза, расщепляя молекулы воды на водород и кислород. 2. **Радиолиз.** На дне фиксируется высокая концентрация урана и других радиоактивных элементов. Радиация способна расщеплять воду, однако расчеты показывают, что за двухдневный период инкубации проб радиоактивного распада объективно недостаточно для генерации столь мощного объема кислорода. 3. **Биогенный фактор.** Исследования команды Шрёдля показали, что от 20% до 40% микробного сообщества на конкрециях тесно связаны с видами, которые в лабораторных культурах выделяют кислород в качестве побочного продукта жизнедеятельности. В частности, изучается роль аммиак-окисляющих архей. 4. **Инфильтрация.** Существует гипотеза, что обогащенная кислородом вода может просачиваться со склонов близлежащих подводных гор и мигрировать через донные осадки. 5. **Минеральное разложение.** Кислород может высвобождаться в результате химического распада оксидов марганца, входящих в состав конкреций. Сам Питер Шрёдль склоняется к мнению, что мы имеем дело с синергетическим эффектом — суммой нескольких параллельных процессов, пропорции которых могут различаться в зависимости от локации. Он честно признает, что в лабораторных условиях исследователям пока не удалось полностью воспроизвести тот объем генерации кислорода, который фиксируется датчиками в океане, используя только радиолиз или чисто геохимическое разложение. Феномен пока лишь зафиксирован, и до окончательного понимания точного механизма потребуются годы детальных исследований. ## 🧬 Археи и эволюционные следствия для древней Земли [[JUMP:10:39]] Обнаружение архей в глубоководных пробах всегда вызывает у биологов колоссальный интерес. Питер Шрёдль напоминает, что человечество уже не раз получало огромную практическую выгоду от изучения этих древнейших микроорганизмов: * ПЦР-тесты (полимеразная цепная реакция) стали возможны благодаря открытию термофильных архей в горячих источниках Йеллоустонского национального парка. * Технология точного редактирования генома CRISPR была впервые идентифицирована у галофильных (солелюбивых) архей. По мнению гостя, микробы — это лучшие геохимики нашей планеты, способные трансформировать вещества, помогать в биоремедиации почв и даже снижать токсичность радиоактивных отходов. В Кларион-Клиппертонской зоне микроорганизмы составляют фундамент всей экосистемы. Ведущий Джон Майкл Годье высказал гипотезу, что открытие «темного кислорода» может сдвинуть временные рамки появления кислородной жизни на Земле назад — в эпоху до Великого кислородного события (Great Oxidation Event, GOE), вызванного цианобактериями. Это означало бы, что глубоко в океане существовал локальный источник кислорода, позволявший микробам дышать еще до того, как этот газ заполнил атмосферу. Шрёдль соглашается, что это увлекательная тема для размышлений, но призывает не заходить слишком далеко в область спекуляций. Он отмечает, что фундаментальные представления о поэтапном насыщении Земли кислородом остаются в силе. Главная проблема — отсутствие надежного геологического контекста. Самым старым зафиксированным залежам полиметаллических конкреций в геологической летописи (обнаруженным на территории современных Франции и Германии и связанным с древним океаном Тетис девонского периода) исполнилось всего около 400 миллионов лет. В то же время Великое кислородное событие произошло примерно 2,8 миллиарда лет назад. Доказать наличие глубоководного кислорода в архее или протерозое крайне трудно, поскольку древняя океаническая кора обладает высокой плотностью. В отличие от легкой континентальной коры, она со временем неизбежно субдуцирует — погружается в мантию и перерабатывается в литосфере. Из-за этого ученые почти не имеют доступных образцов древнего глубокого океанского дна. ## 🚀 Астробиологические перспективы: Европа и Энцелад [[JUMP:15:39]] Открытие механизмов генерации кислорода без участия солнечного света имеет колоссальное значение для поиска внеземной жизни. Если подобные геохимические процессы протекают на дне подледных океанов таких спутников, как Европа (луна Юпитера) или Энцелад (луна Сатурна), это может кардинально расширить шансы на существование там сложной биосферы. Общепризнано, что недра этих ледяных лун геологически активны. По мнению Шрёдля, если в их океанах присутствует аналогичный источник восстановленных металлов, то формирование «геобатарей» вполне возможно, хотя пока это остается гипотезой. Однако проверка этой теории ставит перед инженерами беспрецедентные вызовы. Чтобы добраться до жидкой воды, роботизированным станциям придется преодолеть многокилометровую ледяную кору. Существующие концепции миссий предполагают отказ от классической схемы с одним ровером в пользу запуска целого «роя» миниатюрных аппаратов, по форме напоминающих летающие тарелки, клинья или воздушных змеев, что позволит охватить колоссальную площадь исследований. Океан Европы, согласно расчетам, значительно глубже земного. Для его изучения потребуются технологии, аналогичные нашим донным посадочным аппаратам. Тем не менее, как замечает Шрёдль, современные космические агентства фокусируются преимущественно на гидродинамической геохимии, а не на поиске твердых минеральных месторождений на дне. Чтобы полностью исключить риск биологического загрязнения чужого мира земными микробами, ученые считают наиболее перспективным методом изучение водяных шлейфов (гейзеров), вырывающихся в космическое пространство через трещины в льду. Анализировать состав этой воды на лету гораздо проще и безопаснее, чем пытаться забуриться в глубины океана Европы. ## ⛏️ Геополитика и экологические риски глубоководной добычи [[JUMP:18:27]] Полиметаллические конкреции Кларион-Клиппертонской зоны привлекают гигантский интерес со стороны горнодобывающих корпораций, поскольку объемы содержащихся в них ценных и редкоземельных металлов превышают все известные разведанные запасы во всех наземных шахтах планеты вместе взятых. Однако крупномасштабное промышленное освоение дна несет в себе колоссальные угрозы. По словам Шрёдля, первые эксперименты по имитации глубоководной добычи проводились еще в 1970–1980-х годах. Когда исследователи вернулись на эти участки спустя десятилетия, визуальные наблюдения и приборные замеры показали, что экосистема так и не восстановилась. В научной литературе накоплен огромный массив данных, подтверждающих этот печальный факт. Абиссальная равнина — это невероятно хрупкая среда, где скорость осадконакопления практически равна нулю. Любое грубое вмешательство может навсегда уничтожить уникальные экосистемные услуги, которые эти глубины оказывают биосфере Земли, причем мы можем даже не успеть осознать, в чем именно они заключались. В связи с этим Питер Шрёдль видит свою задачу как ученого в предоставлении максимально точной и объективной информации Международному органу по морскому дну при ООН (International Seabed Authority, ISA), который должен принимать судьбоносные решения. Согласно уставу этой организации, ресурсы международных вод признаны «общим наследием человечества». Ситуация осложняется острой геополитической конкуренцией: ведущие мировые державы заявляют свои права на различные участки дна, причем их претензии зачастую перекрывают друг друга, что неизбежно останется точкой жестких разногласий в будущем. Главный аргумент против поспешной добычи — скорость формирования конкреций. Они растут со скоростью от нескольких миллиметров за тысячу лет до нескольких миллиметров за миллион лет. Проводить аналогии с лесным хозяйством, где вырубленный участок возобновляется за одну человеческую жизнь, абсолютно некорректно: на восстановление конкреций потребуются миллионы лет. В качестве возможного компромисса обсуждаются проекты высокотехнологичных комбайнов, управляемых искусственным интеллектом, которые с помощью камер будут точечно собирать только те конкреции, на которых нет живых организмов. Однако экологи предупреждают, что если общая плотность залегания минералов упадет ниже критического уровня, это все равно может спровоцировать каскадный коллапс всей экосистемы. Шрёдль проводит историческую аналогию с американскими пионерами, осваивавшими центр США. В те времена популяции американских бизонов казались неисчерпаемыми, что привело к их варварскому истреблению ради наживы. До наших дней дошли страшные фотографии тех лет, где черепа бизонов сложены в настоящие горы. В итоге это нанесло колоссальный урон сельскому хозяйству, ведь именно бизоны на протяжении веков формировали и удобряли тот богатейший слой чернозема, на котором сегодня работают американские фермеры. Исследователь выражает искреннюю надежду, что человечество не повторит эту ошибку на дне океана. ## ♻️ Альтернатива добыче: Рециклинг и новые технологии батарей [[JUMP:24:29]] Ведущий Джон Майкл Годье высказал надежду, что человечество сможет накопить достаточное количество металлов в обороте и полностью перейти на их повторное использование. Любой добытый атом металла (если только он не подвергся ядерной реакции) остается на планете навсегда. Например, практически весь алюминий, когда-либо извлеченный из недр Земли, до сих пор находится в обращении. В будущем человечество неизбежно придет к осознанию ценности мусорных свалок как богатейших техногенных месторождений. Питер Шрёдль подтверждает эти надежды авторитетными экономическими расчетами. По данным Консультативного совета европейских академий наук (EASAC), от 40% до 75% (трех четвертей) всех потребностей Европы в металлах для чистой энергетики могут быть полностью закрыты исключительно за счет вторичной переработки уже к 2050 году. Это колоссальный рынок, развитие которого способно резко снизить спрос на первичную добычу сырья. Параллельно стремительно развиваются технологии накопления энергии. В научных публикациях регулярно появляются сообщения о создании эластичных, углеродных и органических батарей. По мере миниатюризации устройств и повышения их эффективности, промышленность будет требовать все меньше дефицитных тяжелых металлов. Положительный пример демонстрирует ювелирная отрасль: золото и серебро практически никогда не выбрасываются на свалку, их постоянно сдают в ломбарды и переплавляют благодаря высокой финансовой ценности. Если общество сформирует аналогичное отношение к промышленным металлам, экономика станет максимально замкнутой и эффективной. Шрёдль отмечает, что если бы правительство США изъяло из обращения все медные центы и пустило их на переплавку, полученной меди хватило бы для масштабной электрификации всей страны, хотя сам он любит эти монетки и не призывает к их уничтожению. Замедление роста населения планеты также дает надежду, что вскоре спрос стабилизируется и человечеству просто не придется тревожить нетронутые уголки Земли. ## ❄️ Влияние глобальных оледенений и будни экспедиции [[JUMP:27:43]] Говоря о прошлом нашей планеты, участники затронули эпоху «Земли-снежка» (Snowball Earth), когда планета была практически полностью скована льдом. Как объясняет Шрёдль, для формирования конкреций критически важна сверхнизкая скорость осадконакопления, иначе медленно растущие минералы просто окажутся погребены под слоем ила. Наземные ледники являются мощнейшей эрозионной силой, но морской лед, напротив, резко снижает уровень солнечной радиации и замедляет накопление осадков на дне. Доказательством тому служат разведанные поля конкреций в Северном Ледовитом океане, которые успешно формируются в суровых условиях под сезонным ледяным покровом. Данные об аналогичных залежах под ледяными шельфами Антарктиды пока остаются белым пятном в научной литературе из-за экстремальной труднодоступности Южного океана. Организация подобных глубоководных экспедиций — это сложнейший логистический процесс, финансирование которого в данном случае осуществлялось компанией The Metals Company. Исследовательское судно вышло из порта Сан-Диего и двигалось строго на юг в течение четырех суток. В общей сложности экспедиция продолжалась чуть менее двух месяцев, из которых четыре-пять недель заняла непрерывная работа непосредственно на научном полигоне. Работа на борту велась в режиме 24/7 без выходных. Команда была разделена на две смены: Питер Шрёдль руководил ночной сменой с полуночи до полудня, а его научный руководитель Джефф Марло (Jeff Marlow) возглавлял дневную смену с 12 дня до полуночи. По воспоминаниям исследователя, жизнь на корабле напоминает маленькую изолированную деревню на уединенном острове, где высочайшая концентрация увлеченных и умных людей неизбежно рождает драму, приключения и крепкую дружбу, а слаженная работа экипажа во главе с прекрасным капитаном напрямую определяет успех всей научной миссии.