Tlen bez światła. Naukowcy wracają na dno oceanu, by wyjaśnić zagadkę

Zjawisko nazwano roboczo "ciemnym tlenem". Zarejestrowano je w rejonie Clarion-Clipperton Zone - rozległej równinie dna Pacyfiku między Hawajami a Meksykiem, znanej z ogromnych złóż konkrecji polimetalicznych. To właśnie tam, w szczelnie zamkniętych komorach pomiarowych ustawionych na dnie, zamiast spodziewanego spadku poziomu tlenu, czujniki pokazały jego systematyczny wzrost, trwający nawet kilkadziesiąt godzin.

Badaniami kieruje Andrew Sweetman, ekolog dna morskiego, który przyznaje, że przez lata ignorował podobne sygnały jako błąd aparatury. - Uczono nas, że bez światła nie ma produkcji tlenu. Gdy dane temu przeczyły, naturalnym odruchem było założenie, że coś jest nie tak z pomiarem - mówił w rozmowie z magazynem Nature. Dopiero powtarzalność wyników w różnych eksperymentach zmusiła zespół do poważnego potraktowania anomalii.

Pierwsza hipoteza zakłada, że źródłem tlenu mogą być same konkrecje polimetaliczne - grudki bogate w mangan, nikiel, kobalt i miedź, które narastają na dnie oceanu przez miliony lat. Pomiary wykazały, że na ich powierzchni występują różnice potencjałów elektrycznych sięgające niemal jednego wolta, porównywalne z napięciem baterii AA. W teorii taki potencjał może wystarczyć do rozszczepiania cząsteczek wody na wodór i tlen, czyli do elektrolizy.

To właśnie ta "geo-bateryjna" hipoteza wzbudziła największe zainteresowanie - i największe kontrowersje. Krytycy zwracają uwagę, że klasyczna elektroliza wymaga wyższego napięcia, a warunki panujące na dnie oceanu są skrajnie nieprzyjazne dla tego typu reakcji. Zwolennicy odpowiadają, że reakcje na powierzchni minerałów mogą zachodzić inaczej niż w laboratoryjnych modelach, a struktura konkrecji sprzyja lokalnemu obniżeniu progów energetycznych.

Jeśli istnienie "ciemnego tlenu" się potwierdzi, konsekwencje wykraczają daleko poza oceanografię. Wczesna Ziemia przez setki milionów lat była światem niemal pozbawionym tlenu w atmosferze, a mimo to rozwijało się na niej życie. Lokalna, niezależna od światła produkcja tlenu mogła tworzyć mikrooazy sprzyjające ewolucji organizmów tolerujących lub wykorzystujących tlen, jeszcze zanim fotosynteza stała się dominującym źródłem tego pierwiastka. Taki mechanizm pomógłby wyjaśnić, dlaczego niektóre linie ewolucyjne były "gotowe" na wielkie natlenienie planety, gdy do niego doszło.

Równolegle badana jest rola mikroorganizmów. Każda konkrecja może być siedliskiem milionów bakterii i archeonów, a część z nich potrafi przeprowadzać nietypowe reakcje chemiczne, w tym takie, które w specyficznych warunkach prowadzą do uwalniania tlenu. Dotychczasowe eksperymenty z użyciem substancji zabijających drobnoustroje sugerują, że biologia nie tłumaczy całego zjawiska. Naukowcy coraz częściej skłaniają się ku wnioskowi, że procesy biologiczne i elektrochemiczne mogą działać wspólnie, wzajemnie się wzmacniając.

Jednym z kluczowych pytań, na które mają odpowiedzieć nowe badania, jest skala produkcji "ciemnego tlenu". Dotychczasowe dane pokazują, że nie zachodzi ona wszędzie. W części eksperymentów rejestrowano jego wzrost, w innych wyłącznie zużycie przez organizmy denne. Sugeruje to, że dno oceanu jest chemicznie niejednorodne i składa się z mozaiki mikrośrodowisk, w których tylko niektóre warunki sprzyjają powstawaniu tlenu.

Równie istotna jest trwałość zjawiska. Tempo produkcji tlenu może zmieniać się w czasie - na przykład wtedy, gdy powierzchnia konkrecji zostaje przysypana osadem albo ponownie odsłonięta przez prądy denne. Jeśli proces zachodzi głównie na świeżo odsłoniętych powierzchniach, jego dynamika może być bardzo wrażliwa na wszelkie zakłócenia mechaniczne.

Odkrycie pojawia się w kluczowym momencie dla debat o przyszłości górnictwa głębinowego. Konkrecje polimetaliczne są celem firm planujących wydobycie metali niezbędnych do produkcji baterii i technologii niskoemisyjnych. Jednocześnie testy górnicze z lat 70. i 80. pokazują, że ślady ingerencji w dno oceanu utrzymują się przez dziesięciolecia, a odbudowa ekosystemów jest niezwykle powolna.

Jeśli okaże się, że konkrecje są nie tylko siedliskiem organizmów, lecz także aktywnym źródłem tlenu, ich usunięcie mogłoby zmienić lokalną chemię oceanu w sposób trudny do odwrócenia. To argument, który może wzmocnić głosy domagające się moratorium na wydobycie, przynajmniej do czasu lepszego zrozumienia procesów zachodzących na dużych głębokościach.

W nadchodzących latach naukowcy planują serię ekspedycji z użyciem nowych, wyspecjalizowanych platform badawczych zdolnych do pracy nawet na głębokościach sięgających 10 kilometrów. Kluczowe będzie jednoczesne mierzenie tlenu i wodoru, co pozwoli sprawdzić, czy rzeczywiście dochodzi do elektrolizy wody. Pobrane zostaną także próbki osadów i konkrecji do analiz laboratoryjnych.

Odkrycie to ma także wymiar planetarny. Jeśli tlen może powstawać w wyniku reakcji elektrochemicznych w ciemnym oceanie, podobne procesy mogłyby zachodzić na lodowych księżycach, takich jak Europa czy Enceladus, gdzie ciekła woda styka się z bogatymi w metale skałami dna. W takim scenariuszu obecność tlenu przestaje być jednoznacznym śladem fotosyntezy, a staje się wskaźnikiem bardziej złożonych procesów geochemicznych. To zmusza astrobiologów do ostrożniejszej interpretacji przyszłych pomiarów tlenu poza Ziemią.

Stawka jest wysoka. Jeśli "ciemny tlen" okaże się realnym i powtarzalnym zjawiskiem, zmieni nie tylko sposób, w jaki myślimy o funkcjonowaniu głębokiego oceanu, ale także o początkach życia na Ziemi i możliwościach jego istnienia na innych planetach. Jeśli zaś hipoteza upadnie, pozostanie ważną lekcją o granicach naszych narzędzi i o tym, jak łatwo przeoczyć coś tylko dlatego, że nie pasuje do obowiązującego paradygmatu.