海底4000米的"暗氧"：土豆大的石頭會發(fā)電產(chǎn)氧？

你有沒有想過，在沒有陽光的地方，氧氣是怎么來的？

這個問題聽起來像是個腦筋急轉(zhuǎn)彎——畢竟我們從小學(xué)到的常識是，氧氣來自植物的光合作用，而光合作用需要陽光。但在太平洋深處，一群科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一件打破常識的事：海底4000米、漆黑一片的地方，有一些"土豆"大小的石頭，正在默默制造氧氣。

這不是科幻小說的設(shè)定，而是2024年7月發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》上的一項真實研究。故事要從一片叫克拉里昂-克利珀頓區(qū)（Clarion-Clipperton Zone，簡稱CCZ）的海底平原說起。

這片區(qū)域位于夏威夷與墨西哥西海岸之間，面積450萬平方公里，相當(dāng)于半個中國那么大。這里不是海底沙漠，而是生機勃勃的生態(tài)系統(tǒng)，生活著各種我們叫不上名字的深海生物。但讓CCZ真正出名的，是散落在海底的數(shù)萬億塊"多金屬結(jié)核"——就是那種土豆大小、富含鎳、錳、銅、鋅、鈷的石頭。

這些金屬正是制造電動車電池的關(guān)鍵材料。一些礦業(yè)公司給它們起了個時髦的名字："石頭里的電池"。按照原計劃，這些石頭是要被挖出來，助力人類綠色能源轉(zhuǎn)型的。

但科學(xué)家現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，這些石頭可能比我們想象的更重要——它們會自己產(chǎn)氧。

發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象的，是英國蘇格蘭海洋科學(xué)協(xié)會的深海生態(tài)學(xué)家安德魯·斯威特曼（Andrew Sweetman）。他的研究始于十多年前，原本只是想搞清楚一個簡單問題：越往海底走，氧氣是不是越少？

2013年，斯威特曼在CCZ布設(shè)了傳感器。等數(shù)據(jù)傳回來時，他愣住了——氧氣濃度不是下降了，而是上升了。在4000米深的海底，氧氣含量居然比上方海水還高。

"傳感器壞了。"這是他的第一反應(yīng)。深海研究里，設(shè)備出故障是家常便飯。斯威特曼把這次數(shù)據(jù)歸檔，標(biāo)記為異常值，然后繼續(xù)干活。

但幾年后，同樣的現(xiàn)象再次出現(xiàn)。不同批次、不同位置的傳感器，都記錄到了海底氧氣異常升高。這時候他意識到，可能不是設(shè)備的問題。

斯威特曼開始重新思考那些"石頭里的電池"。如果它們儲存電能，會不會也像真正的電池一樣，發(fā)生某種電化學(xué)反應(yīng)？電池放電時，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)——而在特定條件下，水可以被電解，產(chǎn)生氧氣。

他把這些多金屬結(jié)核帶回實驗室，模擬深海高壓環(huán)境進(jìn)行測試。結(jié)果證實了他的猜測：這些石頭確實能充當(dāng)"地質(zhì)電池"，通過電化學(xué)反應(yīng)把海水分解，釋放出氧氣。研究團(tuán)隊把這種在沒有光照條件下產(chǎn)生的氧氣命名為"暗氧"（dark oxygen）。

這個發(fā)現(xiàn)之所以重要，是因為它觸及了一個根本問題：地球上的生命是怎么開始的？

按照教科書上的標(biāo)準(zhǔn)敘事，地球早期大氣幾乎沒有氧氣，直到大約24億年前藍(lán)細(xì)菌出現(xiàn)，通過光合作用大量釋放氧氣，才有了后來復(fù)雜生命的演化。這套敘事有一個隱含前提：氧氣只能來自有光的地方。

但斯威特曼的發(fā)現(xiàn)提供了另一種可能性。如果海底石頭就能產(chǎn)氧，那么生命或許不需要等待陽光——在深海熱液口、在海底沉積物中，只要有合適的礦物質(zhì)和海水，氧氣就可以被制造出來。這意味著，好氧生命的起源地可能比我們想象的更廣泛，甚至完全不需要依賴光合作用。

斯威特曼在新聞稿中說得直接："好氧生命要在地球上開始，必須有氧氣。我們之前的理解是，地球氧氣供應(yīng)始于光合生物。但我們現(xiàn)在知道，深海沒有光的地方也能產(chǎn)生氧氣。因此我認(rèn)為，我們需要重新審視一些問題：好氧生命可能從哪里開始？"

這個"可能"很重要。研究本身并沒有證明生命確實起源于深海產(chǎn)氧環(huán)境，只是打開了一扇之前被忽視的門。從"可能存在"到"確實如此"，還有很長的科學(xué)驗證路要走。但光是這個可能性，就足以讓天體生物學(xué)家興奮了。

想想土衛(wèi)二恩克拉多斯（Enceladus）和木衛(wèi)二歐羅巴（Europa）。這兩顆衛(wèi)星的冰殼之下，都有液態(tài)水海洋。如果地球海底的石頭能產(chǎn)氧，那么那些衛(wèi)星海底的類似礦物，會不會也在做同樣的事？如果那里有氧氣，就有支持好氧生命的潛在條件——不需要陽光，不需要靠近恒星，只需要合適的化學(xué)反應(yīng)。

當(dāng)然，這同樣是推測。我們既不知道那些衛(wèi)星的海底有什么礦物，也不知道那里的化學(xué)環(huán)境是否支持類似的電化學(xué)反應(yīng)。但地球的例子至少說明，產(chǎn)氧不一定需要生物，也不需要光。

回到地球，這個發(fā)現(xiàn)還帶來了更緊迫的現(xiàn)實問題：那些"石頭里的電池"，到底該不該挖？

國際海底管理局（ISA）正在制定的深海采礦法規(guī)，原本主要考慮的是生態(tài)破壞：采礦機會不會碾碎海底生物？沉積物羽流會不會擴散污染？噪聲和光線會不會干擾深海生態(tài)系統(tǒng)？這些問題已經(jīng)夠復(fù)雜了，但"暗氧"的發(fā)現(xiàn)又加了新維度。

如果多金屬結(jié)核是深海氧氣的重要來源，大規(guī)模采集會不會改變局部甚至更大范圍的化學(xué)環(huán)境？我們對深海生態(tài)系統(tǒng)的了解本來就少得可憐——CCZ的大部分區(qū)域從未被詳細(xì)調(diào)查過，那里有什么物種、它們?nèi)绾我蕾囘@些氧氣、氧氣產(chǎn)量隨時間如何變化，基本都是未知數(shù)。

斯威特曼的研究沒有回答這些問題，它只是揭示了我們的無知。在談判桌上，"我們不知道"是個尷尬的論據(jù)，但它可能是目前最誠實的表述。礦業(yè)公司想盡快開工，環(huán)保組織想永久禁止，而科學(xué)家手里只有初步證據(jù)：這些石頭會產(chǎn)氧，但我們不知道產(chǎn)多少、對生態(tài)多重要、挖掉之后會怎樣。

這種不確定性本身，或許就是深海采礦需要謹(jǐn)慎推進(jìn)的理由之一。畢竟，我們連自己要破壞的是什么，都還沒完全搞清楚。

從更長的尺度看，"暗氧"的故事是個關(guān)于認(rèn)知邊界的提醒。人類對海洋的了解，遠(yuǎn)少于對月球表面的了解。我們發(fā)明了能下潛萬米的潛水器，卻才剛剛開始理解海底在發(fā)生什么。每一次以為"就是這樣了"的時候，深海總會拋出新的意外。

這次是一顆會發(fā)電的石頭。下次會是什么？