海底で謎の酸素源が発見され、科学者を困惑させている

イギリスの科学誌ネイチャー(Nature)と米国の科学誌「サイエンティフィック・アメリカン(Scientific American)」は2024年07月22日に、ダビデ・カステルベッキ(Davide Castelvecchi)は、化学反応により水分子が分解されて酸素が生成されている可能性はあるが、そのエネルギー源は不明のままであると報告した。

太平洋の海底では、太陽光がまったく届かず光合成が不可能な深さで、何かが大量の酸素を排出している。

この現象は、多金属団塊と呼ばれる古代のプラム大の地層が点在する地域で発見された。研究者らは、この団塊が水分子の分解を触媒することで酸素生成に関与している可能性があると考えている。この発見は「Nature Geoscience1」に掲載されている。

「地球には光合成以外にも酸素の供給源がある」と、イギリスのオーバンにあるスコットランド海洋科学協会の海底生態学者で、研究の共著者であるアンドリュー・スウィートマン(Andrew Sweetman, a sea-floor ecologist at the Scottish Association for Marine Science in Oban, UK — although the mechanism behind this oxygen production remains a mystery)は言う。ただし、この酸素生成の背後にあるメカニズムは謎のままで、この発見は、生命の起源の理解や、この地域の深海採掘の影響の可能性にも影響を与える可能性があると、スウィートマンは言う。

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02290-5

オーデンセにある南デンマーク大学の生物地球化学者ドナルド・キャンフィールド(Donald Canfield, a biogeochemist at the University of Southern Denmark in Odense)は、この観察は「興味深い。」「しかし、多くの疑問が浮かび上がってくる一方で、答えがあまり得られないので、イライラします。」と言う。

スウィートマンと共同研究者が最初に何かおかしいことに気づいたのは、2013年の現地調査のときだった。

研究者たちは、クラリオン・クリッパートン地帯の海底生態系(sea-floor ecosystems in the Clarion–Clipperton Zone)を調査していた。この地域はハワイとメキシコの間にあり、インドよりも広く、金属を豊富に含む団塊の採掘の潜在的なターゲットとなっている。

このような調査で、チームは海底に沈んで自動実験を行うモジュールを放出する。海底に到着すると、モジュールは円筒形のチャンバーを下ろして海底の小さな部分を(海水とともに)閉じ込め、「海底の閉じられた小宇宙」を作り出すと、著者らは書いている。その後、着陸機は閉じ込められた海水中の酸素濃度が数日間にわたってどのように変化するかを測定する。

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00088-7

酸素の流れ
光合成生物が水中に酸素を放出せず、他の生物がガスを消費しない限り、チャンバー内の酸素濃度はゆっくりと低下するはずです。スウィートマンは、南極海、北極海、インド洋、大西洋の海域で行った研究で、その現象を目にしてきました。世界中の海底生態系は、表面から流れによって運ばれる酸素のおかげで存在しており、それが遮断されればすぐに死んでしまいます。(その酸素のほとんどは北大西洋で発生し、「地球規模のコンベアベルト」によって世界中の深海に運ばれます。)

しかし、クラリオン・クリッパートン帯では、隔離された水の酸素が減るのではなく、増えていることが機器によって示されました。スウィートマンは当初、測定値はセンサーの故障によるものだと考えていました。しかし、この現象は2021年と2022年のその後の調査でも発生し続け、別の手法による測定で確認されました。 「私は突然、海底4,000mの深さでこの驚くべき新しいプロセスを8年間無視していたことに気付きました」とスウィートマンは言う。

ペトリ皿の上の団塊の詳細。
研究者は酸素生成に関与している可能性があると考えている海底で発見された多金属団塊。クレジット: カミーユ ブリッジウォーター(Credit: Camille Bridgewater)

生成される酸素の量は少なくありません。チャンバー内のガスは藻類が豊富な表層水で見られる濃度よりも高い濃度に達します、とスウィートマンは言います。スウィートマンが調査した他の地域には多金属団塊は含まれておらず、これらの岩がこの「ダーク酸素(dark oxygen)」の生成に重要な役割を果たしていることを示唆しています。

この仮説の最初のテストとして、チームは船の実験室で海底で見つかった状況を再現しました。彼らは海底から採取したサンプル (多金属団塊を含む) を監視し、少なくともしばらくの間、酸素濃度が上昇することを確認しました。「それらはある程度まで酸素を生成し始めます。 「その後、活動は停止します」とスウィートマンは言う。おそらく、水分子の分裂を促すエネルギーが枯渇するためだろう。そうなると、そのエネルギーがどこから来るのかという疑問が残る。もし、結節自体が電池として機能し、化学反応からエネルギーを生み出していたなら、ずっと前にエネルギーが枯渇していたはずだ。

電位
しかし、この結節は触媒として機能し、水の分解と分子状酸素の形成を可能にする可能性がある。研究者らは結節の表面の電圧を測定したところ、最大 0.95 ボルトの電圧差を発見した。これは水分子を分解するのに必要な 1.5 ボルトには及ばないが、原理的には、2つのバッテリーを直列に接続することでバッテリー電圧を2倍にできるのと同じ方法で、より高い電圧を生成できるとスウィートマンは言う。

イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学の化学者で共著者のフランツ・ガイガー(Co-author Franz Geiger, a chemist at Northwestern University in Evanston, Illinois)は、この反応が分子状水素も生成するのか(触媒のおかげで工業用電解反応で起こる)、それとも水中に陽子を放出して残りの電子をどこか別の場所に移動するのかはまだ不明だと述べている。しかし、この反応を理解することで、最終的に有用な用途が生まれる可能性があると彼は言う。「おそらく、海の底には、より優れた触媒を作るのに役立つ青写真があるのだろう。」

イギリスのセント・アンドリュース大学の生物地球化学者エヴァ・シュテューケン(Eva Stüeken, a biogeochemist at the University of St Andrews, UK)は、この結果は太陽系外惑星の光スペクトルから生命の痕跡を探すという提案にも影響を与える可能性があると語る。「他の惑星に酸素ガスが存在するかどうかは、おそらくさらに慎重に解釈する必要があるでしょう」と彼女は言う。

スウィートマンは、深海採掘を始める前に、研究者は酸素生成が行われている地域を地図に描くべきだと言う。

そうしないと、団塊が除去されると、酸素に依存している生態系が崩壊する恐れがある。「酸素が大量に生成されているとしたら、そこに生息する動物にとって重要なものになる可能性がある。」

このメカニズムが解明できると、また輸送により起こる問題を解決できるかもしれない。

自然界には、分かっているより多くのことが起こっているのかもしれない。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-02393-7

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02393-7
https://www.scientificamerican.com/article/dark-oxygen-discovered-coming-from-mineral-deposits-on-deep-seafloor/