Vědci objevili na mořském dně záhadný zdroj kyslíku. Vyrábí ho hodně a nepotřebuje světlo

Objev může mít dalekosáhlé důsledky v mnoha oblastech od zkoumání vzniku (kyslík potřebujícího) života na Zemi až po následky hlubokomořské těžby minerálů. Přesný průběh těchto reakcí nebo kompletní mechanismus, který je pohání, však zatím stále neznáme.

Studie o tomto stále záhadném jevu vyšla tento týden v pondělí v časopise Nature Geoscience.

Záhadný jev byl objeven v oblasti tichomořského dna, poseté prastarými nerostnými útvary o velikosti až švestek nebo brambor, kterým se říká tzv. polymetalické konkrece. Tyto útvary vznikají v průběhu milionů let díky chemickým procesům, které způsobují, že se kovy postupně vysrážejí z vody kolem úlomků mušlí, zobáků olihní a žraločích zubů.

Tyto konkrece zde pokrývají překvapivě velkou plochu. Právě tyto útvary bohaté na různé kovy by mohly podle vědců hrát klíčovou roli v produkci kyslíku, protože by mohly katalyzovat reakce, jejichž výsledkem je štěpení molekul vody na vodík a kyslík, podobně jako při běžné elektrolýze vody.

Kovy, jako je kobalt, nikl, měď, lithium a mangan obsažené v konkrecích jsou zároveň velmi žádané např. pro použití v solárních panelech, bateriích elektromobilů a dalších zelených technologiích.

Jak však připomíná zpravodajská stanice CNN, kritici tvrdí, že jejich hlubokomořská těžba by mohla nenávratně či na mnoho dekád poškodit nedotčené podmořské prostředí, přičemž už jen hluk a oblaka sedimentů vyvolaná těžebními zařízeními poškozují ekosystémy ve středních vodách i organismy na mořském dně. Vytvářejí se tak dlouhotrvající mrtvé zóny skoro bez života.

„Teď víme, že máme na planetě i jiný zdroj kyslíku než fotosyntézu,“ uvedl v článku o výzkumu spoluautor studie Andrew Sweetman, ekolog mořského dna ze Skotské asociace pro mořskou vědu v Obanu ve Velké Británii.

Nový objev by také mohl mít důsledky pro pochopení toho, jak kdysi na Zemi vznikl život. Bez tohoto hlubinného tzv. temného kyslíku by zde prakticky nemohli žít živočichové.

„Je to fascinující,“ poznamenal Donald Canfield, biogeochemik z University of Southern Denmark v Odense. „Ale zároveň i frustrující, protože to vyvolává spoustu otázek a poskytuje zatím málo odpovědí,“ dodal.

Sweetman a jeho spolupracovníci si poprvé všimli této zvláštnosti během terénní práce v roce 2013. Tehdy výzkumníci studovali ekosystémy mořského dna v Clarion-Clippertonově zóně, což je oblast s podmořskými hřbety nacházející se zhruba mezi Havají a Mexikem. Má plošnou rozlohu větší než Indie a je potenciálním cílem pro podmořskou těžbu konkrecí bohatých na kovy.

Během těchto expedic tým zpravidla vypouští robotickou sondu, která se potopí na mořské dno, aby zde provedla sadu automatizovaných experimentů. Jakmile se tam dostane, sonda zatlačí své válcové komory dolů do mořského dna, aby tak uzavřela jeho malé části – spolu s trochou mořské vody – a vytvořila jakýsi „uzavřený mikrokosmos mořského dna“, píší autoři výzkumné zprávy. Na dno vysazená sonda pak mj. měří, jak se mění koncentrace kyslíku v uzavřeném objemu mořské vody v průběhu až několika dní.

Bez přítomnosti fotosyntetických organismů, které uvolňují kyslík do vody, by koncentrace kyslíku uvnitř komor sondy měla pomalu klesat. Sweetman to viděl v rámci svých výzkumů, které již předtím provedl v různých jiných oblastech všech pozemských oceánů.

Ekosystémy mořského dna prakticky po celém světě vděčí za svou existenci kyslíku, kterou na dno přinesou proudy z povrchu moře a rychle by zanikly, pokud by byly od tohoto zdroje odříznuty. Dokonce většina tohoto kyslíku pochází ze severního Atlantiku a kyslík je pak roznášen do oceánských hloubek po celém světě jakýmsi „globálním dopravníkovým pásem“.

Ale v Clarionově-Clippertonově zóně přístroje ukázaly, že ve válcích od okolí izolovaná voda se stávala naopak bohatší na kyslík, nikoli chudší. Nejprve Sweetman připisoval tyto anomální naměřené hodnoty poruchám senzorů. Tento jev se však objevil i při jeho dalších výzkumných cestách v letech 2021 a 2022 a byl navíc potvrzen i pomocí zcela jiné měřicí techniky.

„Najednou jsem si uvědomil, že jsem vlastně osm let ignoroval potenciálně úžasný nový proces, který se odehrává v hloubce 4000 metrů na dně oceánu,“ říká Sweetman.

Průlom pro něj znamenal dokument o hlubinné těžbě, který před několika lety Sweetman sledoval v hotelovém baru v brazilském São Paulu. „Někdo v něm říkal: To je baterie ve skále,“ vzpomíná. „Když jsem se na to díval, najednou mě napadlo: že by to mohlo mít elektrochemickou povahu? Tyto věci, které chtějí těžit, aby vyrobili baterie, by mohly být ve skutečnosti samy svého druhu bateriemi,“ popsal.

„Elektrický proud, dokonce i z obyčejné tužkové baterie, když je umístěn do slané vody, může rozdělit vodu na kyslík a vodík - tento proces je známý jako elektrolýza mořské vody. Možná že metalické konkrece dělají něco podobného,“ uvažoval Sweetman.

Množství produkovaného kyslíku přitom podle něj není malé: dotyčný plyn v komorách dosahuje vyšších koncentrací, než jsou ty, které lze pozorovat v povrchových vodách bohatých na řasy.

Žádná z dalších oblastí kromě Clarion-Clippertonovy zóny, které Sweetman zkoumal a kde se tento jev nevyskytoval, zároveň neobsahovala polymetalické konkrece, což naznačuje, že tyto horniny hrají důležitou roli při produkci tohoto „temného kyslíku“. Minimálně jejich výskyt s touto produkcí koreluje, pokud ji přímo nevysvětluje.

Aby mohl Sweetmanův tým otestovat svoji hypotézu, rozhodli se jeho členové napodobit podmínky panující na hlubokomořském dně v dané zóně také v laboratoři na své lodi.

Prostřednictvím série experimentů vědci vyloučili biologické procesy, jako je např. působení mikrobů, a zaměřili se na samotné konkrece jako původ tohoto jevu. Jako možnost také zvažovali, že by kyslík mohl pocházet přímo z oxidu manganatého v konkrecích. Avšak to se nepotvrdilo.

Vědci v laboratoři sledovali vzorky odebrané z mořského dna, které obsahovaly polymetalické konkrece, a zjistili, že koncentrace kyslíku v jejich okolí se alespoň na chvíli zvýšila. „Začaly produkovat kyslík, ale jen do určité míry. Pak se produkce kyslíku zastavila. Pravděpodobně proto, že energie, která pohání štěpení molekul vody na mořském dně dlouhodobě, se zde v laboratoři po čase vyčerpala,“ popsal Sweetman.

Zbývá tedy otázka, odkud tato energie pochází, kde leží její zdroj, který je přítomen na mořském dně, ale v laboratoři chyběl. Pokud by samotné polymetalické konkrece fungovaly jen jako baterie – popř. by si samy vyráběly energii nějakou chemickou reakcí – byly by již dávno vyčerpány. Ale zjevně tato situace na mořském dně nenastává, nějaký další faktor asi do procesu dodává energii.

Polymetalické konkrece by však mohly sloužit jako sada přírodních katalyzátorů, které by umožňovaly poměrně snadné štěpení vody a tvorbu molekulárního kyslíku.

Podle serveru Science Alert měřili výzkumníci napětí na povrchu „laboratorních“ konkrecí a zjistili zde rozdíly elektrického potenciálu (tedy napětí) až 0,95 voltu. Je to sice méně než 1,5 voltu, což je potřeba k rozdělení molekuly vody, ale v principu by vyššího napětí na mořském dně mohlo být dosaženo stejným způsobem, jakým lze zvýšit napětí běžných elektrických baterií - např. zapojením dvou baterií vedle sebe do série. Na dně se totiž konkrece často vyskytují ve shlucích.

Spoluautor studie Franz Geiger, chemik z Northwestern University v Evanstonu ve státě Illinois, řekl, že zatím není jasné, zda podmořská reakce také produkuje molekulární vodík – což se děje během reakcí průmyslového elektrolyzéru díky přítomnosti katalyzátoru – nebo jestli se na dně do vody uvolňují samotné protony, zatímco se nadbytečné elektrony přesouvají někam jinam.

Ale pokud toto vše pochopíme, pak bychom toho mohli využít v rámci zajímavých a užitečných aplikací, vysvětluje.

„Možná že na dně oceánu existuje vzor nějakého nového ‚patentu‘, který by nám mohl v budoucnosti pomoci vytvořit lepší katalyzátory,“ uvažuje.

Eva Stüekenová, biogeochemička z University of St Andrews ve Velké Británii, říká, že Sweetmanův objev by mohl mít také dopad při hledání známek možného života pomocí světelných spekter extrasolárních planet (neboli exoplanet, tedy planet mimo Sluneční soustavu – pozn. red.), které nám prozrazují výskyt různých chemických prvků na nich.

„Pokud tedy na nějaké exoplanetě zaznamenáme v jejím světelném spektru výskyt plynného kyslíku, není to automaticky důvod k nadšení, že jsme objevili mimozemský život podobný pozemskému. Musíme zde postupovat s mnohem větší opatrností,“ upozornila.

Sweetman navíc dodává, že pochopení toho, jak oceánské dno produkuje kyslík, může také vrhnout světlo na samotný původ pozemského života.

Jednou z dlouhodobých teorií je, že prapůvodní život (nekonzumující kyslík) se vyvinul v hlubokomořských hydrotermálních průduchách. Formy života konzumující kyslík se měly objevit až poté, co na Zemi vznikly jiné formy života vyrábějící kyslík pomocí fotosyntézy, tedy při vystavení slunečnímu svitu. Objev, že elektrolýza mořské vody může tvořit kyslík i v temných hlubinách, by tyto teorie mohl významně ovlivnit, resp. doplnit.

Sweetman také říká, že před zahájením hlubokomořské těžby by vědci měli podrobně zmapovat oblasti mořského dna, kde dochází k produkci kyslíku. Bohaté ekosystémy, které jsou zde závislé na takto produkovaném kyslíku a díky němu také zřejmě vznikly, by se totiž následně mohly zhroutit, pokud by byly polymetalické konkrece následkem těžby odstraněny.

„Pokud je někde kyslík produkován v podobně velkém množství, bude to pravděpodobně důležité pro podmořské živočichy, kteří tam žijí,“ konstatoval. Vědci také varují, že je možné, že hlubokomořská těžba by mohla narušit způsob, jakým se v oceánu ukládá uhlík, což by přispělo ke klimatické krizi.

Americká geologická služba přitom odhaduje, že v Clarion-Clippertonově zóně se nalézá 21,1 miliardy suchých tun polymetalických konkrecí – obsahujících více důležitých kovů, než obsahují dohromady světové zásoby na souši. Tato oblast je tedy velmi lákavá pro těžařské společnosti - a mimochodem na této aktivitě participuje podle mezinárodní smlouvy i Česká republika.

Tuzemský geolog Petr Brož z Geologického ústavu Akademie věd ČR k tomu napsal následující: „Hrozí, že v dohledné době začne docházet k ničení těchto naprosto unikátních kyslíkových ekosystémů hlubinnou těžbou. Pokud si vědecká obec nepospíší, lidstvo přijde o možnost pochopit naprosto unikátní ekosystém, který nám možná pomůže pochopit i počátky a rozvoj života na Zemi! Nebudu totiž bláhový a nebudu se upínat k naději, že by tento unikátní objev vedl k vyhlášení podmořských rezervací, které by těžbu polymetalických konkrecí v některých částech oceánů zakázalo… Na to máme po nerostech až moc velký hlad.“

Na pozoruhodný objev upozornil i ve vlákně na síti X.