Тёмный кислород - NiNa.Az

Тёмный кислород (англ. dark oxygen) — научный термин для обозначения молекул кислорода, найденных в глубоких слоях океана, куда не проникает свет, тем самым исключая возможность образования в результате фотосинтеза. Кислород производится в темноте через различные абиотические и биотические процессы, что потенциально поддерживает аэробный метаболизм в темных бескислородных средах.

Железомарганцевая конкреция

Пласт конкреций на океанском дне у островов Кука

Абиотическое производство

Абиотическое производство темного кислорода может происходить через несколько механизмов, включая радиолиз воды в темных геологических экосистемах и окисление поверхностно-связанных радикалов на кремнийсодержащих минералах. Эти процессы также образуют активные формы кислорода (АФК), такие как гидроксильные радикалы (OH^•), супероксид (O₂^•-) и перекись водорода (H2O2), которые могут преобразовываться в O₂ и воду биотическим путем через ферменты или абиотически через реакции с двухвалентным железом и другими восстановленными металлами.

Также кислород образуется железомарганцевыми конкрециями на глубине ниже 4000 м путём электролиза.

Биотическое производство

Биотическое производство темного кислорода осуществляется микроорганизмами посредством различных микробных процессов, включая:

• Дисмутация хлорита: Этот процесс включает дисмутацию хлорита (ClO₂⁻) с образованием O₂и ионов хлорида.
• Дисмутация оксида азота: Этот процесс включает дисмутацию оксида азота (NO) с образованием O₂и газообразного азота (N₂) или закиси азота (N₂O).
• Лизис воды с помощью метанобактинов: Метанобактины могут расщеплять молекулы воды с образованием O₂.

Эти процессы позволяют микробным сообществам поддерживать аэробный метаболизм в среде, лишенной кислорода.

История открытия

О существовании тёмного кислорода было объявлено 22 июля 2024 года в ислледовании, опубликованом в журнале Nature Geoscience. Эндрю Свитман, профессор Шотландской ассоциации морских наук, изучал зону между островами Кларион и Клиппертон, область между Гавайями и Мексикой, где он и его команда обнаружили это явление. В 2013 году заметив необычные показатели содержания кислорода со дна Тихого океана, Эндрю Свитман подумал, что оборудование сломалось, однако позже производитель оборудования заверил его, что оно работает правильно. В 2021 и 2022 годах Свитман и его команда вернулись в зону между островами Кларион и Клиппертон и ещё раз измерили содержание кислорода в воде.

Это открытие ставит под сомнение теорию о том, что весь молекулярный кислород образуется в результате фотосинтеза.

Открытие

Химическая реакция

Описанный возможный процесс получения тёмного кислорода известен как электролиз морской воды. Электрического напряжения всего в 1,5 В достаточно, чтобы начать реакцию разделения водорода и кислорода электролизом. Самая большая величина электрического напряжения, наблюдавшаяся во время экспедиции, составила всего 0,95 В. Рабочая гипотеза заключается в том, что в океанских глубинах морская вода, электролит, и марганец вместе с железом, гальванический элемент, взаимодействуют между собой, работая, как химическая батарея.

Последствия

Возможность получения тёмного кислорода электролизом ставит под сомнение все существующие теории и модели развития биологической жизни на Земле. До сих пор все подобные теории предполагали, что весь кислород был получен растениями и водорослями в результате фотосинтеза.

Открытие также может иметь важные последствия для поиска жизни на других планетах, вероятно, аналогичный процесс генерации кислорода может происходить и на других океанических мирах, а возможно даже на спутниках планет-гигантов в Солнечной системе, имеющих подповерхностный океаны, таких как Энцелад и Европа, создавая условия для существования аэробной жизни.

Примечания

1. Dark oxygen made by deep sea 'batteries' (брит. англ.). www.bbc.com. Дата обращения: 31 июля 2024. Архивировано 31 июля 2024 года.
2. Gomez, Julia. 'Dark oxygen' discovery: Study finds lumps of metal producing 'dark oxygen' on ocean floor (амер. англ.). USA TODAY. Дата обращения: 31 июля 2024. Архивировано 29 июля 2024 года.
3. Das, Soumya (2013). Critical Review of Water Radiolysis Processes, Dissociation Products, and Possible Impacts on the Local Environment: A Geochemist. Australian Journal of Chemistry (англ.). 66 (5): 522. doi:10.1071/CH13012. ISSN 0004-9425.
4. He, Hongping; Wu, Xiao; Xian, Haiyang; Zhu, Jianxi; Yang, Yiping; Lv, Ying; Li, Yiliang; Konhauser, Kurt O. (16 ноября 2021). An abiotic source of Archean hydrogen peroxide and oxygen that pre-dates oxygenic photosynthesis. Nature Communications (англ.). 12 (1): 6611. Bibcode:2021NatCo..12.6611H. doi:10.1038/s41467-021-26916-2. ISSN 2041-1723. PMC 8595356. PMID 34785682.
5. He, Hongping; Wu, Xiao; Zhu, Jianxi; Lin, Mang; Lv, Ying; Xian, Haiyang; Yang, Yiping; Lin, Xiaoju; Li, Shan; Li, Yiliang; Teng, H. Henry; Thiemens, Mark H. (28 марта 2023). A mineral-based origin of Earth's initial hydrogen peroxide and molecular oxygen. Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). 120 (13): e2221984120. Bibcode:2023PNAS..12021984H. doi:10.1073/pnas.2221984120. ISSN 0027-8424. PMC 10068795. PMID 36940327.
6. Stone, Jordan; Edgar, John O.; Gould, Jamie A.; Telling, Jon (8 августа 2022). Tectonically-driven oxidant production in the hot biosphere. Nature Communications (англ.). 13 (1): 4529. Bibcode:2022NatCo..13.4529S. doi:10.1038/s41467-022-32129-y. ISSN 2041-1723. PMC 9360021. PMID 35941147.
7. Sutherland, Kevin M.; Hemingway, Jordon D.; Johnston, David T. (May 2022). The influence of reactive oxygen species on "respiration" isotope effects. Geochimica et Cosmochimica Acta (англ.). 324: 86–101. Bibcode:2022GeCoA.324...86S. doi:10.1016/j.gca.2022.02.033.
8. Xu, Jie; Sahai, Nita; Eggleston, Carrick M.; Schoonen, Martin A.A. (February 2013). Reactive oxygen species at the oxide/water interface: Formation mechanisms and implications for prebiotic chemistry and the origin of life. Earth and Planetary Science Letters (англ.). 363: 156–167. Bibcode:2013E&PSL.363..156X. doi:10.1016/j.epsl.2012.12.008.
9. Hunt, Katie. Scientists discover ‘dark’ oxygen being produced more than 13,000 feet below the ocean surface (англ.). CNN (22 июля 2024). Дата обращения: 31 июля 2024. Архивировано 29 июля 2024 года.
10. Xu, Jianlin; Logan, Bruce E. (August 2003). Measurement of chlorite dismutase activities in perchlorate respiring bacteria. Journal of Microbiological Methods (англ.). 54 (2): 239–247. doi:10.1016/S0167-7012(03)00058-7. PMID 12782379.
11. Ettwig, Katharina F.; Speth, Daan R.; Reimann, Joachim; Wu, Ming L.; Jetten, Mike S. M.; Keltjens, Jan T. (2012). Bacterial oxygen production in the dark. Frontiers in Microbiology. 3: 273. doi:10.3389/fmicb.2012.00273. ISSN 1664-302X. PMC 3413370. PMID 22891064.
12. Kraft, Beate; Jehmlich, Nico; Larsen, Morten; Bristow, Laura A.; Könneke, Martin; Thamdrup, Bo; Canfield, Donald E. (7 января 2022). Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon. Science (англ.). 375 (6576): 97–100. Bibcode:2022Sci...375...97K. doi:10.1126/science.abe6733. ISSN 0036-8075. PMID 34990242.
13. Murali, Ranjani; Pace, Laura A.; Sanford, Robert A.; Ward, L. M.; Lynes, Mackenzie M.; Hatzenpichler, Roland; Lingappa, Usha F.; Fischer, Woodward W.; Gennis, Robert B.; Hemp, James (25 июня 2024). Diversity and evolution of nitric oxide reduction in bacteria and archaea. Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). 121 (26): e2316422121. Bibcode:2024PNAS..12116422M. doi:10.1073/pnas.2316422121. ISSN 0027-8424. PMC 11214002. PMID 38900790.
14. Dershwitz, Philip; Bandow, Nathan L.; Yang, Junwon; Semrau, Jeremy D.; McEllistrem, Marcus T.; Heinze, Rafael A.; Fonseca, Matheus; Ledesma, Joshua C.; Jennett, Jacob R.; DiSpirito, Ana M.; Athwal, Navjot S.; Hargrove, Mark S.; Bobik, Thomas A.; Zischka, Hans; DiSpirito, Alan A. (25 июня 2021). Parales, Rebecca E. (ed.). Oxygen Generation via Water Splitting by a Novel Biogenic Metal Ion-Binding Compound. Applied and Environmental Microbiology (англ.). 87 (14): e0028621. Bibcode:2021ApEnM..87E.286D. doi:10.1128/AEM.00286-21. ISSN 0099-2240. PMC 8231713. PMID 33962982.
15. Timsit, Annabelle (23 июля 2024). Scientists find 'dark oxygen' being produced from metals on the seafloor. Washington Post (англ.). 0190-8286. Дата обращения: 31 июля 2024.
16. Parshall, Allison. Bizarre Mineral Clumps Make ‘Dark Oxygen’ on Deep Seafloor (англ.). Scientific American. Дата обращения: 31 июля 2024. Архивировано 30 июля 2024 года.
17. published, Sascha Pare. Discovery of 'dark oxygen' from deep-sea metal lumps could trigger rethink of origins of life (англ.). livescience.com (22 июля 2024). Дата обращения: 31 июля 2024.
18. France-Presse, Agence (22 июля 2024). 'Dark oxygen' in depths of Pacific Ocean could force rethink about origins of life. The Guardian (англ.).
19. Andrew K. Sweetman and etc. Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor (англ.) // Nature Geoscience. — 2024. — ISSN 1752-0908. — doi:10.1038/s41561-024-01480-8.
20. Геологи обнаружили «темный кислород» на океанском дне  (рус.). Naked Science (22 июля 2024). Архивировано 28 июля 2024 года.
21. На дне Тихого океана нашли производящие кислород загадочные образования  (рус.). РБК Life (23 июля 2024).