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Eine überraschende Entdeckung, die im Juli veröffentlicht wurde, dass metallisches Gestein offenbar auf dem Meeresboden des Pazifischen Ozeans, wo kein Licht eindringen kann, Sauerstoff produziert, war eine wissenschaftliche Bombe.
Erste Untersuchungen deuten darauf hin, dass metallreiche, kartoffelgroße Knollen, die überwiegend 4.000 Meter (13.100 Fuß) unter der Oberfläche in der Clarion-Clipperton-Zone gefunden werden, eine elektrische Ladung freisetzen und Meerwasser durch Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Das beispiellose Naturphänomen stellt die Vorstellung in Frage, dass Sauerstoff nur durch Photosynthese aus Sonnenlicht hergestellt werden kann.
Andrew Sweetman, Professor an der britischen Scottish Association for Marine Science, der hinter dem Fund stand, startet ein dreijähriges Projekt, um die Produktion von „dunklem“ Sauerstoff weiter zu untersuchen. Sweetman und sein Team verwenden maßgeschneiderte Bohrinseln, die mit Sensoren ausgestattet sind und bis zu einer Tiefe von 11.000 Metern (36.089 Fuß) eingesetzt werden können. Die Nippon Foundation finanziert das am Freitag angekündigte Forschungsprojekt in Höhe von 2,7 Millionen US-Dollar (2,2 Millionen Pfund).
Die Nippon Foundation und die Scottish Association for Marine Science geben bei einer Pressekonferenz im Scotland House den Start eines Forschungsprojekts bekannt. Abgebildet sind (von links) Nick Owens und Andrew Sweetman von SAMS sowie Yohei Sasakawa, Vorsitzender der Nippon Foundation. – Alex Rumford/SAMS/The Nippon Foundation
Die Entdeckung von dunklem Sauerstoff zeigte, wie wenig über die Tiefsee und insbesondere über die Clarion-Clipperton-Zone (CCZ) bekannt ist. Die Region wird für den Tiefseeabbau seltener Metalle erkundet, die in den Gesteinsknollen enthalten sind. Letztere entstehen über Millionen von Jahren und die Metalle spielen eine Schlüsselrolle in neuen und umweltfreundlichen Technologien.
„Unsere Entdeckung des dunklen Sauerstoffs war ein Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der Tiefsee und möglicherweise des Lebens auf der Erde, aber sie warf mehr Fragen als Antworten auf“, sagte Sweetman, der Leiter der Meeresbodenökologie- und Biogeochemiegruppe seiner Institution, in einer Nachricht freigeben. „Diese neue Forschung wird es uns ermöglichen, einige dieser wissenschaftlichen Fragen zu untersuchen.“
Sweetman sagte, das ursprüngliche Ziel des neuen Projekts sei es, festzustellen, ob die Produktion von dunklem Sauerstoff in anderen Bereichen des CCZ, in denen sich die Knötchen befinden, wiederholt wurde, und dann genau zu entschlüsseln, wie der Sauerstoff produziert wurde.
Ein besseres Verständnis des Phänomens könnte Weltraumforschern auch dabei helfen, Leben außerhalb der Erde zu finden, fügte er hinzu.
Sauerstoff an unerwarteten Orten
Ohne die kontinuierliche Energie, die das Sonnenlicht liefert, ist es schwierig, Sauerstoff zu produzieren, aber andere Wissenschaftler sind auch an abgelegenen, lichtarmen Orten auf unerwartete Sauerstoffmoleküle gestoßen. Sweetman sagte, dass die Produktion von dunklem Sauerstoff ein umfassenderes Phänomen sein könnte, das übersehen wurde.
Emil Ruff, ein Mikrobiologe am Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts, entdeckte Sauerstoff in Süßwasserproben in Alberta, zehn bis Hunderte Meter unter der kanadischen Prärie, ein Ergebnis, das er und Co-Autoren der University of Calgary und der Woods Hole Oceanographic Institution berichteten in einer im Juni 2023 veröffentlichten Studie. In einigen Fällen war der dunkle Sauerstoff seit mehr als 40.000 Jahren aus der oberirdischen Atmosphäre isoliert.
Wenn einer Umgebung nicht kontinuierlich Sauerstoff zugeführt wird (z. B. durch Bäume und Pflanzen), würde er irgendwann verschwinden.
„Nach 40.000 oder 30.000 Jahren (von Oberflächenprozessen abgesehen) gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass noch Sauerstoff vorhanden sein sollte. Da Sauerstoff ein so leckerer Elektronenakzeptor ist, oxidiert er normalerweise entweder chemisch oder mikrobiell“, sagte Ruff. „Also, was hat es dort gemacht?“
Ähnlich wie Sweetman sagte Ruff, er habe zunächst geglaubt, dass Luftsauerstoff seine Proben, die aus 14 Grundwasserleitern entnommen worden seien, kontaminiert habe. Aufgrund des Alters der Proben müsste der Sauerstoff schon vor langer Zeit mit anderen Stoffen reagiert haben und verschwunden sein.
Nach geduldiger Arbeit im Labor und vor Ort entdeckte Ruff schließlich, dass Mikroben im Wasser Sauerstoff produzieren. Die Mikroben hatten offenbar einen obskuren, aber raffinierten Trick entwickelt, der es ihnen ermöglichte, Moleküle in Abwesenheit von Licht zu produzieren.
Durch eine Reihe chemischer Reaktionen waren die Mikroben in der Lage, lösliche Verbindungen namens Nitrite, Moleküle aus einem Stickstoff- und zwei Sauerstoffatomen, abzubauen, um in einem Prozess, der als Dismutation bekannt ist, molekularen Sauerstoff zu erzeugen. Die Mikroben hatten auch die Fähigkeit, den Sauerstoff zu nutzen, um Methan im Wasser zur Energiegewinnung zu verbrauchen.
Darüber hinaus stellte Ruff fest, dass die produzierte Sauerstoffmenge ausreichte, um anderes sauerstoffabhängiges mikrobielles Leben im Grundwasser zu erhalten.
„Die Natur überrascht uns immer wieder“, sagte er. „Es gibt so viele Dinge, bei denen die Leute gesagt haben: ‚Oh, das ist unmöglich‘, und später stellt sich heraus, dass das nicht der Fall ist.“
Um dunklen Sauerstoff weiter zu untersuchen, reisten Ruff und sein Team im August zu einer drei Kilometer tiefen Mine in Südafrika, um Wasserproben zu nehmen, die seit 1,2 Milliarden Jahren im Gestein eingeschlossen waren.
Ein Team von Wissenschaftlern jagt an einem Untersuchungsort in einer 3 Kilometer tiefen Mine in Südafrika nach Mikroben. Die Forscher untersuchen seit 1,2 Milliarden Jahren im Gestein isolierte Solen voller Leben und untersuchen, wie in diesem uralten Ökosystem Sauerstoff entsteht. – Taro KIDO
Wissenschaftler wussten bereits, dass das Wasser in der Mine Sauerstoffmoleküle enthielt, aber es ist unklar, wie sie gebildet wurden. Ruff und seine Kollegen untersuchen immer noch die Proben, die sie entnommen haben, aber sie haben zwei Hypothesen darüber, wie Sauerstoffmoleküle entstehen könnten, sagte er.
Der Standort wird nach Gold und Uran, einem radioaktiven Metall, abgebaut. Radiolyse, die Spaltung von Wassermolekülen durch Radioaktivität, ist eine Möglichkeit, Sauerstoff ohne Sonnenlicht zu erzeugen. Alternativ könnten an der Produktion von Sauerstoff Mikroben beteiligt sein, die denen von Ruff im Grundwasser Kanadas ähneln.
Sweetman sagte am Freitag, das neue Projekt werde auch untersuchen, ob Mikrobenreaktionen eine Rolle bei der Produktion von dunklem Sauerstoff auf dem Meeresboden spielten. Das Projekt wird insbesondere untersuchen, wie Wasserstoff bei der Sauerstoffproduktion durch die Metallknollen freigesetzt wird und ob Wasserstoff als Energiequelle für Mikrobengemeinschaften genutzt wurde, die in Teilen der Tiefsee entdeckt wurden.
„Ich glaube, wir haben den Mechanismus noch nicht vollständig im Griff und wir werden viel Zeit brauchen, um das herauszufinden“, sagte er.
Ruff sagte, er hoffe, mit Sweetman und anderen Wissenschaftlern, die an der Forschung zu dunklem Sauerstoff beteiligt sind, zusammenzuarbeiten, um zu verstehen, wie sich die chemische Signatur des durch Meerwasserelektrolyse erzeugten Sauerstoffs von dem durch Mikroben oder Radiolyse erzeugten unterscheidet.
Dunkler Sauerstoff und die Suche nach außerirdischem Leben
Beamte der NASA seien an der Forschung zur Produktion von dunklem Sauerstoff interessiert, weil sie zu wissenschaftlichen Erkenntnissen darüber beitragen könnte, wie Leben auf anderen Planeten ohne direktes Sonnenlicht aufrechterhalten werden könnte, sagte Sweetman.
Die Raumfahrtbehörde möchte Experimente durchführen, um zu verstehen, wie viel Energie erforderlich ist, um möglicherweise Sauerstoff bei höheren Drücken zu produzieren, die auf Enceladus und Europa, den Eismonden von Saturn bzw. Jupiter, auftreten, fügte er hinzu. Diese Monde gehören zu den Zielen für die Erforschung der Möglichkeit von Leben.
Tiefseebergbauunternehmen wollen das in den Knollen enthaltene Kobalt, Nickel, Kupfer, Lithium und Mangan abbauen, um es in Solarpaneelen, Batterien für Elektroautos und anderen umweltfreundlichen Technologien zu verwenden. Einige Unternehmen haben Kritik an Sweetmans Forschung geäußert.
Kritiker sagen, der Tiefseebergbau könnte die unberührte Unterwasserwelt unwiderruflich schädigen und die Art und Weise, wie Kohlenstoff im Ozean gespeichert wird, stören und zur Klimakrise beitragen.
Die Metals Co. sagte, sie habe eine Gegenargumentation bei Nature Geoscience eingereicht, der Zeitschrift, die die ursprüngliche Forschung veröffentlichte. Die Einreichung werde derzeit von Experten begutachtet, sei aber noch nicht veröffentlicht worden, teilte das Unternehmen mit.
Sweetman sagte, er sei sich der kritischen Reaktion bewusst und werde „über von Experten begutachtete Kanäle“ reagieren.
„Wir sind völlig davon überzeugt, dass es sich hierbei um einen tatsächlichen Prozess am Meeresboden handelt“, sagte er.
Sweetman sagte auch, es sei klug, mit der Ausbeutung der Ressourcen auf dem Meeresboden zu warten, bis das Ökosystem besser verstanden sei.
Amy Gartman, Forschungsozeanographin und Projektleiterin für globale Meeresmineralien am Pacific Coastal and Marine Science Center des US Geological Survey in Santa Cruz, Kalifornien, sagte, das USGS habe bisher keine elektrischen Phänomene in untersuchten Ferromanganknollen beobachtet. Sie war weder an Sweetmans noch an Ruffs Forschungen beteiligt.
„Forscher versuchen derzeit, die von Sweetman und anderen berichteten Phänomene zu reproduzieren“, sagte sie. „Wissenschaftliche Forschung ist ein Prozess und es kann einige Zeit dauern, bis eine schlüssige Antwort vorliegt.“
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