Expedice za tajemným „temným kyslíkem“, který vzniká bez pomoci slunce: Roboty prozkoumají dno Tichého oceánu

Kyslík tam, kde by neměl být

Když Andrew Sweetman a jeho tým v roce 2013 poprvé narazili na neobvyklé hodnoty z měřicích přístrojů, mysleli si, že jde o chybu. Senzory umístěné na dně Tichého oceánu v oblasti zvané zlomové pásmo Clarion-Clipperton totiž ukazovaly něco naprosto nečekaného – koncentrace kyslíku ve vodě nejen neklesala, ale naopak stoupala.

To je v hloubce čtyř kilometrů pod hladinou víc než zvláštní. Tam dole totiž nepřežije žádná řasa ani jiný organismus schopný fotosyntézy. Klasická představa je jasná: kyslík se vyrábí u povrchu pomocí slunečního světla a proudy ho pak roznesou do celého oceánu. Na dně se jen spotřebovává místními živočichy a mikroorganismy.

Sweetman, mořský ekolog ze Skotské asociace pro mořské vědy, nejdřív podivné výsledky ignoroval. Teprve když se stejný jev opakoval při dalších výpravách v letech 2021 a 2022, došlo mu, že možná osm let přehlížel něco zásadního.

Černé hrudky a elektrické napětí

Oblast, kde vědci kyslík naměřili, má jedno specifikum – všude po dně leží polymetalické nodule (česky také polymetalické konkrece). Tyto prastaré útvary velikosti brambory nebo švestky obsahují cenné kovy jako mangan, kobalt a nikl. Vznikaly miliony let postupným ukládáním minerálů na mořském dně.

Tým přišel s hypotézou, že právě tyto kovové hrudky by mohly fungovat jako katalyzátory rozkladu vody na kyslík a vodík. Když vědci změřili elektrické napětí na povrchu nodulí, zjistili špičkové hodnoty až 0,95 voltu. To sice nestačí na rozklad vody, který teoreticky potřebuje 1,23 voltu, ale pokud by nodule fungovaly podobně jako baterie zapojené do série, mohly by dosáhnout potřebného napětí.

Laboratorní pokusy na lodi to částečně potvrdily – vzorky s nodulemi opravdu začaly produkovat kyslík. Jenže pouze po určitou dobu, pak produkce ustala. To naznačuje, že nějaká energie se vyčerpává, ale zdroj té energie zůstává záhadou.

Nová expedice s vylepšenou technikou

Původní výsledky publikované v roce 2024 v časopise Nature Geoscience vyvolaly bouřlivou debatu. Těžební společnosti zaměřené na hlubinnou těžbu, včetně kanadské firmy The Metals Company, zpochybnily metodiku měření. Podle kritiků by kyslík mohl pocházet z bublin vzduchu zachycených v měřicích přístrojích při jejich spouštění na dno.

Právě proto vědci připravili novou výpravu se zcela novou výbavou. Japonská nadace Nippon Foundation podpořila projekt částkou přibližně 60 milionů korun. Za tyto prostředky vznikly speciální sondy schopné ponořit se až asi čtyři kilometry pod hladinu a vydržet tlak odpovídající 400 atmosférám – tedy tlaku, při kterém implodovala ponorka Titan.

Klíčovým vylepšením jsou pH senzory, které původní přístroje neměly. Pokud by totiž docházelo k elektrolýze vody, měly by se uvolňovat protony, které zvyšují kyselost vody. To by mělo být na pH snadno měřitelné.
 

Robotické sondy postavené pro extrémní podmínky¨

Pro expedici vědci navrhli dvě zcela nové autonomní sondy, které jsou vlastně pokročilými roboty schopnými pracovat v podmínkách, kde by člověk okamžitě zahynul. Základem obou robotů je masivní kovový rám, který chrání citlivou elektroniku a měřicí přístroje. 

Každý robot váží několik set kilogramů a sestupuje volným pádem pomocí vlastní hmotnosti. Na dno klesá několik hodin, přičemž během sestupu probíhá proces, který vědci nazývají "vyplavování bublin" – jakékoliv kapsy vzduchu, které by mohly zkreslit měření, se vytlačí tlakem vody.

Jakmile sonda dosedne na mořské dno, začne automaticky odvádět přesně naprogramovanou sekvenci operací. Nejdřív aktivuje hydraulický systém, který zatlačí válcové komory do sedimentu. Tyto komory ohradí malou část mořského dna společně s vodou nad ním a vytvoří tak izolovaný prostor – jakousi miniaturní laboratoř přímo v oceánu. 

Nové roboty mají oproti předchůdcům několik vylepšení. Jsou vybaveny pH senzory, které dokážou měřit koncentraci protonů ve vodě. To je zásadní, protože pokud opravdu dochází k elektrolýze vody, měly by se uvolňovat právě protony, což by mělo způsobit pokles pH – tedy zvýšení kyselosti vody. Každá sonda nese celou baterii dalších senzorů – kromě pH senzorů a kyslíkových elektrod to jsou teploměry, konduktometry měřící vodivost vody, tlakové senzory a kamery pro vizuální dokumentaci.

Všechna data se ukládají do paměti sondy a čekají na vynoření. Roboty totiž nemají žádné kabelové spojení s lodí – pracují zcela autonomně. Až uplyne naprogramovaná doba experimentu, sonda uvolní závaží, které ji drželo na dně, a díky plovákům sama vyplave k hladině. Teprve pak mohou vědci stáhnout naměřená data a získat odebrané vzorky. Zvlášť zajímavé jsou elektrody uspořádané do polí, které dokážou měřit rozdíly elektrického napětí mezi stovkami různých míst na povrchu nodulí. Tím vědci zjistí, jestli různé části nodule mají opravdu různý elektrický potenciál a mohly by společně fungovat jako přírodní elektrochemický článek.
 

Mikrobi nebo chemie?

Tým vedený Sweetmanem má v podstatě dva hlavní podezřelé. Buď jde o čistě chemický proces – elektrolýzu katalyzovanou kovovými nodulemi. Nebo v tom hrají roli mikroorganismy, kterých každá nodule hostí až sto milionů.

Geobiolog Jeff Marlow z Bostonské univerzity plánuje vytvořit detailní mikroskopické mapy rozložení mikrobů, minerálů a metabolické aktivity v nodulích. Chemik Franz Geiger ze Severozápadní univerzity bude provádět experimenty v tlakových komorách a zkoumat povrchy nodulí pomocí speciálních transmisních elektronových mikroskopů fungujících v kapalném prostředí.

Půjde i o to zjistit, jestli při reakci vzniká jen kyslík, nebo také molekulární vodík, jak by se dalo čekat u klasické elektrolýzy. A samozřejmě kde se bere energie na celý proces.

Důsledky pro těžbu i vznik života

Celý výzkum může mít dalekosáhlé dopady. Clarion-Clipperton Zone je totiž největší potenciální lokalitou pro hlubinnou těžbu kovů. Těžební společnosti by rády začaly sbírat nodule pro výrobu baterií do elektromobilů a další technologie.

Pokud se ale potvrdí, že nodule produkují kyslík a místní ekosystémy jsou na něm závislé, odstranění nodulí by mohlo vést ke kolapsu celých biologických společenstev. Sweetman zdůrazňuje, že jejich cílem není těžbu zastavit, ale získat dostatek informací, aby se případné škody minimalizovaly.

Objevuje se ale ještě další zajímavá otázka. Pokud může kyslík vznikat i jinak než fotosyntézou, mohlo to sehrát roli při vzniku života na Zemi? A znamená to, že bychom měli opatrněji vyhodnocovat spektrální analýzy atmosfér exoplanet při hledání stop života?

Výsledky ještě letos

První data by měl tým získat už během května, kdy budou sondy provádět měření přímo na dně oceánu. Podle Sweetmana budou schopni potvrdit nebo vyvrátit produkci tmavého kyslíku do 24 až 48 hodin po vynoření sond.

Konečné výsledky ale svět dozví nejspíš až v červnu po návratu výzkumné lodi. A další laboratorní experimenty mohou trvat ještě měsíce.

Paralelně probíhá odborná diskuse – jiný tým z německého centra GEOMAR plánuje srovnávací měření vlastními metodami. Sweetman se k nim na konci roku připojí, aby porovnali přístupy a data.

Ať už výsledky dopadnou jakkoliv, jedno je jisté – hloubky oceánu stále skrývají překvapení a naše představy o tom, jak funguje život na Zemi, nejsou tak pevné, jak jsme si mysleli.¨

Zdroj: Nature, Sciencefriday, Northwestern, New scientist, Science alert