Dunkler Sauerstoff: Polymetallische Knollen erzeugen O₂ in der Tiefsee

Still und unbemerkt läuft in den dunklen Tiefen der Meeresböden eine spontane chemische Reaktion ab, die molekularen Sauerstoff (O₂) erzeugt – ganz ohne Beteiligung von Lebewesen.

Diese unerwartete Entdeckung stellt die langjährige Annahme infrage, wonach photosynthetisierende Organismen nötig sind, um den Sauerstoff zu produzieren, den wir atmen.

Der Biogeochemiker Andrew Sweetman von der Scottish Association for Marine Science (SAMS) und sein Team stiessen auf den überraschenden Befund, als sie den Sauerstoffgehalt am Meeresboden maßen, um die Folgen des Tiefseebergbaus zu beurteilen.

„Die Entdeckung einer Sauerstoffproduktion durch einen nicht photosynthetischen Prozess zwingt uns dazu, neu darüber nachzudenken, wie die Entwicklung komplexen Lebens auf dem Planeten begonnen haben könnte“, sagt der nicht an der Studie beteiligte SAMS-Meereswissenschafter Nicholas Owens.

„Meiner Ansicht nach ist dies eine der spannendsten Entdeckungen der Ozeanforschung der jüngeren Zeit.“

Dunkler Sauerstoff in mehr als 4.000 Metern Tiefe

Mitten im Pazifischen Ozean liegen schwarze, abgerundete Gesteinsbrocken über den Meeresboden verstreut. Die Messungen des Forschungsteams zeigten, dass der Sauerstoffgehalt dort in Tiefen von über 4.000 Metern langsam, aber beständig zunimmt.

„Als wir diese Daten erstmals erhielten, hielten wir die Sensoren für defekt, denn in jeder bisher durchgeführten Tiefseestudie wurde Sauerstoff nur verbraucht und nie produziert. Wir kehrten ins Labor zurück und kalibrierten die Sensoren neu, doch über einen Zeitraum von 10 Jahren tauchten diese ungewöhnlichen Sauerstoffwerte immer wieder auf“, erklärt Sweetman.

„Wir entschieden uns, eine alternative Methode einzusetzen, die anders funktionierte als die verwendeten Optodensensoren. Als beide Verfahren zum selben Ergebnis kamen, wussten wir, dass wir auf etwas Bahnbrechendes und bislang Unvorstellbares gestossen waren.“

Um das Rätsel zu untersuchen, sammelten die Forschenden einige der Gesteinsknollen ein. Im Labor wollten sie klären, ob diese die Quelle der Produktion von „dunklem Sauerstoff“ sind.

Solche Knollen bedecken weite Flächen des Meeresbodens. Sie sind natürliche Ablagerungen seltener Metalle wie Kobalt, Mangan und Nickel, die in einer polymetallischen Mischung zusammenkommen.

Gerade diese Metalle werden wegen ihrer Verwendung in Batterien geschätzt – und offenbar könnten die Gesteinsknollen am Meeresboden auf ähnliche Weise selbstständig wirken.

Polymetallische Knollen als natürliche Geobatterien

Die Forschenden stellten fest, dass einzelne polymetallische Knollen Spannungen von bis zu 0,95 V erzeugten. Wenn sie wie in einer Reihenschaltung von Batterien zusammenliegen, können sie daher leicht die 1,5 V erreichen, die notwendig sind, um Sauerstoff durch eine Elektrolysereaktion aus Wasser abzuspalten.

„Offenbar haben wir eine natürliche ‚Geobatterie‘ entdeckt“, sagt der Chemiker Franz Geiger von der Northwestern University. „Diese Geobatterien liefern die Grundlage für eine mögliche Erklärung der Produktion von dunklem Sauerstoff im Ozean.“

Obwohl noch vieles untersucht werden muss, etwa das Ausmass der Sauerstoffproduktion durch polymetallische Knollen, bietet der Fund eine mögliche Erklärung dafür, warum ozeanische „Todeszonen“ noch Jahrzehnte nach dem Ende des Tiefseebergbaus rätselhaft hartnäckig bestehen bleiben.

„2016 und 2017 besuchten Meeresbiologinnen und Meeresbiologen Gebiete, die in den 1980er-Jahren abgebaut worden waren, und stellten fest, dass sich in den abgebauten Flächen nicht einmal Bakterien erholt hatten. In nicht abgebauten Regionen hingegen gedieh das Meeresleben“, erklärt Geiger.

„Warum solche ‚Todeszonen‘ über Jahrzehnte bestehen bleiben, ist weiterhin unbekannt. Das setzt jedoch ein grosses Fragezeichen hinter Strategien für den Meeresbodenbergbau, denn die Vielfalt der Tierwelt am Meeresboden in knollenreichen Gebieten ist höher als in den artenreichsten tropischen Regenwäldern.“

Neben den weitreichenden Folgen für den Tiefseebergbau wirft „dunkler Sauerstoff“ auch zahlreiche neue Fragen über den Ursprung sauerstoffatmenden Lebens auf der Erde auf.

Seit Langem gelten urzeitliche mikrobielle Cyanobakterien als erste Lieferanten des Sauerstoffs, der vor Milliarden Jahren für die Entwicklung komplexen Lebens erforderlich war. Sie erzeugten ihn als Abfallprodukt der Photosynthese, bei der Sonnenlicht in ihre Energiequelle umgewandelt wird.

„Wir wissen nun, dass Sauerstoff in der Tiefsee entsteht, wo es kein Licht gibt“, sagt Sweetman.

„Daher müssen wir meiner Meinung nach Fragen wie diese neu prüfen: Wo könnte aerobes Leben begonnen haben?“

Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Geoscience veröffentlicht.