深海碳捕获利用:热液燃料电池

深海热液喷口是地球上最恶劣的环境之一，但它们支持复杂的生态系统。东京工业大学理化研究所可持续资源科学中心和地球生命科学研究所的Ryuhei Nakamura博士一直在研究热液喷口如何作为微生物生命的燃料电池，以及它们通过电化学二氧化碳还原来捕获深海碳的潜力，以及电流如何为地球上生命的起源提供了火花。

我们每天都在更多地了解地球:它是如何形成的，它是如何作为一个系统发挥作用的，以及在遥远的太空中有什么。深海热液喷口仍然是科学探索的前沿。它们在海底深处被发现，研究起来很有挑战性，但它们可能是了解地球上生命起源的关键。

复杂的生态系统在这些极端的深海热液喷口环境中蓬勃发展。Nakamura博士的团队希望更多地了解微生物生命生存的不同寻常的策略，特别是它们如何利用周围环境的能量。

热和冷相遇的地方
地球的海洋底部并不是一个平滑、坚固的表面，而是覆盖着裂缝、边界和热点。地壳中富含溶解矿物质的热水可以作为热液喷口从这些裂缝中流出。全世界的海洋中大约有500个已知的喷口。

在很少或没有阳光的水下深处，想到这里可能有生命可能会让人感到惊讶。然而，在热液喷口周围不仅有生命，还有一个蓬勃发展的生态系统。

在地球表面，植物构成了我们食物链的基础。它们是自养生物，能够从阳光和大气中的二氧化碳中获取能量，并将其转化为生存和生长所需的有机分子(如碳水化合物)。这是光合作用的过程，所有的植物，从最大的树木到最小的微生物藻类，都在进行光合作用，为其他动物生产食物。光合作用的过程从大气中吸收二氧化碳，因此植物充当了一个巨大的碳汇。

地球的海洋底部并不是一个平滑、坚固的表面，而是覆盖着裂缝、边界和热点。

虽然太阳是地球上许多生命的主要能量来源，但没有太阳，深海生物仍然茁壮成长。鱼、鳗鱼、蠕虫和螃蟹都是生活在热液喷口附近的海洋动物，它们适应了很少或没有阳光和高水压。自养生物构成了这个生态系统的重要基础，但它们不能进行光合作用来形成有机营养物质。他们必须找到一种替代能源，将环境中的无机物质转化为有机化合物。

长期以来，热液喷口周围的微生物一直被认为是化能无机营养体;它们利用特定化学反应释放的能量来生存。这些反应被称为氧化还原(还原和氧化)反应，当热时发生，还原的热液流体遇到较冷的含氧海水。它们可以从环境中捕获碳和其他无机物，并将它们转化为碳水化合物或其他营养物质，就像光合作用微生物利用化学能所做的那样。Nakamura博士的团队发现，热液喷口周围的微生物并不仅仅依靠化学能生存。热液喷口本身起着重要作用。

电的发现
2010年，该团队调查了热液喷口的物质。海底的热液喷口形成了高达50米的高大烟囱。固体，富含硫化物的矿物，如黄铁矿，从热液流体与寒冷，富氧的海水混合沉淀。热液穿过地壳，溶解岩石中的化合物并将其带到地表。研究小组对深海中发现的黑色烟囱特别感兴趣。

Nakamura博士和他的同事希望从这些热液喷口中了解更多。他们不仅有兴趣收集更多关于生活在这种环境中的微生物的信息，他们还希望证明另一个可行的假设。他们的目的是确认热液喷口产生的电流是一种能量来源，维持其周围的深海微生物生命。这是人们第一次认为电对于维持深海环境中的生命是重要的。

他们从南太平洋水手热液区一个黑烟囱中收集了样本。他们首先在实验室中测试从烟囱外壁、中壁和内壁收集的样品的导电性能。烟囱主要由硫化物矿物组成，具有非常致密、连锁的微晶结构，并表现出优异的电子传导性能，类似金属材料。

然后，研究小组在他们的实验室中重现了与样品采集处的热液喷口相似的条件。他们将每个样本连接到一根铜线上，这样他们就可以测量流过它的电流。烟囱内的条件非常极端，富含硫化物的热流体向上流动。他们将内部的烟囱样本放入富含硫化物的溶液中，以模拟这种情况。他们发现产生了阳极电流，电子从溶液中的硫化物离子流入样本。硫化物离子失去一个电子的过程被称为氧化，这是溶液和烟囱内壁之间的反应。

他们将外壁的样本浸入一种类似于海水的含氧流体中。这一次样品产生了阴极电流，电子从烟囱壁流入溶液。在这里，这些多余的电子与水中的氧结合在还原反应中形成水或过氧化氢。

中村博士和他的同事们的发现为新的生命电自养起源的科学研究铺平了道路。

穿墙电流
Nakamura博士和他的同事们已经发现电流可以通过烟囱壁，现在他们证明了电流是由烟囱内的热液和周围海水的氧化和还原作用自发产生的。利用地壳下的化学能，这些热液喷口可以用作电化学燃料电池。电化学燃料电池不同于普通电池，因为燃料中的化学能是通过氧化剂转化为电能的。例如，木头(燃料)在高浓度氧气(氧化剂)中燃烧更有效。

电化学燃料电池经常被用于为大型物体提供动力，如宇宙飞船和电动汽车。发现热液喷口能产生电能，为科学家设计可再生能源提供了新的灵感。它还提供了一些令人兴奋的可能性，揭示了数十亿年前地球上的早期生命是如何形成的，以及碳是如何在深海中被捕获的。

即使是原始的单细胞生物也能收集阳光作为能量。然而，在早期的地球上，表面的条件太恶劣，不适合以这种方式维持生命。很可能深海热液喷口是最早生命起源的宿主。分子缓慢地转变为更复杂的有机化合物，最终可能进化成一个细胞，这被称为化学进化。产生电流的自然电子传输可能触发了生物起源前化学中有机化合物的产生。Nakamura博士的工作不仅确定了热液喷口视为一种自然的、无机的能源产生电流通过他们的潜力,但是这里的一些细菌可以使用这个能源创建有机分子以类似的方式在地球表面的植物细胞,同时固定周围环境中的碳和其他无机分子。

海底电流
2015年，Nakamura博士和他在日本海洋地球科学与技术机构的同事Masahiro Yamamoto博士有机会在一个原位黑色烟筒上确认他们的实验室发现。他们在东海冲绳海槽的热液喷口附近进行了电化学测量。使用铂探针，两位科学家能够测量黑烟周围的氧化还原电位(分子接受电子的几率)。他们观察到在100米远的出口有电流产生。

中村博士和他的同事们的发现为新的生命电自养起源的科学研究铺平了道路。发现细菌可以获取和使用电能，而不需要化学能量(来自太阳或以氢和硫化物为基础的化学物质从热液喷口释放的化学能量)，这为早期生命的起源创造了新的可能性。地球上的第一个生命可能不是利用太阳来捕获碳，而是利用地球内部的电化学能量。

该团队的工作也鼓励了电化学及其与深海生态系统的联系方面的新研究。从热液喷口产生的能量似乎是一种可再生和可持续的能源，Nakamura博士的工作已经成功地在实验室环境中重现了这一过程。现在有了利用地壳矿物作为可再生能源的新灵感。微生物获得这种能源的能力也可能为我们提供新的技术机会，例如创造电化学二氧化碳还原催化剂和提供热电子材料。

最后，原始生命可以在极端环境下依靠电流而不是阳光繁荣，这一发现可能会改变我们寻找地球以外生命的方式。