神秘的關(guān)聯(lián)

地球是目前已知唯一擁有能使用氧氣的復(fù)雜生命的巖質(zhì)行星。最早、最明確無(wú)誤的生命證據(jù)，是以微生物的形式出現(xiàn)的，這些生命可以追溯到35億年前，甚至可能更早。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間尺度中，地球經(jīng)歷了無(wú)數(shù)劇烈的內(nèi)部地質(zhì)事件和來(lái)自太空的猛烈沖擊。這就引發(fā)了一個(gè)基本的科學(xué)問(wèn)題：在如此動(dòng)蕩的地球史中，生命是如何存活下來(lái)，并延續(xù)至今的？

近年來(lái)，一些研究人員聚焦于一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：地球強(qiáng)大的磁場(chǎng)，是否是地球能夠維持宜居性的一個(gè)必要條件？古地磁記錄顯示，地磁場(chǎng)貫穿了地球的大部分地質(zhì)歷史，其持續(xù)存在的時(shí)間幾乎與生命本身的歷史一樣久遠(yuǎn)。

為了尋找大氣氧氣濃度與地磁場(chǎng)之間是否存在關(guān)聯(lián)，一項(xiàng)新研究分析了過(guò)去5.4億年中，地磁強(qiáng)度與大氣中氧含量的變化記錄，發(fā)現(xiàn)兩者似乎呈現(xiàn)出明顯的同步波動(dòng)趨勢(shì)。研究人員將他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表于近期的《科學(xué)進(jìn)展》中。

地質(zhì)線索

盡管氧是地殼和地幔中的主要元素，但大氣中以分子氧形式存在的氧氣，直到大約25億年前，才隨著能進(jìn)行光合作用的生物開(kāi)始進(jìn)化而逐漸積累。而直到約5.4億年前的寒武紀(jì)之后，氧氣濃度才上升到足以支持多數(shù)動(dòng)物呼吸的水平。

雖然我們無(wú)法直接測(cè)量遠(yuǎn)古時(shí)期的大氣成分，但地球化學(xué)家可以借助多種間接線索來(lái)重建氧氣的變化史。例如，沉積物中化石木炭的豐度，可以反映野火的普遍程度，而野火發(fā)生的難易程度又與氧氣濃度密切相關(guān)。

與此同時(shí)，地球物理學(xué)家則通過(guò)分析古火山噴發(fā)所形成的巖石，追蹤地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向的變遷史。這是因?yàn)樵谌蹘r冷卻過(guò)程中形成的磁性晶體，會(huì)根據(jù)當(dāng)時(shí)的地磁方向排列，就猶如被時(shí)間封存的小指南針。

在新的研究中，研究人員將比較了過(guò)去5.4億年里氧氣濃度與地磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線，發(fā)現(xiàn)兩者都呈現(xiàn)出明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且在距今3.3億至2.2億年前，還同時(shí)經(jīng)歷了一次幅度巨大的躍升。

基于間接地球化學(xué)指標(biāo)重建的大氣氧氣濃度變化，與過(guò)去5.4億年來(lái)地磁場(chǎng)強(qiáng)度的波動(dòng)呈相關(guān)性。（圖/Kuang et al. / Science Advances）

可能的解釋

對(duì)于這種相關(guān)性，研究人員提出了幾種可能的解釋。

最直接的一種觀點(diǎn)是：地球磁場(chǎng)被認(rèn)為對(duì)高層大氣具有保護(hù)作用，因?yàn)樗梢云D(zhuǎn)太陽(yáng)風(fēng)——太來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子流。如果沒(méi)有地磁場(chǎng)，這些粒子會(huì)使氧氣等氣體從大氣中逃逸到太空中。然而，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，就算地磁場(chǎng)突然減弱，造成的氧氣損失也遠(yuǎn)低于光合作用所產(chǎn)生的氧氣總量，甚至也低于生物活動(dòng)和地質(zhì)循環(huán)中氧氣的整體消耗。

因此，研究人員認(rèn)為一種更合理的解釋是，地磁場(chǎng)本身可能不會(huì)直接影響氧氣循環(huán)，但它可能與氧氣循環(huán)受到同一種地球深部過(guò)程的影響。在數(shù)億年的地質(zhì)演化中，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不斷推動(dòng)超級(jí)大陸的聚合與解體。這一過(guò)程釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了海洋中產(chǎn)氧藻類的快速繁殖，進(jìn)而提高了大氣中氧氣的含量。

板塊構(gòu)造是由地幔的緩慢對(duì)流驅(qū)動(dòng)的，而這種對(duì)流也可能影響到液態(tài)外核——地磁場(chǎng)正是在外核中產(chǎn)生的。

尋找系外生命的新指標(biāo)

揭示地磁場(chǎng)與大氣氧氣濃度之間的潛在聯(lián)系，不僅有助于解釋地球?yàn)楹我司樱部赡苡兄谠谶b遠(yuǎn)的系外行星上尋找生命。

眾所周知，觀測(cè)系外行星的成本非常高，因此天文學(xué)家需要宜居某些“篩選指標(biāo)”來(lái)優(yōu)先選擇潛在的宜居星球。這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)就可以成為一個(gè)參考指標(biāo)之一。

#參考來(lái)源：

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01862-x

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8826

#圖片來(lái)源：

封面圖 & 首圖：Pawel Czerwinski / Unsplash