神秘的關聯

地球是目前已知唯一擁有能使用氧氣的復雜生命的巖質行星。最早、最明確無誤的生命證據，是以微生物的形式出現的，這些生命可以追溯到35億年前，甚至可能更早。在漫長的地質時間尺度中，地球經歷了無數劇烈的內部地質事件和來自太空的猛烈沖擊。這就引發了一個基本的科學問題：在如此動蕩的地球史中，生命是如何存活下來，并延續至今的？

近年來，一些研究人員聚焦于一個關鍵的問題：地球強大的磁場，是否是地球能夠維持宜居性的一個必要條件？古地磁記錄顯示，地磁場貫穿了地球的大部分地質歷史，其持續存在的時間幾乎與生命本身的歷史一樣久遠。

為了尋找大氣氧氣濃度與地磁場之間是否存在關聯，一項新研究分析了過去5.4億年中，地磁強度與大氣中氧含量的變化記錄，發現兩者似乎呈現出明顯的同步波動趨勢。研究人員將他們的發現發表于近期的《科學進展》中。

地質線索

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，才隨著能進行光合作用的生物開始進化而逐漸積累。而直到約5.4億年前的寒武紀之后，氧氣濃度才上升到足以支持多數動物呼吸的水平。

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

與此同時，地球物理學家則通過分析古火山噴發所形成的巖石，追蹤地磁場的強度和方向的變遷史。這是因為在熔巖冷卻過程中形成的磁性晶體，會根據當時的地磁方向排列，就猶如被時間封存的小指南針。

在新的研究中，研究人員將比較了過去5.4億年里氧氣濃度與地磁場強度的變化曲線，發現兩者都呈現出明顯的線性增長趨勢，而且在距今3.3億至2.2億年前，還同時經歷了一次幅度巨大的躍升。

基于間接地球化學指標重建的大氣氧氣濃度變化，與過去5.4億年來地磁場強度的波動呈相關性。（圖/Kuang et al. / Science Advances）

可能的解釋

對于這種相關性，研究人員提出了幾種可能的解釋。

最直接的一種觀點是：地球磁場被認為對高層大氣具有保護作用，因為它可以偏轉太陽風——太來自太陽的帶電粒子流。如果沒有地磁場，這些粒子會使氧氣等氣體從大氣中逃逸到太空中。然而，研究團隊通過計算發現，就算地磁場突然減弱，造成的氧氣損失也遠低于光合作用所產生的氧氣總量，甚至也低于生物活動和地質循環中氧氣的整體消耗。

因此，研究人員認為一種更合理的解釋是，地磁場本身可能不會直接影響氧氣循環，但它可能與氧氣循環受到同一種地球深部過程的影響。在數億年的地質演化中，構造運動不斷推動超級大陸的聚合與解體。這一過程釋放大量營養物質，促進了海洋中產氧藻類的快速繁殖，進而提高了大氣中氧氣的含量。

板塊構造是由地幔的緩慢對流驅動的，而這種對流也可能影響到液態外核——地磁場正是在外核中產生的。

尋找系外生命的新指標

揭示地磁場與大氣氧氣濃度之間的潛在聯系，不僅有助于解釋地球為何宜居，也可能有助于在遙遠的系外行星上尋找生命。

眾所周知，觀測系外行星的成本非常高，因此天文學家需要宜居某些“篩選指標”來優先選擇潛在的宜居星球。這項研究的發現就可以成為一個參考指標之一。

#參考來源：

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

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

#圖片來源：

封面圖 & 首圖：Pawel Czerwinski / Unsplash