潘永信等-NSR:地磁场极性倒转对生物有何影响?

科技工作者之家 2023-03-19

地磁场是维持地球宜居性的重要地球物理场,影响着地球生命的起源和演化。近一百多年来,地磁场正在持续减弱,其强度降低了约10%,尤其是在南大西洋的上空存在一个强度减弱、辐射增强的区域(称为南大西洋异常区,SSA),面积还在扩大。强度降低往往是地磁极性倒转之前的现象,这引起了科学家和公众对地磁倒转的关切。 

中国科学院地质与地球物理研究所生物地磁学团队潘永信院士和李金华研究员从文献整理了从万年到十亿年尺度上的地磁场极性和强度变化与重大生物演化事件,在此基础上探讨地磁变化对生物的可能作用及机制,并前瞻未来利用多学科交叉、结合实验观测与理论模拟,开展地磁场-生物圈关联研究的重要性与途径。文章认为: 

(1)地磁极性倒转与生命演化事件在时间上存在一定程度的相关性,但并不存在明显的简单因果关系。显生宙以来地磁场呈现地磁极性频繁倒转与数百万年保持不变的超静磁期交替出现的特征。据不完全统计,地磁场至少发生过几百次极性倒转和数量可能更多的极性漂移(不成功的磁极性倒转)。地磁极性倒转和漂移期间,地球表面偶极子场强度降低,其强度可降至现今磁场的10%左右。近年来古地磁学家的研究发现,埃迪卡拉纪末期地磁场强度的极低值以及随后的升高,与埃迪卡拉纪末期的生物大灭绝以及随后的寒武纪生命大爆发在时间上吻合,第四纪地磁漂移事件与哺乳动物演化在时间也具有一定的相关性。实际上,地磁场变化是否为生物事件发生的诱因之一仍不清楚。也有理论分析认为,倒转期间的磁层和大气的双重保护作用,依然可以阻止太阳风和高能带电离子直接倾泻到地表而对生态系统造成的直接杀伤作用。因此,需要获得更多的地质和地球物理观测证据,结合模拟实验,才能深入理解作用机制和过程。 

(2)地磁极性倒转期间到达地表的辐射通量变化可产生生物生存的环境压力。地磁场与生命的起源可追溯到35-38亿年前。在地质历史中,地磁场不断变化,生物也持续演替。在地磁极性倒转期间,地磁场强度降低,造成其对紫外辐射(UVR)的阻挡作用减弱,从而导致其到达地表的通量增加。一方面,UVR会对细胞产生多种有害影响,包括DNA结构和其他生物相关分子的改变、关键生理过程的慢性抑制及急性生理应激等,从而胁迫陆地和水体表层生物的生存。另一方面,UVR的增加可能会促进基因变异,筛选出适应和抵御恶劣环境的性状,如行为机制(例如,迁移、穴道、夜间活动)、表型改变(例如,类真菌素氨基酸、类胡萝卜素等色素)和代谢机制(例如,DNA修复、抗氧化剂和生物矿化)等。因此,地质历史时期非周期性且频繁的地磁极性倒转,会造成到达地表的UVR通量非周期且频繁改变,既对地表和水体表层的生物生存造成一定的环境胁迫,促使其主动做出适应性改变,又可能在客观上加速基因变异,进而造成物种多样性的改变(生物成种作用)。 

(3)地磁变化还可直接或间接影响生物个体的发育、行为与演化。在与地磁场的长期共演化中,生物也进化出利用地磁场开展各种生理活动的能力。比如,趋磁细菌在水体中可以沿磁场游泳,美洲帝王蝶、绿海龟、北极燕鸥、知更鸟、中华山蝠等高等生物能利用地磁场在不同空间、不同尺度进行精确定位和导航,完成它们的长距离迁飞和迁徙。最近的研究也表明,长期暴露在亚磁场中的小鼠表现出成体海马神经发生和认知功能的显著损伤,这意味着地磁场对哺乳动物至关重要。研究还发现,趋磁细菌可能在太古代已经起源,它们的感磁行为并不是传统认识的被动沿地磁场排列后的游泳行为,可能是与代谢偶联的主动趋磁行为。这些研究表明,生物的感磁能力可能具有古老起源,并与地磁场长期共演化,且与其他物理和化学信号相互耦合。 

虽然地球科学家在半个世纪前已经注意到地磁场可能对生物有影响作用,生物感知磁场这个问题也很早前就已被提出,然而,直到现在仍是自然界中引人注目的未解之谜。由于地磁场-环境-生物之间关系复杂且长期缺乏系统而深入的交叉学科研究,证据缺乏、机制不明,造成对地磁场生物效应的作用机制、生物感磁机理等仍不清楚。因此,未来研究中需要加强“地磁场-辐射-生命”三者关联的多学科研究,建立“地磁场-环境-生物”三者关联的动态作用模型,开展“古环境-古地磁-古生物学”综合研究和相关大数据分析,破译地磁场和生物圈之间的内在联系,为认识生命和地磁场共演化和行星地球宜居性提供理论基础。

地质历史时期地磁极性倒转频率、古强度与主要地质和生物事件

该研究以展望(perspective)的形式发表于NSR(潘永信,李金华. On the biospheric effects of geomagnetic reversals[J].National Science Review, 2023: nwad070. DOI: 10.1093/nsr/nwad070)。研究得到了国家自然科学基金创新研究群体(41621004)和杰出青年基金(42225402)项目资助。