地磁場極性倒轉對生物有何影響？

地磁場是維持地球宜居性的重要地球物理場，影響著地球生命的起源和演化。近一百多年來，地磁場正在持續減弱，其強度降低了約10%，尤其是在南大西洋的上空存在一個強度減弱、輻射增強的區域（稱為南大西洋異常區，SSA），面積還在擴大。強度降低往往是地磁極性倒轉之前的現象，這引起了科學家和公眾對地磁倒轉的關切。 

中國科學院地質與地球物理研究所生物地磁學團隊潘永信院士和李金華研究員從文獻整理了從萬年到十億年尺度上的地磁場極性和強度變化與重大生物演化事件，在此基礎上探討地磁變化對生物的可能作用及機制，并前瞻未來利用多學科交叉、結合實驗觀測與理論模擬，開展地磁場-生物圈關聯研究的重要性與途徑。文章認為: 

（1）地磁極性倒轉與生命演化事件在時間上存在一定程度的相關性，但并不存在明顯的簡單因果關系。顯生宙以來地磁場呈現地磁極性頻繁倒轉與數百萬年保持不變的超靜磁期交替出現的特征。據不完全統計，地磁場至少發生過幾百次極性倒轉和數量可能更多的極性漂移（不成功的磁極性倒轉）。地磁極性倒轉和漂移期間，地球表面偶極子場強度降低，其強度可降至現今磁場的10%左右。近年來古地磁學家的研究發現，埃迪卡拉紀末期地磁場強度的極低值以及隨后的升高，與埃迪卡拉紀末期的生物大滅絕以及隨后的寒武紀生命大爆發在時間上吻合，第四紀地磁漂移事件與哺乳動物演化在時間也具有一定的相關性。實際上，地磁場變化是否為生物事件發生的誘因之一仍不清楚。也有理論分析認為，倒轉期間的磁層和大氣的雙重保護作用，依然可以阻止太陽風和高能帶電離子直接傾瀉到地表而對生態系統造成的直接殺傷作用。因此，需要獲得更多的地質和地球物理觀測證據，結合模擬實驗，才能深入理解作用機制和過程。 

（2）地磁極性倒轉期間到達地表的輻射通量變化可產生生物生存的環境壓力。地磁場與生命的起源可追溯到35-38億年前。在地質歷史中，地磁場不斷變化，生物也持續演替。在地磁極性倒轉期間，地磁場強度降低，造成其對紫外輻射（UVR）的阻擋作用減弱，從而導致其到達地表的通量增加。一方面，UVR會對細胞產生多種有害影響，包括DNA結構和其他生物相關分子的改變、關鍵生理過程的慢性抑制及急性生理應激等，從而脅迫陸地和水體表層生物的生存。另一方面，UVR的增加可能會促進基因變異，篩選出適應和抵御惡劣環境的性狀，如行為機制（例如，遷移、穴道、夜間活動）、表型改變（例如，類真菌素氨基酸、類胡蘿卜素等色素）和代謝機制（例如，DNA修復、抗氧化劑和生物礦化）等。因此，地質歷史時期非周期性且頻繁的地磁極性倒轉，會造成到達地表的UVR通量非周期且頻繁改變，既對地表和水體表層的生物生存造成一定的環境脅迫，促使其主動做出適應性改變，又可能在客觀上加速基因變異，進而造成物種多樣性的改變（生物成種作用）。 

（3）地磁變化還可直接或間接影響生物個體的發育、行為與演化。在與地磁場的長期共演化中，生物也進化出利用地磁場開展各種生理活動的能力。比如，趨磁細菌在水體中可以沿磁場游泳，美洲帝王蝶、綠海龜、北極燕鷗、知更鳥、中華山蝠等高等生物能利用地磁場在不同空間、不同尺度進行精確定位和導航，完成它們的長距離遷飛和遷徙。最近的研究也表明，長期暴露在亞磁場中的小鼠表現出成體海馬神經發生和認知功能的顯著損傷，這意味著地磁場對哺乳動物至關重要。研究還發現，趨磁細菌可能在太古代已經起源，它們的感磁行為并不是傳統認識的被動沿地磁場排列后的游泳行為，可能是與代謝偶聯的主動趨磁行為。這些研究表明，生物的感磁能力可能具有古老起源，并與地磁場長期共演化，且與其他物理和化學信號相互耦合。 

雖然地球科學家在半個世紀前已經注意到地磁場可能對生物有影響作用，生物感知磁場這個問題也很早前就已被提出，然而，直到現在仍是自然界中引人注目的未解之謎。由于地磁場-環境-生物之間關系復雜且長期缺乏系統而深入的交叉學科研究，證據缺乏、機制不明，造成對地磁場生物效應的作用機制、生物感磁機理等仍不清楚。因此，未來研究中需要加強“地磁場-輻射-生命”三者關聯的多學科研究，建立“地磁場-環境-生物”三者關聯的動態作用模型，開展“古環境-古地磁-古生物學”綜合研究和相關大數據分析，破譯地磁場和生物圈之間的內在聯系，為認識生命和地磁場共演化和行星地球宜居性提供理論基礎。

地質歷史時期地磁極性倒轉頻率、古強度與主要地質和生物事件

該研究以展望（perspective）的形式發表于NSR（潘永信，李金華. On the biospheric effects of geomagnetic reversals[J].National Science Review, 2023: nwad070. DOI: 10.1093/nsr/nwad070）。研究得到了國家自然科學基金創新研究群體（41621004）和杰出青年基金（42225402）項目資助。