Исследования показали, что даже в очень нейтральной атмосфере биогенные выходы аминокислот могут быть увеличены на два порядка при наличии ингибиторов окисления, таких как черное железо. Принято считать, что плотность ранней атмосферы Земли была в два раза выше, чем сегодня и содержала такое же количество азота, как и сегодня, но значительно большее количество углекислого газа и водяного пара, возможно, некоторые аммиак и метан и, возможно, водород.
Как состав, так и плотность ранней атмосферы Земли имеют отношение к спектру солнечного света, который мог проникнуть на поверхность Земли. Углекислый газ имеет очень большой коэффициент фотонного вымирания при длинах волн короче примерно 202 нм. Водяной пар сильно поглощается в ультрафиолетовом диапазоне ниже 170 нм, и сильно в инфракрасном диапазоне выше 1000 нм, но практически прозрачен между этими пределами.
Ранняя Земля была, вероятно, гораздо более вулканически активной, чем сегодня, из-за внутреннего тепла, вызванного накоплением, астероидной бомбардировкой и более высокой внутренней радиоактивностью. Важнейшими компонентами вулканического дегазации вулкана являются углекислый газ, диоксид серы и водяной пар.
Венера имеет тонкий слой облака серной кислоты на высоте около 70 км, что дает планете альбедо 0,77 в видимом состоянии и оставляет поверхность планеты в дневное время суток в значительной темноте (подобно очень темному пасмурному дню на Земле). Однако облака серной кислоты не так сильно рассеиваются в ультрафиолетовом излучении. Такой слой отражающих облаков серной кислоты, вероятно, существовал на ранней Земле. Известно, например, что одно сильное извержение вулкана на Земле может снизить глобальную температуру на целых 0,7 ◦C в течение нескольких лет из-за увеличения альбедо в видимом регионе.
Раннее Солнце было более активным из-за более высокой скорости вращения и его спектр, вероятно, был более интенсивным, чем сейчас в ультрафиолетовом и до 25-30% менее интенсивным в видимом. Увеличение магнитного поля, обусловленное более высокой частотой вращения, означало бы, что гамма и рентгеновские всплески также были бы гораздо более распространенными и, вследствие деградации атмосферы Земли, привели бы к появлению дополнительного важного компонента ультрафиолетового света на поверхности Земли.
Близлежащая массивная звезда, производящая до 1010 ультрафиолетовое излучение в виде Солнца, также могла внести важный вклад в поток УФ на Земле. Поскольку водяной пар и облака интенсивно поглощают инфракрасное излучение, облака серной кислоты отражаются в видимом диапазоне, а углекислый газ, вода и аммиак сильно поглощают ультрафиолетовое излучение ниже 200 нм и диоксид серы ниже 225 нм, существует вероятность, что энтропически важная часть спектра Солнца, достигающая поверхности Земли-археи, составляет примерно 200 нм. В настоящее время в диапазоне около 300 нм, поглощает ультравитальный поток серы.
Ученые провели детальное моделирование поглощения и рассеяния фотонов для различных гипотетических моделей ранней атмосферы Земли. Их модели учитывают различные концентрации углекислого газа при различных давлениях и включают поглощение, рассеяние и оценку эффектов многократного рассеяния, а также наилучшие оценки увеличения интенсивности УФ излучения, ожидаемые для молодого Солнца. Их выводы заключаются в том, что поверхность Земли во время архея (4-3,5 Га) подвергалась ультрафиолетовому излучению в пределах 200-300 нм в 1031 раз (при 255 нм) больше, чем в настоящее время. Это неудивительно, поскольку сегодня менее чем одна часть из 1030 солнечной радиации, падающей на глубину 250 нм, проникает в земной озон и атмосферу.
Возникает вопрос о том, оказало ли это интенсивное ультрафиолетовое излучение отрицательное воздействие, вызванное фотолизом, предвзятыми фотохимическими реакциями и слишком высокой скоростью информационных мутаций или благоприятное воздействие. Путем стимулирования необходимых фотохимических реакций, таких как абиогенный синтез нуклеиновых кислотных оснований, рибозы и других углеводов, а также благоприятное избирательное давление на первые молекулы.
РНК и ДНК являются уникальными ультрафиолетовыми светопоглощающими молекулами, которые в присутствии воды быстро преобразуют этот свет в тепло, что способствует быстрому его испарению. Таким образом, репликация РНК и ДНК на поверхности моря была бы термодинамически предпочтительна в условиях интенсивного ультрафиолетового излучения на ранних стадиях земного шара, поскольку, будучи связана с круговоротом воды, она открыла новый путь к увеличению производства энтропии.
Производство поверхностного слоя моря и энтропии
Особое значение для представленной здесь теории имеет поверхностный слой моря толщиной 1 мм, являющийся областью переноса массы, энергии и импульсов с атмосферой. В верхнем 50 мкм этого слоя (микроуровне) находится экосистема с особенно высокой органической плотностью, достигающей 104 мкм, плотность которой в воде лишь незначительно ниже. Органический материал состоит из цианобактерий, диатомов, вирусов, свободно плавающей РНК и ДНК и других живых и неживых органических веществ, таких как липиды, альдегиды, хлорофиллы и другие пигменты.
Высокое обогащение микроэлементов, столь важное для многих биологических молекул, также обнаружено в микрослойке. Высокая плотность материала на поверхности объясняется естественной плавучестью и поверхностным натяжением, но в первую очередь - поглощающим действием поднимающихся пузырьков воздуха от разрушающих волн и дождевых капель. Поверхностный слой моря, в частности микрослой, подвержен сильным суточным колебаниям температуры, солености, рН и концентраций альдегидов и других органических молекул в результате фотохимических и фотобиохимических взаимодействий на границе раздела воздух-море. Большая часть современного тепло- и газового обмена между океаном и атмосферой происходит изнутри кожного слоя.
Инфракрасное излучение от моря исходит из верхних 100 мкм. В течение дня инфракрасный (700-10 000 нм), видимый (400-700 нм) и ультрафиолетовый (290-400 нм) свет поглощается на поверхности моря. Чистая вода имеет низкий коэффициент поглощения для видимого и ближнего ультрафиолетового света, что можно предположить из ее прозрачности на этих длинах волн. Однако органический и неорганический материал на поверхности моря изменяет свои оптические свойства таким образом, что значительная часть всей энергии, поглощаемой кожей, поступает, по сути, от видимого и ультрафиолетового света.
Используя в качестве суррогата самый большой частотно-зависимый коэффициент поглощения, измеренный для мутных прибрежных вод и предполагая солнечный спектр на поверхности Земли для безоблачного неба, можно рассчитать, что органический материал в поверхностном слое моря увеличивает поглощение энергии в этом слое примерно на 13.3% по сравнению с чистой водой, которая поглощает преимущественно в инфракрасном диапазоне. Под облачным небом, или в атмосфере с высоким содержанием водяного пара инфракрасный свет блокируется, и эффект органического материала гораздо важнее, увеличивая поглощение энергии в поверхностном слое моря на 400%.
Поглощение инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света на поверхности моря сегодня увеличивает дневные температуры в среднем на 2,5 К (до 4,0 К) по сравнению с практически постоянной температурой на глубине 10 м. С другой стороны, ночные температуры снижаются в среднем на 0,5 К (до 0,8 К) из-за испарения, излучения и попадания в холодную атмосферу. Цветение цианобактерий, как было показано, вызывает значительный дополнительный нагрев морской поверхности.
Влияние цветения фитопланктона, обогащенного питательными веществами, на энергетический обмен на поверхности озера было количественно оценено исследователями. Моделирование с использованием комбинированных климатических моделей, показывает, что на пространственно-временное распределение тропических циклонов первое значение имеет нагрев солнечной энергии в зависимости от хлорофилла.
Концентрация хлорофилла влияет не только на местоположение циклона, но и на его частоту и интенсивность. Поскольку накопление органического материала на поверхности моря связано с поверхностным напряжением, естественной плавучестью и поглощающим действием растущих пузырьков, можно предположить, что органически богатый поверхностный слой также существовал бы в пробиотических океанах.
Оценка оптической плотности слоя в архейском слое может быть произведена путем допущения концентрации 1,5 × 10-5 M L-1 для оснований нуклеиновых кислот на основе оценок, полученных из расчетов скорости фотохимического производства пробиотических органических молекул в несколько восстановительных условиях.