地球的歷史一直是物理極端的歷史之一——極端的大氣條件、極端的化學(xué)環(huán)境和極端的溫度。曾經(jīng)有一段時(shí)間，地球太熱了，所有的水都是蒸汽，只有當(dāng)?shù)厍蜃銐蚶鋮s時(shí)，第一場(chǎng)雨才會(huì)下。不久之后，生命出現(xiàn)了，通過(guò)這一切，生活找到了一條路。

今天，生命幾乎遍布我們所看到的地球上的任何地方;很難找到不存在生命的地方。生命適應(yīng)多變條件的非凡能力是其決定性特征之一。在它的眾多適應(yīng)中，生命適應(yīng)不同溫度的能力是最有趣的之一。所有的生命都依賴于化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)上對(duì)溫度敏感。然而，生命存在于從南極冰架到海底火山邊緣的各種溫度范圍內(nèi)。這就引出了一個(gè)問(wèn)題，生命如何適應(yīng)不同的溫度?

為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，由東京工業(yè)大學(xué)地球生命科學(xué)研究所(ELSI)的Paula Prondzinsky和Shawn Erin McGlynn領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近調(diào)查了一組稱(chēng)為產(chǎn)甲烷菌的生物。

產(chǎn)甲烷菌是產(chǎn)生甲烷的單細(xì)胞微生物，屬于“古菌”(古老的單細(xì)胞生物，沒(méi)有細(xì)胞核，被認(rèn)為是真核細(xì)胞的前身)的更大領(lǐng)域。作為一個(gè)單一的生理群體，產(chǎn)甲烷菌可以在-2.5攝氏度至122攝氏度的極端溫度范圍內(nèi)茁壯成長(zhǎng)，使其成為研究溫度適應(yīng)的理想候選者。

在這項(xiàng)工作中，研究人員分析和比較了不同種類(lèi)產(chǎn)甲烷菌的基因組。他們根據(jù)產(chǎn)甲烷菌茁壯成長(zhǎng)的溫度將產(chǎn)甲烷菌分為三組 - 耐熱(高溫)，耐精神病(低溫)和嗜溫(環(huán)境溫度)。然后，他們從一個(gè)名為基因組分類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的資源中構(gòu)建了一個(gè)包含255個(gè)基因組和蛋白質(zhì)序列的數(shù)據(jù)庫(kù)。接下來(lái)，他們獲得了86種產(chǎn)甲烷菌的溫度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)自普通和稀有原核生物生長(zhǎng)溫度數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)驗(yàn)室收集。結(jié)果是一個(gè)將基因組內(nèi)容與生長(zhǎng)溫度聯(lián)系起來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

之后，研究人員使用一種名為OrthoFinder的軟件來(lái)建立不同的直系群 - 一組基因來(lái)自所考慮物種的最后一個(gè)共同祖先中存在的單個(gè)基因。然后，他們將這些直系群分為1)核心(存在于超過(guò)95%的物種中)，2)共享(存在于至少兩個(gè)物種中，但少于95%的生物體)和3)獨(dú)特(僅存在于單個(gè)物種中)。他們的分析顯示，大約三分之一的產(chǎn)甲烷基因組在所有物種中共享。他們還發(fā)現(xiàn)，物種之間共享基因的數(shù)量隨著進(jìn)化距離的增加而減少。

有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)耐熱生物體具有較小的基因組和較高比例的核心基因組。這些小基因組也被發(fā)現(xiàn)在進(jìn)化上比精神耐受生物的基因組更“古老”。由于在多個(gè)群體中發(fā)現(xiàn)了耐熱生物，這些發(fā)現(xiàn)表明基因組的大小更依賴于溫度而不是進(jìn)化歷史。他們還認(rèn)為，隨著產(chǎn)甲烷基因組的進(jìn)化，它們生長(zhǎng)而不是縮小，這挑戰(zhàn)了熱還原基因組進(jìn)化的觀點(diǎn)，即生物體在進(jìn)化到更高溫度的位置時(shí)從基因組中刪除基因。

研究人員的分析還表明，產(chǎn)甲烷菌在如此廣泛的溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)，沒(méi)有許多特殊的蛋白質(zhì)。事實(shí)上，由它們的基因組編碼的大多數(shù)蛋白質(zhì)都是相似的。這導(dǎo)致他們考慮細(xì)胞調(diào)節(jié)或更精細(xì)的成分適應(yīng)的可能性作為溫度適應(yīng)的根本原因。為了研究這一點(diǎn)，他們研究了產(chǎn)甲烷菌中氨基酸(蛋白質(zhì)的組成部分)的組成。

他們發(fā)現(xiàn)特定的氨基酸在特定的溫度組中富集。他們還發(fā)現(xiàn)氨基酸的組成差異與蛋白質(zhì)組電荷，極性和展開(kāi)熵有關(guān) - 所有這些都會(huì)影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響其功能?？偟膩?lái)說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)耐熱產(chǎn)甲烷菌具有更多的帶電氨基酸和離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能基因，而這些在耐熱劑中是不存在的。而精神耐受劑生物體富含與細(xì)胞結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)的不帶電荷氨基酸和蛋白質(zhì)。然而，研究人員無(wú)法確定溫度組所有成員共享的特定功能，這表明溫度適應(yīng)是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，以精細(xì)的步驟發(fā)生，而不是需要大規(guī)模的變化。

總而言之，“這表明第一批產(chǎn)甲烷菌，在地球上的條件對(duì)生命充滿敵意的時(shí)候進(jìn)化，可能與我們今天在地球上發(fā)現(xiàn)的生物相似，”Paula Prondzinsky解釋說(shuō)。“我們的發(fā)現(xiàn)可以指向最早的微生物中存在的特征和功能，甚至可以提供微生物生命起源于炎熱還是寒冷環(huán)境的線索。我們可以擴(kuò)展這些知識(shí)，以了解生命如何適應(yīng)其他類(lèi)型的極端條件，而不僅僅是溫度，甚至可以解開(kāi)其他星球上的生命如何進(jìn)化。