生命如何在极端条件下茁壮成长

温度是生物过程中的关键变量。然而，对生物温度适应的完整理解需要提高，部分原因是不同进化谱系和生理群体之间存在独特的限制。

这就引出了一个问题，生命如何适应不同的温度？为了解决这个问题，由东京工业大学地球生命科学研究所（ELSI）的PaulaProndzinsky和ShawnErinMcGlynn领导的研究小组最近调查了一组称为产甲烷菌的生物。

产甲烷菌是产生甲烷的单细胞微生物，是“古菌”门（没有细胞核的古老单细胞生物，被认为是真核细胞的前身）的一部分。产甲烷菌是研究温度适应的理想生物，因为它们可以在-2.5°C至°C的各种极端温度下生存。

科学家分析和比较了不同种类产甲烷菌的基因组。他们根据产甲烷菌茁壮成长的温度将产甲烷菌分为三组-耐热（高温），耐精神病（低温）和嗜温（环境温度）。

然后使用基因组分类数据库创建个基因组和蛋白质序列数据库。然后使用正常和稀有原核生物的生长温度数据库来获取实验室收藏的86种产甲烷菌的温度信息。结果是将基因组内容与生长温度联系起来的数据库。

然后，科学家们使用一种名为OrthoFinder的软件来建立不同的直系群-一组基因来自所考虑物种的最后一个共同祖先中存在的单个基因。

之后，他们将这些直系群分为三类：核心（存在于超过95%的物种中），共享（存在于至少两个物种中，但少于95%的生物体）和独特（仅存在于一个物种中）（仅存在于单个物种中）。根据他们的研究，所有动物共享约三分之一的产甲烷基因组。他们还发现，随着进化距离的增加，不同物种共享的基因比例会降低。

有趣的是，科学家们发现耐热生物的基因组较小，核心基因组的比例较高。此外，人们发现这些微小基因组的“年龄”比耐精神病物种的“年龄”更古老。这些结果表明，基因组的大小更多地依赖于温度而不是进化过程，因为在各种分组中发现了耐热物种。

他们还认为，产甲烷基因组不是随着产甲烷基因组的进化而收缩，而是增加，这与“热还原基因组进化”理论相矛盾，根据该理论，生物体在适应更高温度时会失去基因。

研究人员进行的分析还表明，产甲烷菌可以在这种宽的温度范围内茁壮成长，而不需要许多独特的蛋白质。实际上，他们的基因组为大多数人编码了类似的蛋白质。

他们推测，温度适应的潜在机制可能是细胞控制或较小规模的成分改变。他们通过分析产甲烷菌的氨基酸组成来研究这一点，产甲烷菌是蛋白质的组成部分。

他们发现特定的温度组富含某些氨基酸。此外，他们发现氨基酸的组成变化与其蛋白质组电荷，极性和展开熵有关，所有这些都会影响蛋白质结构，从而影响其功能。他们发现，一般来说，耐热产甲烷菌比耐热产甲烷菌具有更多的带电氨基酸和功能性离子转运基因。

相比之下，精神耐受生物具有丰富的蛋白质和不带电荷的氨基酸，对细胞结构和运动至关重要。科学家们无法确定温度组的每个成员共享的任何特定角色这一事实表明，温度适应是逐渐发生的，而且是小步骤的，而不是需要剧烈的改变。

PaulaProndzinsky说：“这表明，当地球上的条件对生命充满敌意时进化出的第一批产甲烷菌可能与我们今天在地球上发现的生物相似。我们的发现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热还是寒冷环境的线索。我们可以扩展这些知识，以了解生命如何适应其他类型的极端条件，而不仅仅是温度，甚至可以解开其他星球上的生命如何进化。