温度适应的遗传学：生命如何在极端条件下茁壮成长

地球的历史一直是物理极端的历史之一——极端的大气条件、极端的化学环境和极端的温度。曾经有一段时间，地球太热了，所有的水都是蒸汽，只有当地球足够冷却时，第一场雨才会下。不久之后，生命出现了，通过这一切，生活找到了一条路。

今天，生命几乎遍布我们所看到的地球上的任何地方;很难找到不存在生命的地方。生命适应多变条件的非凡能力是其决定性特征之一。在它的众多适应中，生命适应不同温度的能力是最有趣的之一。所有的生命都依赖于化学反应，而化学反应本质上对温度敏感。然而，生命存在于从南极冰架到海底火山边缘的各种温度范围内。这就引出了一个问题，生命如何适应不同的温度?

为了解开这个谜团，由东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)的Paula Prondzinsky和Shawn Erin McGlynn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，属于“古菌”(古老的单细胞生物，没有细胞核，被认为是真核细胞的前身)的更大领域。作为一个单一的生理群体，产甲烷菌可以在-2.5摄氏度至122摄氏度的极端温度范围内茁壮成长，使其成为研究温度适应的理想候选者。

在这项工作中，研究人员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，他们从一个名为基因组分类数据库的资源中构建了一个包含255个基因组和蛋白质序列的数据库。接下来，他们获得了86种产甲烷菌的温度数据，这些数据来自普通和稀有原核生物生长温度数据库的实验室收集。结果是一个将基因组内容与生长温度联系起来的数据库。

之后，研究人员使用一种名为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。然后，他们将这些直系群分为1)核心(存在于超过95%的物种中)，2)共享(存在于至少两个物种中，但少于95%的生物体)和3)独特(仅存在于单个物种中)。他们的分析显示，大约三分之一的产甲烷基因组在所有物种中共享。他们还发现，物种之间共享基因的数量随着进化距离的增加而减少。

有趣的是，研究人员发现耐热生物体具有较小的基因组和较高比例的核心基因组。这些小基因组也被发现在进化上比精神耐受生物的基因组更“古老”。由于在多个群体中发现了耐热生物，这些发现表明基因组的大小更依赖于温度而不是进化历史。他们还认为，随着产甲烷基因组的进化，它们生长而不是缩小，这挑战了热还原基因组进化的观点，即生物体在进化到更高温度的位置时从基因组中删除基因。

研究人员的分析还表明，产甲烷菌在如此广泛的温度范围内生长，没有许多特殊的蛋白质。事实上，由它们的基因组编码的大多数蛋白质都是相似的。这导致他们考虑细胞调节或更精细的成分适应的可能性作为温度适应的根本原因。为了研究这一点，他们研究了产甲烷菌中氨基酸(蛋白质的组成部分)的组成。

他们发现特定的氨基酸在特定的温度组中富集。他们还发现氨基酸的组成差异与蛋白质组电荷，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。总的来说，他们发现耐热产甲烷菌具有更多的带电氨基酸和离子转运功能基因，而这些在耐热剂中是不存在的。而精神耐受剂生物体富含与细胞结构和运动相关的不带电荷氨基酸和蛋白质。然而，研究人员无法确定温度组所有成员共享的特定功能，这表明温度适应是一个渐进的过程，以精细的步骤发生，而不是需要大规模的变化。

总而言之，“这表明第一批产甲烷菌，在地球上的条件对生命充满敌意的时候进化，可能与我们今天在地球上发现的生物相似，”Paula Prondzinsky解释说。“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。

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