古细菌都适合生活在高温中吗？
关于古细菌是否都适合生活在高温中这个问题，答案是：并非所有古细菌都偏爱高温，但确实有很多古细菌以极端高温为家，并在其中繁衍生息。
要理解这一点，我们需要先稍微了解一下古细菌（Archaea）这个神奇的领域，以及它们与我们更熟悉的细菌（Bacteria）和真核生物（Eukaryotes，也就是我们自身、动物、植物、真菌等）的区别。
古细菌：一个独特的生命领域
长期以来，人们习惯将生命分为两大类：细菌和真核生物。然而，随着分子生物学的发展，我们发现了一群与细菌在很多方面截然不同的微生物，它们被归为“古细菌”。古细菌在细胞结构、代谢方式、基因组特征上都有独特之处，尤其是它们的一些成员能够在常人难以想象的极端环境中生存。
高温环境与古细菌的关联
“极端微生物”（Extremophiles）这个词听起来就带有一点科幻色彩，而古细菌在其中占据了相当大的比例。其中，耐热的古细菌——嗜热古细菌（Thermophilic Archaea）——是人们研究得最多的。它们能在高达80°C甚至100°C以上的温度下生存和繁殖。
为什么一些古细菌能耐受高温？
这背后是漫长演化赋予它们的独特生存机制，主要体现在以下几个方面：
1. 特化的蛋白质和酶： 生命活动离不开蛋白质，尤其是酶，它们是催化各种生化反应的“工作马”。在高温下，大多数蛋白质会发生变性（就像煮熟的鸡蛋一样），失去活性。然而，嗜热古细菌的蛋白质与我们熟悉生物的蛋白质不同。它们的氨基酸序列、折叠方式，以及蛋白质内部的化学键（例如更多的盐桥、疏水相互作用）都经过优化，能够抵抗高温引起的结构破坏，保持稳定的三维构象，从而继续发挥功能。这些高温适应性蛋白质也被称为“热稳定性蛋白质”。
2. 细胞膜的特殊结构： 细胞膜是细胞的“边界”，控制着物质的进出，对于维持细胞的完整性和功能至关重要。细菌和真核生物的细胞膜主要由磷脂双分子层构成，其脂肪链是直链的。在高温下，这种磷脂双分子层会变得过于“流动”，难以维持细胞的结构。而古细菌的细胞膜则非常不同。
醚键连接： 许多古细菌的细胞膜脂质不是通过酯键连接到甘油骨架上，而是通过醚键连接。醚键比酯键更稳定，不易在高温下水解。
侧链异戊二烯基： 它们的脂质侧链通常是异戊二烯（isoprene）单元连接而成的。这些异戊二烯链可以形成单层膜（monolayer），而不是通常的双层膜。单层膜在结构上更紧密、更稳定，即使在极高温度下也能保持膜的完整性，防止细胞内容物泄露。想象一下，双层膜就像两张纸叠在一起，高温容易让它们滑动分开；而单层膜就像一张厚纸板，结构更坚固。
3. DNA和RNA的保护： 遗传物质DNA和RNA在高温下也容易发生解聚和损伤。一些嗜热古细菌发展出了特殊的DNA结合蛋白，如古菌球蛋白（histonelike proteins），它们能够紧密地包裹DNA，形成一种更稳定的结构，类似真核生物中的组蛋白，但结构和功能上存在差异。此外，它们可能还有更高效的DNA修复机制来应对损伤。
4. 热休克蛋白（Heat Shock Proteins, HSPs）： 就像我们人类在高温下会出汗一样，许多生物在应激条件下会产生热休克蛋白。这些蛋白质可以帮助其他受损的蛋白质重新折叠回正常构象，或者标记那些无法修复的蛋白质以便被清除。嗜热古细菌也拥有大量的高效热休克蛋白系统。
并非所有古细菌都嗜热
前面我们强调了“一些”古细菌能在高温下生存。那么，是不是所有古细菌都是“耐热”的呢？答案是：不是。
古细菌是一个极其多样化的领域，它们分布在各种各样的环境中，包括：
嗜冷古细菌（Psychrophilic Archaea）： 在极地冰川、深海冷水等低温环境中生存。
嗜盐古细菌（Halophilic Archaea）： 生活在高盐度的环境中，如盐湖和盐田。
产甲烷古细菌（Methanogenic Archaea）： 在缺氧环境中，通过代谢产生甲烷，存在于湿地、动物消化道（包括牛羊的瘤胃，以及人类肠道）等。
嗜酸/嗜碱古细菌（Acidophilic/Alkaliphilic Archaea）： 分别生活在强酸性或强碱性环境中。
嗜压古细菌（Piezophilic Archaea）： 适应高压环境，例如深海。
所以，虽然“古细菌”这个词容易让人联想到“古老”和“极端”，但并非所有古细菌都生活在极端高温中。许多古细菌生活在我们认为相对“温和”的环境中，比如土壤、海洋、甚至我们身体的特定部位。
总结
总而言之，古细菌是一个庞大而多样化的生命领域。其中，确实有相当一部分古细菌具有令人惊叹的耐高温能力，它们能够利用特化的蛋白质、独特的细胞膜结构以及高效的保护和修复机制，在沸腾的温泉、海底热泉等极端高温环境中繁衍生息。然而，这并不意味着所有古细菌都“适合”生活在高温中。古细菌家族中也存在适应低温、高盐、高压、强酸、强碱等各种极端环境的成员，它们共同构成了地球生命多样性的重要组成部分。我们对这些极端微生物的研究，不仅揭示了生命的韧性和适应性极限，也为我们理解生命起源、演化以及开发新的生物技术提供了宝贵的线索。
要理解这一点，我们需要先稍微了解一下古细菌（Archaea）这个神奇的领域，以及它们与我们更熟悉的细菌（Bacteria）和真核生物（Eukaryotes，也就是我们自身、动物、植物、真菌等）的区别。
古细菌：一个独特的生命领域
长期以来，人们习惯将生命分为两大类：细菌和真核生物。然而，随着分子生物学的发展，我们发现了一群与细菌在很多方面截然不同的微生物，它们被归为“古细菌”。古细菌在细胞结构、代谢方式、基因组特征上都有独特之处，尤其是它们的一些成员能够在常人难以想象的极端环境中生存。
高温环境与古细菌的关联
“极端微生物”（Extremophiles）这个词听起来就带有一点科幻色彩，而古细菌在其中占据了相当大的比例。其中，耐热的古细菌——嗜热古细菌（Thermophilic Archaea）——是人们研究得最多的。它们能在高达80°C甚至100°C以上的温度下生存和繁殖。
为什么一些古细菌能耐受高温？
这背后是漫长演化赋予它们的独特生存机制，主要体现在以下几个方面：
1. 特化的蛋白质和酶： 生命活动离不开蛋白质，尤其是酶，它们是催化各种生化反应的“工作马”。在高温下，大多数蛋白质会发生变性（就像煮熟的鸡蛋一样），失去活性。然而，嗜热古细菌的蛋白质与我们熟悉生物的蛋白质不同。它们的氨基酸序列、折叠方式，以及蛋白质内部的化学键（例如更多的盐桥、疏水相互作用）都经过优化，能够抵抗高温引起的结构破坏，保持稳定的三维构象，从而继续发挥功能。这些高温适应性蛋白质也被称为“热稳定性蛋白质”。
2. 细胞膜的特殊结构： 细胞膜是细胞的“边界”，控制着物质的进出，对于维持细胞的完整性和功能至关重要。细菌和真核生物的细胞膜主要由磷脂双分子层构成，其脂肪链是直链的。在高温下，这种磷脂双分子层会变得过于“流动”，难以维持细胞的结构。而古细菌的细胞膜则非常不同。
醚键连接： 许多古细菌的细胞膜脂质不是通过酯键连接到甘油骨架上，而是通过醚键连接。醚键比酯键更稳定，不易在高温下水解。
侧链异戊二烯基： 它们的脂质侧链通常是异戊二烯（isoprene）单元连接而成的。这些异戊二烯链可以形成单层膜（monolayer），而不是通常的双层膜。单层膜在结构上更紧密、更稳定，即使在极高温度下也能保持膜的完整性，防止细胞内容物泄露。想象一下，双层膜就像两张纸叠在一起，高温容易让它们滑动分开；而单层膜就像一张厚纸板，结构更坚固。
3. DNA和RNA的保护： 遗传物质DNA和RNA在高温下也容易发生解聚和损伤。一些嗜热古细菌发展出了特殊的DNA结合蛋白，如古菌球蛋白（histonelike proteins），它们能够紧密地包裹DNA，形成一种更稳定的结构，类似真核生物中的组蛋白，但结构和功能上存在差异。此外，它们可能还有更高效的DNA修复机制来应对损伤。
4. 热休克蛋白（Heat Shock Proteins, HSPs）： 就像我们人类在高温下会出汗一样，许多生物在应激条件下会产生热休克蛋白。这些蛋白质可以帮助其他受损的蛋白质重新折叠回正常构象，或者标记那些无法修复的蛋白质以便被清除。嗜热古细菌也拥有大量的高效热休克蛋白系统。
并非所有古细菌都嗜热
前面我们强调了“一些”古细菌能在高温下生存。那么，是不是所有古细菌都是“耐热”的呢？答案是：不是。
古细菌是一个极其多样化的领域，它们分布在各种各样的环境中，包括：
嗜冷古细菌（Psychrophilic Archaea）： 在极地冰川、深海冷水等低温环境中生存。
嗜盐古细菌（Halophilic Archaea）： 生活在高盐度的环境中，如盐湖和盐田。
产甲烷古细菌（Methanogenic Archaea）： 在缺氧环境中，通过代谢产生甲烷，存在于湿地、动物消化道（包括牛羊的瘤胃，以及人类肠道）等。
嗜酸/嗜碱古细菌（Acidophilic/Alkaliphilic Archaea）： 分别生活在强酸性或强碱性环境中。
嗜压古细菌（Piezophilic Archaea）： 适应高压环境，例如深海。
所以，虽然“古细菌”这个词容易让人联想到“古老”和“极端”，但并非所有古细菌都生活在极端高温中。许多古细菌生活在我们认为相对“温和”的环境中，比如土壤、海洋、甚至我们身体的特定部位。
总结
总而言之，古细菌是一个庞大而多样化的生命领域。其中，确实有相当一部分古细菌具有令人惊叹的耐高温能力，它们能够利用特化的蛋白质、独特的细胞膜结构以及高效的保护和修复机制，在沸腾的温泉、海底热泉等极端高温环境中繁衍生息。然而，这并不意味着所有古细菌都“适合”生活在高温中。古细菌家族中也存在适应低温、高盐、高压、强酸、强碱等各种极端环境的成员，它们共同构成了地球生命多样性的重要组成部分。我们对这些极端微生物的研究，不仅揭示了生命的韧性和适应性极限，也为我们理解生命起源、演化以及开发新的生物技术提供了宝贵的线索。
网友意见
不是。许多古菌生活在常温环境，不适应火山温泉之类高温环境。嗜好高温的一些古菌物种通常不适应常温或低温环境。
人们最初发现的古菌是生活在火山温泉、热液喷口、盐湖、碱湖之类极端环境的，当时一些人以为所有古菌都如此。后来人们发现了更多的古菌，它们广泛存在于土壤、海洋、河流、湖泊、湿地[1]，人和多种动物的口腔、肠道、皮肤表层和反刍动物的瘤胃等处亦有古菌。今天再谈起古菌，是不会上来就想到极端环境的。
可以看看这方面的文章：
Bang C, Schmitz RA.
Archaea associated with human surfaces: not to be underestimated.
FEMS Microbiol Rev. 2015 Sep;39(5):631-48.
doi: 10.1093/femsre/fuv010.
Epub 2015 Apr 22. PMID: 25907112.
海水中的古菌数量相当多，甚至能和原绿球藻、遍在远洋杆菌之类比较数量。古菌在地球的碳循环与氮循环中可能有重要的作用。
棕榈油厂的废水处理、啤酒厂废物的降解等早已利用产甲烷古菌。一些有机化学工业使用从古菌那里取得的耐高温的酶。
吃完晚饭躺在床上打滚的时候可以想想古菌跟细菌之类一起在帮你消化食物。
目前没有已知的古菌作为病原体或寄生虫。
参考
- ^ Chaban B, Ng SY, Jarrell KF. Archaeal habitats--from the extreme to the ordinary. Can J Microbiol. 2006 Feb;52(2):73-116. doi: 10.1139/w05-147. PMID: 16541146.
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