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Take Home Message

►早期的地球就像一個巨大溫泉浴池，「高溫」才是預設的生活方式，因此科學家們相信，住在溫泉裡面的細菌比較可能保有地球早期生物的特性。
►由於能在高溫的溫泉裡住下來的生物不多，環境裡能得到的養分總量也比較少，因此溫泉菌常常只能利用環境裡少量的有機物，或是以水裡的氫氣和無機鹽類作為能源生存。
►高溫會造成細胞膜結構改變、酵素失效、蛋白質變性，使細胞裡的化學反應受到很大的影響。溫泉菌利用不同的磷脂分子或鍵結方式，穩定其細胞膜結構; 蛋白質則藉由調整胺基酸加硫鍵，讓結構變得更穩定以維持正常代謝功能。
►COVID-19疫情中使用到的PCR技術，就是利用溫泉菌耐高溫的酵素支援，讓我們能利用反覆升溫降溫，使少量的DNA片段越變越多。

溫泉是咱們花蓮的特產，每個旅遊網站都查得到。來花蓮泡在溫泉裡讓大腦徹底放鬆，離開浴池後再來點在地美食美景，這才是享受人生。我們泡暖了身子後就可以喊著：「好熱好熱！」離開，但是對必須整天泡在裡面的細菌來說，溫泉可就是個無法逃避的大考驗。

它們首先要面對的就是高溫。我們過去做過溫泉菌研究，採樣時那從源頭流出來的泉水，溫度超過70℃。平常洗澡水到60℃就讓人受不了，如果再升到70℃，那人大概就要燙熟了。但是在這麼高溫的泉水裡卻還是住了細菌，我們甚至可以在泉水裡看到細菌們聚集結成絲狀黏在石頭上，在泉水裡像短短的白色毛線隨著水流擺動。這些細菌是怎麼活下來的啊？

古早味慢活區

如果從這個星球的演化史來看，應該問的問題是「我們怎麼活下來的」？地球原本是個高溫星球，慢慢冷卻後，水汽凝結降落到地面形成海洋，才有機會讓生物在海裡出現。地球早期應該像個超大的溫泉浴池，而「高溫」才是這顆星球預設的生活方式；後來我們的祖先適應了低溫，在慢慢冷掉的地球過得越來越好。而不能忍受低溫的細菌只能躲進溫泉，繼續繁衍後代。因此科學家們相信，住在溫泉裡面的細菌比較可能保有地球早期生物的特性。這點從DNA 分析結果也看得出來，一些在溫泉出現的高溫嗜熱菌種，的確是屬於演化上比較早出現的細菌分支。

除了耐熱，這些溫泉居民的另一個共同特性是慢活。能在這種地方住下來的生物不多，你也不會看到溫泉水裡有魚或水草，所以在這環境裡能得到的養分總量也就比較少了。這裡的細菌只有環境裡少量的有機物可用，或利用水裡的氫氣和無機鹽類當能源，用少少的能量慢慢但堅強地活著。雖然這跟大腸桿菌搶養分積極分裂壯大族群的生存策略大不相同，但事實證明「慢慢來」也能讓這些細菌存活到今天。如果溫泉圈裡展現地球早期居民的生活樣貌，那這個星球的傳統應該是泡著溫泉不做什麼地緩慢過活啊！

燙不死的高溫存活之道

這些在高溫環境下生活的細菌最讓人感到好奇的，還是怎麼能在這種燙死人的水裡好好活下來？我們的細胞在高溫環境下會遭遇這些困境：分子在高溫下不穩定，高溫會令蛋白質變性而失去作用，造成細胞結構改變、酵素失效，使得細胞裡的化學反應受到很大的影響。我們的DNA的結構是雙股螺旋分子，這下會因為溫度上升而被拆成兩條單股DNA；而細胞膜成分為磷脂質（phospholipid），像油一樣加熱後就會加速流動，若溫度太高就不能維持現在包在細胞外面，隔絕細胞內外的功能。所以在考慮身體如何調節體溫的問題之前，每個細胞就會因為高溫而活不下去了。

不過，為什麼這些在溫泉裡長住的細菌，現在都還是活得好好的呢？主要是因為它們用了不同的磷脂分子或不同的鍵結方式，來避免細胞膜的過度流動。DNA是由腺嘌呤（adenine, A）、胸腺嘧啶（thymine, T）、胞嘧啶（cytosine, C）、鳥嘌呤（guanine, G）這4種含氮鹼基排列起來的，其中C 和G拉住彼此的力量比較大，而在高溫細菌的DNA裡，就用了比較多的C和G來讓DNA不被拆開。至於作為酵素用的蛋白質，高溫菌就置換了蛋白質裡頭的胺基酸、加上硫鍵，使其結構變得更穩定，且在高溫下不容易變形。這樣一來，對存活來說很重要的酵素就可以在高溫下使用，維持正常代謝功能。……【更多內容請閱讀科學月刊第627期】