明明可以吃肉,大熊貓為啥走上了賣萌啃竹子的不歸路

動物 大熊貓 竹子 生物技術 中科院物理所 2018-12-16

該文章授權轉載自新發現sciencevie

(ID:sciencevie)

幾曾見過牛吞鹿,又何曾見過虎吃草?這樣的畫面不可想象:老虎是純粹的食肉動物,牛則是如假包換的食草動物……

那麼大熊貓呢?它是食肉動物還是食草動物?

這個問題要比你想象的複雜得多。鑑於大熊貓早已是全球環境保護的象徵,提出和解答這個問題也便有了特別的意義。

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大熊貓的主食是什麼?

對此我們再清楚不過:所有人都知道,這些憨態可掬的傢伙幾乎只吃竹葉、竹枝和竹筍——當然,它們偶爾還會嚐點蜂蜜換換口味。從食物判斷,大熊貓顯然屬於食草動物。

然而,5年來,多項分子生物學研究卻帶來了讓人困惑的結果:大熊貓的消化系統與純粹的食肉動物一般無二。最新的分析表明,大熊貓的腸道菌群與牛羊不同,卻與老虎更為接近。

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也就是說,胖墩墩的大熊貓骨子裡實際上是個食肉動物。然而正是這種食肉動物,每天卻花費14個小時啃食數十千克的竹葉。一種顯而易見的食肉動物,數百萬年來卻吃著完全不合自己胃口的植物性食品。我們不禁要問:作為瀕危動物象徵的大熊貓,是不是走進了演化的死衚衕?它們是大自然的錯誤嗎?

這種疑問不無理由。以其消化系統構造為例,曾就職於上海交通大學生命科學技術學院的微生物學家薛正晟指出:“一般食草動物的腸道演化出獨特的構造,可延長食物滯留在腸道的時間,以充分消化植物性食物;然而大熊貓的消化道卻保留了食肉動物的特徵,短、直、簡單……”一般說來,更長的消化道,有利於纖維素等長鏈分子的分解和吸收。

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離經叛道的食譜

2010年,科學家完成了大熊貓基因組的測序,對這個問題有了進一步的瞭解。美國加州大學伯克利分校的遺傳學家拉斯莫斯·尼爾森(Rasmus Nielsen)表示:“我們沒能在大熊貓的基因組中發現與消化纖維素相關的基因;這意味著,大熊貓對纖維素的消化和吸收完全依賴腸道菌群。”

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事實上,當時所有科學家都是這樣想,因為研究表明,腸道菌群的構成,深受食物成分的影響。“人們稱這些微生物為‘第二基因組’或‘被遺忘的器官’。它們的存在,確保了關鍵新陳代謝功能的正常運作,因為單靠宿主的身體,往往無法完全實現這些功能。例如在食草動物體內,腸道菌群就對吸收植物多糖中的養分起著無可替代的關鍵的作用。”薛正晟介紹道。

然而,這位科學家對45只野生與圈養大熊貓的腸道菌群的最新分析顯示:大熊貓的腸道生態系統完全不適應其富含植物纖維的飲食。薛正晟指出:“大熊貓腸道菌群的主要成分與典型的食肉動物腸道菌群十分接近,大腸桿菌、志賀氏菌和鏈球菌等;而那些能夠分解纖維素的細菌,如瘤胃菌和擬桿菌等,則幾乎不見蹤影。”

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2015 年年初,一箇中國的科研團隊發現,大熊貓體內的微生物構成具有典型的食肉動物特徵。

考慮到四川的山林中歷來不缺可捕食的小動物,我們如何解釋大熊貓完全轉變為素食這反常現象?換言之,究竟是出於怎樣的原因,使得大熊貓放棄了富含營養和能量的肉食,轉而完全靠吃竹子為生?

對此,生物學家提出了多種假說。首先,有些科學家認為味覺的變化是造成大熊貓食物改變的主因,畢竟,味覺對於食物的選擇是至關重要的。

英國貝德福德大學的生物化學教授詹姆斯·克拉布(James Crabbe)指出:“對大熊貓基因組的分析表明,大約在420萬年前,大熊貓體內與鮮味(即鮮肉中的蛋白質的味道)相關的T1R1基因就因變異而不再表達。這個變異能否解釋大熊貓食譜的改變呢?似乎不能,因為牛和馬這些食草動物也都具有T1R1基因。

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2011 年,科學家試圖找到那使大熊貓轉向素食的真正原因:或許與某個基因的失效有關?

”一定有其他原因。“我們發現大熊貓的多巴胺代謝能力不足;竹子中可能含有可以重建和刺激多巴胺獎賞迴路的化學物質。”詹姆斯·克拉布補充道。目前,科學家正在對這種假說展開研究。

人類相助

但這並不解決問題。薛正晟指出:“就食物而言,大熊貓是食肉哺乳動物中的一個奇怪案例;就消化系統而言,大熊貓在食草的動物中又是獨一無二的。”大熊貓的消化系統只能吸收食物中大約20%的養分,從而影響到了該物種的生存。因而有些科學家試圖通過引入微生物的辦法,改善大熊貓的消化機能……

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大熊貓腸道菌群的構成(主要含大腸桿菌、志賀氏菌和鏈球菌等)與大多數食肉動物是一樣的。

在許多人眼中,這種熊科動物已經走進了演化的死衚衕:它們固然惹人喜愛,但難以適應自然環境,多虧人類幫助才暫時免於滅絕的命運。英國著名的動物保護主義者克里斯·派克漢姆(Chris Packham)表示:“如果只剩最後幾隻大熊貓,我甚至會考慮將它們吃掉,以便將保育大熊貓的資金用在其他更迫切的保育項目上。”

針對這些攻擊,中國科學院動物研究所在2014年的一期《分子生物學與演化》雜誌上發表《大熊貓並非演化的死衚衕》一文進行反駁。文章認為,必須看到,依靠著這種獨特的飲食習慣,大熊貓已經在四川地區生存了數百萬年。而大熊貓的解剖學特徵,使其成為一臺高效的吃竹子機器:它前肢的假拇指有利於抓握竹枝;其有力的下顎骨和大而平的牙齒則是咀嚼竹纖維的利器。

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重而緻密的頭骨,可適應咀嚼大量植物性食物的需要。

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高度發達的顴弓以及碩大扁平的牙齒有利於研磨枝葉。

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手掌邊上增生的指骨,讓大熊貓可以抓住竹枝再將其送到嘴邊。

大熊貓的不少身體構造與反芻動物十分相似……不過,薛正晟仍然堅持自己的觀點,他認為:“即便有了這些身體上的演化,大熊貓仍然無法充分和高效地消化竹子枝葉的複雜分子。”

不過為了彌補這並不完善的消化,大熊貓採取了一種“節能”策略——但尚不至於陷入休眠。2015年,一項對8只大熊貓進行的跟蹤研究在《科學》(Science)上發表,

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2015 年夏,一項研究在《科學》雜誌上發表,指出熊貓的新陳代謝率極低。

研究表明,大熊貓的能量消耗只相當於同等體重哺乳動物理論消耗量的55%;之所以能夠如此,似乎是靠了較小的器官、低迷的甲狀腺代謝,以及有限的活動量(每小時移動距離不到30米)。

這一節約精神似乎還體現在繁殖中:新生大熊貓幼崽的體重不足100克——不到成體重量的九百分之一;而人類嬰兒與成年人體重之比約為1:20。所有這些都表明,大熊貓的演化堪稱典範。

一個不同的演化史

甚至不乏高妙之處!澳大利亞悉尼大學的營養生態學家查爾斯·勞本海默(Charles Raubenheimer)便如此認為:“大熊貓演化成靠竹子為主要生計,便擁有了幾乎取之不盡且少有競爭的食物來源。它簡直就是生活在食物的海洋裡!這是個卓越的演化策略,在很長時間裡,大熊貓一直是成功的,直到人類活動侵佔了它們的棲息地……”

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2014 年,西班牙科學家對大熊貓的植食習性與其生物力學機制之間的關係進行了研究。

大熊貓究竟是“天才”還是“失敗者”?是食肉動物還是食草動物?

對此,法國巴黎第六大學發育生物學實驗室(LBD)的赫爾維·勒居雅德(Hervé le Guyader)認為:“我們不應把自然演化過程看作是工程師試圖優化某個產品性能參數的過程。大熊貓獨特的消化系統的確不適應它現在的食譜。然而,物種的演化受制於各種極為棘手的制約條件。

例如,所有哺乳動物的頸椎骨都只有7塊,即便是長頸鹿也不例外,因為決定這個特徵的是一組基因,改變它們會導致癌症。”里昂高等師範學校的分子動物學家文森特·羅代(Vincent Laudet)也指出:“大熊貓的現狀,是其在整個演化史中承受的制約的總和,我們在分析中必須要考慮到這一點。”

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大熊貓缺乏能夠合成可分解植物纖維素的酶的基因,而其與分解動物蛋白質的酶相關的基因也已經不再活躍。

在它憨態可掬、笨拙好笑的外表之下,大熊貓隱藏著一部見招拆招的演化史:解決兩難問題,克服或迴避眾多困難……在這動物明星毛茸茸的形象背後,是那微妙神奇的演化機制。其中還有許多未解之謎,等待我們去探索和發現。

原標題:大熊貓到底是一種食草動物還是食肉動物?

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