每周科技串講｜大熊貓是如何從食肉動(dòng)物轉(zhuǎn)變?yōu)椤八厥痴摺钡模?

憨態(tài)可掬的“國(guó)寶”大熊貓深受人們喜愛，它們慢條斯理吃竹子的樣子也讓人印象深刻。很多人以為大熊貓本來(lái)就是以竹子為食的，其實(shí)幾百萬(wàn)年前，大熊貓的祖先卻是食肉猛獸。

大熊貓是如何從食肉動(dòng)物變成專吃竹子的素食動(dòng)物的呢？人類又是如何幫助大熊貓走出瀕危狀況的呢?中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所魏輔文領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)給出了科學(xué)答案，并為大熊貓保護(hù)提供了行之有效的方案，他們完成的“大熊貓適應(yīng)性演化與瀕危機(jī)制研究”項(xiàng)目榮獲2019年國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

針對(duì)大熊貓如何適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)的竹子這一問(wèn)題，魏輔文團(tuán)隊(duì)利用多種技術(shù)手段和研究方法開展了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了大熊貓?jiān)谛螒B(tài)、遺傳、行為、生理和腸道微生物等方面對(duì)竹子產(chǎn)生的一系列適應(yīng)。

在形態(tài)上，大熊貓與同樣以竹子為食的小熊貓一樣都進(jìn)化出了便于抓握竹子的偽拇指。在遺傳上，通過(guò)基因組分析顯示，大熊貓與小熊貓都出現(xiàn)了類似的基因變化，以適應(yīng)偽拇指發(fā)育、從竹子中吸收營(yíng)養(yǎng)等需求，其中一個(gè)感受肉類鮮味的受體基因變成了沒有功能的假基因，而其他食肉動(dòng)物的基因則仍然保留正常功能。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，為了適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)素的竹子，大熊貓采取了多吃、多消化、少運(yùn)動(dòng)等策略，所以我們看到的大熊貓都是圓滾滾、慢悠悠的。大熊貓首先采取的策略是大量覓食，而且還會(huì)“挑食”，并不是什么竹子都吃，它們往往會(huì)選擇那些營(yíng)養(yǎng)最優(yōu)的竹子種類，從竹筍、竹葉及基徑適中的竹莖中最大限度地獲取足夠的營(yíng)養(yǎng)和能量。

光多吃還不夠，大熊貓還會(huì)盡可能提高竹子的利用效率。研究顯示，大熊貓不僅僅會(huì)利用所攝入竹子的90%以上的蛋白質(zhì)和脂肪，而且還會(huì)利用其中約8%的纖維素和27%的半纖維素。但是，大熊貓的消化道本身并不分泌分解纖維素和半纖維素的酶類，其秘訣在于它們的胃腸道內(nèi)存在大量可消化纖維素的腸道微生物，這些微生物能產(chǎn)生很多分解纖維素和半纖維素的酶類，促進(jìn)脂類代謝，而且還會(huì)隨著季節(jié)不同而變化，以適應(yīng)大熊貓?jiān)诓煌竟?jié)食用的竹子的營(yíng)養(yǎng)成分變化，這就是大熊貓吃竹子也能長(zhǎng)胖的奧秘。

竹子充足當(dāng)然好，萬(wàn)一碰上食物匱乏的時(shí)候呢？所以大熊貓還有另一種適應(yīng)性演化，即盡量減少能量消耗，其中最直接的辦法是減少活動(dòng)量。大熊貓有一半以上時(shí)間都在休息，而且野生大熊貓的每小時(shí)平均移動(dòng)距離不超過(guò)20米，當(dāng)然并非大熊貓?zhí)焐粣圻\(yùn)動(dòng)，只是它們似乎已明白，營(yíng)養(yǎng)來(lái)之不易，不能隨便浪費(fèi)。除了減少運(yùn)動(dòng)行為，它們?cè)谏砩弦矝]少“想轍”，例如大熊貓的肝臟、腎臟等器官也在演化過(guò)程中逐漸縮小，以進(jìn)一步減少能量消耗；厚重的皮毛也可以減少熱量流失，以至于它們的體表溫度較低。這些適應(yīng)性演化導(dǎo)致大熊貓的能量代謝水平非常低，幾乎可與行動(dòng)遲緩的樹懶一爭(zhēng)高下。

還有人認(rèn)為它們?yōu)榱斯?jié)省能量，不愛運(yùn)動(dòng)，甚至導(dǎo)致種群繁殖效率低下，對(duì)此，魏輔文院士團(tuán)隊(duì)的研究否定了這種猜測(cè)。研究人員通過(guò)第二代高通量測(cè)序技術(shù)和種群基因組學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存大熊貓分為三個(gè)遺傳種群，即秦嶺、岷山和邛崍·相嶺·涼山種群，每個(gè)亞種群均具有較高的遺傳多樣性，具備長(zhǎng)期存續(xù)的演化能力和較高的遺傳多樣性，暫時(shí)不存在瀕危風(fēng)險(xiǎn)。歷史上，這些種群曾經(jīng)歷了兩次擴(kuò)張、兩次瓶頸和兩次分歧，而第四紀(jì)氣候變化則是其種群波動(dòng)和分化的主因，特別是末次冰期及全新世以來(lái)人類活動(dòng)致使其種群數(shù)量嚴(yán)重下降以至瀕危，間冰期的出現(xiàn)又為大熊貓種群的擴(kuò)張創(chuàng)造了條件。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，近現(xiàn)代人類活動(dòng)加劇，導(dǎo)致野生大熊貓棲息地出現(xiàn)碎片化，其種群被人類有意或無(wú)意地分成了更小的群體，這些小群體的遺傳多樣性大幅降低。由此可知現(xiàn)在大熊貓種群數(shù)量稀少并非是其自身不能適應(yīng)環(huán)境的變化，而主要是人類活動(dòng)造成的。如果不加以改變，一些野生大熊貓遺傳群體將面臨瀕危甚至滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究人員推動(dòng)圈養(yǎng)大熊貓的放歸，并建議在不同的大熊貓棲息地之間修建生態(tài)廊道，為被公路或鐵路等人為隔開的小種群重新建立聯(lián)系，以利于它們之間的遺傳交流，從而降低瀕危風(fēng)險(xiǎn)。

值得一提的是，在研究大熊貓適應(yīng)性演化和瀕危機(jī)制過(guò)程中，研究人員很多時(shí)候要借助分子遺傳學(xué)技術(shù)，這就需要采集大熊貓的DNA，但由于野生大熊貓活動(dòng)范圍較大，行蹤不定，它們的DNA很難采集，因此研究人員發(fā)明了一種非損傷性遺傳分析技術(shù)體系，即利用大熊貓脫落在糞便中的腸道細(xì)胞DNA進(jìn)行遺傳分析，可準(zhǔn)確識(shí)別大熊貓個(gè)體，這種方法已被廣泛用于全國(guó)野生大熊貓的調(diào)查和種群監(jiān)測(cè)。

魏輔文院士團(tuán)隊(duì)的上述研究成果，為我國(guó)大熊貓保護(hù)提供了理論和實(shí)踐指導(dǎo)，為我國(guó)大熊貓從“瀕危”降為“易?！钡燃?jí)做出了重要貢獻(xiàn)。

（文：中關(guān)村國(guó)科現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新研究院 研究館員 湯波 把關(guān)專家：蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院研究員 趙序茅）

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