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食肉目的大熊猫偏偏只爱吃竹子,原来是尝不出肉有多鲜美!

(本文由中国数字科技馆和《科技生活》周刊联合制作)

[记者:白竟楠 编辑 刘昭 供图:视觉中国(除署名外)]

采访专家:

胡义波 中科院动物所副研究员

欧阳志云 中国科学院生态环境研究中心研究员

陈怡平 中国科学院地球环境研究所研究员

王大军北京大学生命科学学院工程师、动物学博士

今年9月,世界自然保护联盟(IUCN)的一则消息,让大家都为我国的国宝庆祝——大熊猫从濒危动物“降级”到易危动物,人们终于松了一口气,看来濒危野生动物动物保护工作取得了不错的成绩。

不过,科学家研究发现,大熊猫栖息地中竹林的状况不容乐观,竹林面积减少、竹子生长周期缩短、质量下降等,直接影响着大熊猫的生存。奇怪的是,为什么一种食肉目熊科动物却喜欢“吃素”呢?

  (当地时间2017年7月10日,来自中国的大熊猫 “梦梦”正在德国柏林“出差”。当然,走到哪里不重要,重要的吃欢快地吃竹子)

大熊猫数量锐减的主要原因是竹林遭破坏

大熊猫应该是地球上最幸福、最耀眼的动物明星了,它们憨态可掬,胖胖的身体常常在地上滚来滚去,大家给它起了“滚滚”这个可爱的外号。大熊猫能收获到这么多爱和关注,并不是一件值得高兴的事儿,因为这对于“滚滚”们来说,完全是因祸得福。

1974年至1977年第一次大熊猫普查结果为2459只,但到1985年至1988年第二次普查的时候锐减到1114只。可见,大熊猫原本也是生活在森林里过着安逸的生活,但却因为许多原因失去了大量的小伙伴。

那么,是什么原因导致大熊猫的数量骤减,以至于变成了濒危物种呢?捕捉、杀害、盗猎、走私……或者是因为它太可爱了?这些原因都威胁着大熊猫的生存,但更重要的原因是,能供它们生活、摄取食物的竹林遭到了严重的破坏。

1950年至1985年间,陕甘川三省大型森工企业增长至近几十家,且不含县属伐木场,采伐的森林面积为40多万公顷,年均伐木面积为2万多公顷,大熊猫栖息地面积骤降。

中国科学院生态环境研究中心欧阳志云课题组,通过卫星遥感影像数据和地面调查相结合的方式,分析了1976年、1988年、2001年和2013年近40年全国大熊猫栖息地的演变特征。欧阳志云表示,1976年至2001年,大熊猫栖息地面积减少了4.9%,同时,栖息地的平均斑块大小下降了24%。也就是说,大熊猫的栖息地面积不仅减少了,而且破碎化十分严重,把大熊猫的大种群分割成小种群,对熊猫的长期发展是不利的。

中国科学院地球环境研究所研究员陈怡平说:“作为大熊猫主要食物的竹子,其生长发育随CO2升高而受到影响,导致提前开花,提前死亡,生命周期缩短。而竹子的复壮又需要较长的周期。另外,温度升高也延长了竹粘虫等灾虫的生活周期,虫害增多影响竹子的产量和品质,从而威胁熊猫生存。”

  (2014年3月3日,四川邛崃,盗伐者“私人定制” 砍光两座山头,被盗伐的树木堆在山坡上)

野生大熊猫的年繁殖率并不低

物竞天择是自然选择的规律,没有一个物种能够永久存在于地球上,那么,大熊猫会不会也面临着演化潜力减少的危机呢?

幸运的是,大熊猫的遗传多样性还没有受到种群数量减少的影响。2008年,“大熊猫基因组”项目启动,科学家为大熊猫进行了基因组测序,研究结果表明,大熊猫有21对染色体,基因组大小为2.4Gb,重复序列含量36%,基因2万多个。尽管大熊猫种群的数量尚未超过2000只,但大熊猫基因组仍然具备很高的杂合率,从而推断具有较高的遗传多态性。

在人们的印象中,大熊猫生殖率低、幼崽死亡率高,也是导致这一种群呈现负增长模式的原因,但这是对野生大熊猫繁殖行为缺乏系统性认知得出的错误结论。研究显示,野生大熊猫年繁殖率高达65.4%。所以,竹林的减少直接威胁着大熊猫种群的繁衍壮大。

说起这一切,不得不提到一个问题。森林面积锐减同时会威胁到许多动物的安危,但这对于大熊猫来说可能是灭顶之灾,其重要原因就是“滚滚”几乎只吃竹子。这是为什么呢?这个问题深奥到科学家也尚不能给出一个确切答案。

  (2008年10月11日,深圳华大基因研究院宣布,大熊猫“晶晶”基因组框架图绘制完成)

是挑食导致了基因变化?

这是一个“鸡生蛋”还是“蛋生鸡”的问题,是因为大熊猫的祖先先改变了饮食结构才改变了基因,还是因为先突变了基因再导致饮食习惯发生了改变呢?

先来看看大熊猫的“家谱”。大熊猫的祖先是始熊猫——一种比现生大熊猫更大的熊猫,当然,它长得也不如现在的大熊猫可爱。始熊猫是一种肉食动物,他生活在800万年前的晚中新世。大熊猫种群主支在中国继续演化,在距今300万年的更新世早期,演化出了一种小个头熊猫,它的体型只有现生熊猫的一半大,其化石被定义为大熊猫小种。从大熊猫小种化石的牙齿推断,那时的大熊猫就已经是杂食兽了。后来,随着亚热带潮湿森林的延伸,大熊猫逐渐体型增大,在距今50-70万年的更新世中晚期,那一时期的大熊猫——巴氏亚种的体型比现生大熊猫更大,并依赖竹子为生。

  (图为A:大熊猫小种(Ailuropoda microta),B:大熊猫巴氏种(A. baconi),C:现生大熊猫(A. melanoleuca)和D:北极熊(Ursus maritimus)的虚拟三维颅内模 图片来源:中国科学院古脊椎与古人类研究所)

根据中国科学院动物研究所魏辅文研究员的研究成果,在进化的历史长河中,大熊猫种群表现为两次显著的扩张和收缩,而现存的三个遗传种群则是由两次种群分化而得以形成。结合中国的古地质资料,研究者认为,大熊猫种群的两次扩张和两次收缩与古气候动荡密切相关,冰期的寒冷气候导致大熊猫种群缩小甚至到瓶颈,间冰期气候回暖又为大熊猫种群扩张提供了有利条件,而近三千年以来的人类活动则是导致大熊猫近期种群变化的主要因素。

  (大熊猫小种头骨化石 图片来自网络)

“现生大熊猫只吃竹子的原因要从熊猫进化的角度来谈,推测可能是因为历史时期环境变化导致食物匮乏,大熊猫开始变为杂食动物,并逐渐专食竹子,大熊猫在饮食偏好上的改变,慢慢影响了基因功能。但为何大熊猫变得专食竹子,尚且不知。如果说因为一个基因的突变而导致食性的转化与特化,可能不够妥当,因为仅仅一个基因的功能还没那么强大。”中科院动物所副研究员胡义波说。

正是因为大熊猫的饮食习惯发生了改变,鲜味受体基因才慢慢失去了作用,进而导致大熊猫越来越依赖竹子生存。

  (大熊猫的起源及演化示意图 图片来源:四川省林业厅)

感知肉味的鲜味受体假基因化

大熊猫对食物的选择就像爱情一样,适合和真爱或许不能兼得……

为什么人会觉得吃肉很香?这是因为人的味觉能够感受到肉的鲜味,同样,动物吃肉也因为肉鲜香好吃。在大熊猫还是始熊猫的时候,也像北极熊或者棕熊一样喜欢吃肉。但是,正是因为环境的变化让大熊猫逐渐变成杂食动物,食素越来越多,导致大熊猫味觉基因中感知肉味的鲜味受体基因TAS1R1使用的越来越少,进而发生假基因化。

胡义波说:“假基因就是基因序列发生变化,不能编码正常的蛋白,也不能发挥正常的功能,但是这个假基因在基因组中却依旧存在,像是基因中的盲肠。与正常的鲜味受体基因相比,大熊猫的鲜味受体基因中插入了两个核苷酸,并缺失了10个核苷酸,这些变异导致DNA编码序列发生错乱,因此产生了这种假基因。”

有人认为,假基因化是一种退化,但是如果从适应大熊猫的饮食角度来说,TAS1R1假基因化也是一种进化,为了能让大熊猫更好地吃竹子。

  (现生大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)的头骨模型,示包括骇人的犬齿在内的各个牙齿。红色的部分是“裂齿”,右上作为参照的是宠物貂(Mustela putorius furo)的牙齿,它们都是食肉目的成员 图片来源:果壳网)

同时,大熊猫为了能更好地体会到竹子的味道,苦味受体基因变得更加重要。与四川大熊猫相比,秦岭大熊猫的苦味受体基因TAS2R49和TAS2R3受到显著正选择,推测可能与不同大熊猫栖息地竹叶中苦味物质含量多少有关。

“秦岭大熊猫主要吃竹叶,四川大熊猫主要吃竹叶和竹竿。负责苦味的味觉基因要比鲜味受体基因更复杂,因为苦味受体基因能够帮助植食动物分辨食物的好坏,食物中的苦味物质越多,就需要越多的苦味受体去感受。典型的植食动物的苦味受体相对比较发达,他们食谱中植物种类越广,感受苦味物质的苦味受体越多” ,胡义波说。

但有趣的是,大熊猫并没有真正的“忘本”,它们还是能吃肉的,并且消化系统依旧是肉食动物的“标配”。如果大熊猫吃肉,消化系统会将肉分解消化的非常彻底,肉中的蛋白质、脂肪、氨基酸都能充分吸收。可以明确地说,肉更适合作为大熊猫的食物,只是它们不爱吃。但是至于为什么大熊猫没有进化出能彻底消化竹子的肠道,科学目前无法给出一个确切的答案。

  (2011年11月9日,四川省平武县林业局红外线相机拍摄到大熊猫吃牛羚尸体照片,这是国内首次拍到大熊猫吃肉 图片来源:四川在线)

大熊猫为何不爱吃开花的竹子

由于竹子是一种低营养,高纤维物质的食物,大熊猫的肠道不能有效消化竹子纤维,它们会选择有限的几个竹种和生长期的竹子吃,是“挑食的宝宝”。

而挑食的首要原则是新鲜。竹笋是最新鲜的,含有大量蛋白质、糖和脂肪,所以大熊猫最爱吃竹笋,其次是嫩竹叶,竹杆的蛋白质含量就比较少了。

但是,好吃的竹笋只有夏天才有,到了有竹笋的时候,大熊猫会可着劲地吃,每天吃20小时,可达40千克!没有竹笋的时候,大熊猫只能凑合着吃嫩一些的竹竿和嫩叶,在吃竹杆的时候,大熊猫只喜欢吃竹杆中上比较嫩的部分,下半部分一般就直接扔掉了。

那么,为什么大熊猫不吃开花的竹子?因为竹子开花使竹鞭和竹秆保存的养分被花部吸收消耗,并且开花以后很快就会死亡,对竹类的影响很大,所以大熊猫就不喜欢了。

  (竹子开花 图片来自网络)

为了好好吃竹子,它们变得很懒

不过,大熊猫为了好好吃竹子也做出了许多改变,当然,这也要归功于现生大熊猫的祖先。

你有仔细观察过大熊猫吃竹子的视频或者动图吗?有没有发现大熊猫手握竹子的动作很娴熟?因为它进化出了一个看不到的伪拇指——大熊猫是六指,握竹子的那跟手指就是隐藏起来的伪拇指。

而且,大熊猫的牙齿也发生了变化,大熊猫的臼齿又大又平并且具有复杂的牙冠,这可以帮助其有效的磨碎竹叶表皮细胞获得细胞内容物,并且大熊猫头骨与其他熊类相比,具有极度扩张后的颧弓以及发达的下颌结构,使大熊猫获得了强大的咬合力,以便咀嚼坚硬的竹杆。

不吃肉又消化不好竹子的大熊猫必须要节省体力,于是它们更倾向于选择坡度较缓的原始森林,可以免了爬山的辛苦。它们一天中55%的时间用来觅食,41%的时间用来休息,并且日均移动距离仅300-500米。针对竹类食物资源营养的限制,为了确保能量摄入最大化,大熊猫则是通过加大每日食物摄入量来维持生长所需(10-18千克竹叶/杆或38千克竹笋)。

偷懒是大熊猫的强项,中国科学院动物研究所和英国阿伯丁大学等机构的研究表明,大熊猫每天消耗的能量远低于体型相近的陆生哺乳动物,已接近在“懒”界享有盛名的树懒。

  (听说有人说我帅? 图片来源:东方IC)

可以说,如今的大熊猫已经跟始熊猫大不相同,但变得更可爱的“滚滚”却因为人类活动而逐渐丧失栖息地和食物,一条分割开森林的公路都有可能阻碍了大熊猫的基因交流,毕竟它们不能像野猪或者袋鼠那样经常大摇大摆的过马路。好在如今在保护大熊猫方面取得的阶段性成就,大规模森林采伐已经被禁止,但是人们的道路建设以及沿路定居都使得大熊猫的栖息地分隔开并逐步减少。此外,旅游业、水电站、大规模采矿和环境污染等新的威胁出现都给大熊猫保护和管理带来了严峻的挑战。

大熊猫的数量是在野外数出来的吗?

依据2015年公布的调查结果显示,全国野生和圈养的大熊猫种群数量均有增长,其中野生大熊猫种群数量为1864只,圈养的大熊猫375只。

其实,看到第四次调查结果或许会产生一个疑问:为什么调查结果是1864只而不是多一只或者少一只?对于这种结果,北京大学生命科学学院工程师、动物学博士王大军表示这是不科学的。“一个科学的数据应该是一个数字±一个范围,这个范围在20%以内就算非常好的结果,在50%以内也是完全没问题的。因为调查在一定的时间和范围内进行,在一个时间段内,熊猫的数量就会因为生死发生变化。第二,调查永远都看不到全部,哪怕是人口调查都不能把人头计算成绝对数字。”

研究大熊猫并不代表一定要见到它们。王大军表示,大部分野生动物研究学者都没有亲眼见过他们研究的物种,因为动物在听到人远远的脚步声的时候就早早躲开了,所以研究野生动物更多需要依靠动物留下的痕迹,比如粪便、毛发、血液、体液等等。如果要亲眼见到这些野生动物,就需要科学家长时间生活、工作在野外,才能有更高的概率能看到它们。王大军甚至一年之中有10个多月都在野外做研究,所以,他不仅见到过野生大熊猫,还跟它们做成了朋友。

  (科考过程中遇到一只野生熊猫 供图:王大军)

咬节法:新鲜的大熊猫粪便有竹子的清香

普查大熊猫最常用的方法是咬节法,依据大熊猫排出粪便中竹节的齿宽和形状判断,如果齿宽和竹节长度、形状不一样,就能证明不是同一只大熊猫。在使用咬节法的同时要配合距离检测,如果发现的粪便与在直径200米以外的区域发现粪便的新鲜程度很相似,就可以推测是不同的熊猫在同一个时间段排出的,也可以认定是两个个体。

然后,要利用一定密度的痕迹来代表一定密度的大熊猫,在一定区域内,痕迹越多就说明大熊猫也越多。之后再根据部分取样,计算出整个区域大熊猫的数量。这也是现在中国大熊猫普查利用的方法,这也需要准确计量出中国大熊猫所有栖息地的面积。

大熊猫是一种以竹子为最主要食物来源的动物,但它们对竹子的消化能力较弱,所以导致几乎吃多少竹子就排出多少竹子,大熊猫的粪便里全是竹子。“大熊猫的粪便呈纺锤形,大约长度在10至15厘米之间,因为饮食结构的关系,在同一个区域里不可能有其他动物的粪便和大熊猫的粪便一样,利用大熊猫粪便的独特性用咬节法来计算数量,是具备优势的。遇到新鲜的大熊猫粪便掰开闻一闻,一点都不臭,是竹子的清香味。”王大军说。

  (竹香味的粪便 供图:罗春平)

DNA难做是因为新鲜粪便不好找

虽然咬节法是大熊猫普查最终结果的依据,但王大军并不认为这是最好的普查方法,王大军坦言,他对咬节法持保留意见。因为大熊猫的咬节会随着大熊猫不同年龄和状况发生改变,在长达几年的普查历程中,很难说用咬节法能准确地表明大熊猫的大致数目,但这个方法或许是目前仅能依靠的方法。

在第四次调查中,DNA调查手段第一次成为辅助调查手段,其实,使用DNA调查法才能得到更准确的结果。用DNA区分不同的大熊猫个体,不仅能明确区分“谁是谁”,还能通过检测Y染色体获得性别信息,并且在每次普查中具有延续性,可以知道哪些大熊猫在上次普查中就被查到了,哪些大熊猫是新发现的,从而得出一个更精确的数字。

但是,这种调查方法至今没有被普遍应用,胡义波认为,并非是DNA监测技术问题,相反,DNA监测技术就类似于做亲子鉴定一样,非常成熟,关键原因在于,使用DNA监测需要新鲜样本,但是新鲜样本不好找。

  (2011年5月10日,位于杜鹃海子区域的红外相机拍摄到一只野生大熊猫“嗅味树”的行为,即通过撒尿、抓扯树皮、屁股摩擦等,在路过的大树上做标记。四川卧龙自然保护区三江保护站供图)

新鲜样本指的是在一周以内的粪便,毛发等等,因为新鲜粪便的表层有一层肠粘膜分泌出的粘液,提取粘液可以检测出大熊猫的DNA。但是粪便的新鲜程度会随着温度和湿度的改变而改变,温度越低、湿度越低,越有利于新鲜粪便的保存。大熊猫是独居的动物,他们的活动密度很低,根据罗春平的介绍,陕西地区平均每2.5平方公里一只,四川因为栖息地面积比较大,可以达到4平方公里一只。所以,想要找到新鲜的粪便是一件难事。

“带回实验室后,用卫星分子标记(是均匀分布于真核生物基因组中的简单重复序列)的方法把识别遗传信息,从而区分不同个体。所以先从粪便中提取DNA,就像人抽血提取DNA一样,然后进行PCR扩增,也就是扩增熊猫DNA中的片段,依靠这些片段信息‘认识’不同的熊猫。”胡义波说,“目前,只能针对科研需求在小范围内集中收集DNA信息,因为面积小,收集人员也不必按照样线走。”

做DNA还可以利用肛门腺分泌的液体,需要在大熊猫的嗅味标记处寻找这些体液,在大熊猫的发情期更容易寻找,它们会在大树上蹭痒痒的时候把肛门腺液体和毛发留在树上。根据研究,大熊猫一般会选择胸径为37厘米左右的岷江冷杉蹭痒、做嗅味标记,96%的树皮粗糙或比较粗糙,肛周腺标记中心的高度在51.8±15.6厘米处。所以,普查人员就要重点注意这些树木,以更多地找到大熊猫留下的新鲜痕迹。

大熊猫第四次普查结束了,人们欣慰于大熊猫的数量在逐渐上升,但是对于大熊猫的关注与保护并没有结束,就如同王大军所说,人们对大熊猫的投入不会随着“降级”而减少。其实,大熊猫种群并不脆弱,只需要给它们足够数量健康成长的竹子吃就能满足它们大部分的需求,但想要做到这一点,或许还需要几代人的努力。

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[责任编辑:李鹭]
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