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

憨態(tài)可掬的“國寶”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就是以竹子為食的，其實幾百萬年前，大熊貓的祖先卻是食肉猛獸。

大熊貓是如何從食肉動物變成專吃竹子的素食動物的呢？人類又是如何幫助大熊貓走出瀕危狀況的呢?中國科學院院士、中國科學院動物研究所魏輔文領(lǐng)銜的研究團隊給出了科學答案，并為大熊貓保護提供了行之有效的方案，他們完成的“大熊貓適應性演化與瀕危機制研究”項目榮獲2019年國家自然科學獎二等獎。

針對大熊貓如何適應低營養(yǎng)的竹子這一問題，魏輔文團隊利用多種技術(shù)手段和研究方法開展了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了大熊貓在形態(tài)、遺傳、行為、生理和腸道微生物等方面對竹子產(chǎn)生的一系列適應。

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

進一步研究發(fā)現(xiàn)，為了適應低營養(yǎng)素的竹子，大熊貓采取了多吃、多消化、少運動等策略，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“挑食”，并不是什么竹子都吃，它們往往會選擇那些營養(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養(yǎng)和能量。

光多吃還不夠，大熊貓還會盡可能提高竹子的利用效率。研究顯示，大熊貓不僅僅會利用所攝入竹子的90%以上的蛋白質(zhì)和脂肪，而且還會利用其中約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，促進脂類代謝，而且還會隨著季節(jié)不同而變化，以適應大熊貓在不同季節(jié)食用的竹子的營養(yǎng)成分變化，這就是大熊貓吃竹子也能長胖的奧秘。

竹子充足當然好，萬一碰上食物匱乏的時候呢？所以大熊貓還有另一種適應性演化，即盡量減少能量消耗，其中最直接的辦法是減少活動量。大熊貓有一半以上時間都在休息，而且野生大熊貓的每小時平均移動距離不超過20米，當然并非大熊貓?zhí)焐粣圻\動，只是它們似乎已明白，營養(yǎng)來之不易，不能隨便浪費。除了減少運動行為，它們在生理上也沒少“想轍”，例如大熊貓的肝臟、腎臟等器官也在演化過程中逐漸縮小，以進一步減少能量消耗；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。這些適應性演化導致大熊貓的能量代謝水平非常低，幾乎可與行動遲緩的樹懶一爭高下。

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

進一步研究發(fā)現(xiàn)，近現(xiàn)代人類活動加劇，導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環(huán)境的變化，而主要是人類活動造成的。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險。因此，研究人員推動圈養(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，從而降低瀕危風險。

值得一提的是，在研究大熊貓適應性演化和瀕危機制過程中，研究人員很多時候要借助分子遺傳學技術(shù)，這就需要采集大熊貓的DNA，但由于野生大熊貓活動范圍較大，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胞DNA進行遺傳分析，可準確識別大熊貓個體，這種方法已被廣泛用于全國野生大熊貓的調(diào)查和種群監(jiān)測。

魏輔文院士團隊的上述研究成果，為我國大熊貓保護提供了理論和實踐指導，為我國大熊貓從“瀕?！苯禐椤耙孜！钡燃壸龀隽酥匾暙I。

（文：中關(guān)村國科現(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：蘭州大學生態(tài)學院研究員 趙序茅）

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