为什么大熊猫爱滚马粪?科学家终于搞清楚了

他们在论文中为大熊猫的“滚马粪”行为赋予了标准化定义,甚至还给这个行为起了一个学术缩写名称:HMR。大熊猫们途经新鲜马粪时几乎无法抗拒这种诱惑,它们在新鲜马粪中进行翻滚仪式的次数显著高于陈旧马粪。研究团队十多年前发现的大熊猫“迷惑行为”似乎终于有了答案:滚马粪是它们为了抵御严寒发展出的生存策略。

十多年前,一群科学家在野外工作时无意中发现了大熊猫的一个怪癖:它们喜欢在马粪里打滚,还喜欢用熊掌把马粪尽可能地涂抹在自己的身体表面。最近,这些学者终于找到了这种“迷惑行为”背后的真正含义。本文来自微信公众号:科研圈(ID:keyanquan),作者:李姗珊,编辑:魏潇,原标题《大熊猫怪癖登上PNAS:遇见新鲜马粪就走不动路,原因竟然是……》头图来自:Unsplash

当来自美国杜克大学的野生动物生态学家和动物行为学家 Aleah Bowie 收到一封采访邮件,希望她对一项新研究发表看法的时候,她的第一个想法是:“这是诈骗邮件么?”

这封邮件里的新研究报告了野生秦岭大熊猫喜欢在马粪中打滚的“迷惑行为”,并进一步寻找到了有关的分子机制。该研究来自中国科学院魏辅文团队,于 12 月 7 日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

大熊猫的马粪打滚行为

魏辅文和同事们第一次注意到了大熊猫对马粪的“特殊爱好”,是在 2007 年[1]。他们在陕西佛坪自然保护区工作时发现,新鲜的马粪对野生大熊猫有一种独特的吸引力。途经新鲜马粪时,它们不但会仔细嗅闻,还会在其中翻滚,让自己的脸和身体都均匀地涂上马粪。更重要的是,这似乎不是大熊猫的一时兴起。

为什么大熊猫爱滚马粪?科学家终于搞清楚了

图1. 野外的秦岭大熊猫在马粪中打滚的录像。你品,你细品

研究者在佛坪自然保护区内架设了红外摄像机,从 2016 年 7 月到 2017 年 6 月,该摄像机共记录了 38 次“滚马粪”行为,每次活动的平均时长为 141.3 秒。这证明了研究者们此前的猜想。他们在论文中为大熊猫的“滚马粪”行为赋予了标准化定义,甚至还给这个行为起了一个学术缩写名称:HMR(horse manure rolling)

为什么大熊猫爱滚马粪?科学家终于搞清楚了

图2. A为自然保护区内的马粪积累;B 为大熊猫的 HMR 行为图示;C 为野外拍摄的大熊猫 HMR 行为,持续时间约为 8 分钟。

滚马粪的理由

通过分析摄像数据,研究团队发现,大熊猫们不是什么样的马粪都滚,它们更偏爱在空气中暴露时间低于 10 天的新鲜马粪。大熊猫们途经新鲜马粪时几乎无法抗拒这种诱惑,它们在新鲜马粪中进行翻滚仪式的次数显著高于陈旧马粪。

新鲜马粪的魔法来自何处呢?研究团队对新老两组马粪进行了化学分析,发现 β-石竹烯(β-caryophyllene, BCP)和氧化石竹烯(caryophyllene oxide, BCPO)两种倍半萜类物质在新鲜马粪中的含量更高,这可能是吸引大熊猫的关键。

为了验证这个假设,研究者们把目光对准了北京动物园中的大熊猫。他们为熊猫模拟了三种稻草制作的“人工粪堆”,分别喷洒了 BCP/BCPO 混合物、脂肪酸和水。研究发现,在 8℃ 的环境中,北京动物园里圈养的大熊猫也对 BCP/BCPO 组的稻草堆表现出了明显的偏爱,在这种稻草堆上进行了时间更长、次数更频繁的 HMR 行为。

大熊猫对马粪中化合物无法自拔的原因,似乎与季节变化有关:研究团队发现,在长达一年的影像追踪记录中,野生大熊猫只在 11 月到 4 月之间出现 HMR 行为。进一步分析显示,94.7% 的 HMR 行为发生在 -5℃ 到 15 ℃ 的环境中。研究团队因此推测,HMR 可能是大熊猫们对寒冷气温的一种应对方式。

 

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图3. 左图显示了 HMR 行为次数、耗时与月份之间的关系,右图为 HMR 行为与环境温度之间的关系

由于实验对象(大熊猫)数量有限,为了验证这个假设,研究团队选择了小鼠作为替代。他们发现,相比于涂抹盐水的小鼠,涂抹了 BCP/BCPO 的小鼠更愿意呆在低温环境中,并且在寒冷气温(4 °C)下还表现出了更少的“抱团(huddling)” 等应对寒冷的行为表现。

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图4. 上图为经过盐水处理的小鼠,下图是经过 BCP/BCPO 处理的小鼠。下图小鼠更频繁地在右侧寒冷区域(10°C)活动。

一系列实验都证明,大熊猫的 HMR 行为不仅不是一种巧合,还可能存在抗寒的功能意义。此外,“抗寒物质”能够降低多种哺乳动物对寒冷的感受性,或许表明了这些物质能从分子层面对寒冷感受产生影响。为了探究 BCP/BCPO 是如何帮助动物抵御寒冷的,团队进一步对其中的分子机制做了探讨。

“抗冷物质”的分子机制

动物进行温度感知,需要通过皮肤上的温度感受器进行信号传递。上世纪九十年代后期,科学家发现了温敏瞬时受体电位通道(thermosensitive transient receptor potential channels,thermo-TRPs)的分子超家族(superfamily of molecules)[2]。这些位于细胞膜上、发挥通道作用的蛋白质会随着温度变化而打开和关闭,通过控制离子进出细胞,决定冷(热)信号向中枢神经系统的传输。

马粪中的“抗冷物质”是不是通过这种方式钝化了熊猫对寒冷的感受呢?大熊猫基因组包含该物种编码功能性蛋白的基因全序列,研究者利用这些基因信息,对大熊猫的温度感受器(蛋白质)进行了功能性分析,发现 BCP/BCPO 混合物可以与大熊猫 TRP 超家族中的冷敏感通道蛋白 TRPM8 结合。为了更好地证明 TRPM8 在 HMR 行为中的确实发挥了作用,研究者在人类胚肾细胞(human embryonic kidney 293,HEK 293)中表达了这种能够感知温度的通道蛋白,低温下它能被激活,而 BCP/BCPO 与它结合后,则会抑制它对低温的反应。

研究团队十多年前发现的大熊猫“迷惑行为”似乎终于有了答案:滚马粪是它们为了抵御严寒发展出的生存策略。寒冬对野外生存的大熊猫而言是一个挑战,它们无法通过冬眠来保暖,竹子似乎也提供不了足够用来御寒的能量。恰好,秦岭大熊猫的生存环境与古代的商业贸易路线重合,这个区域不乏运货马匹留下的马粪。长此以往,秦岭大熊猫的族群逐渐习得了这样一种御寒方式。研究团队解释,此前不少来自企鹅、仓鼠等动物研究证明,TRPM8 的温度调节作用是生命为了适应低温而演化出的调控机制[3,4]。此次的实验或许也为动物针对温度条件产生的演化行为做出了证明。

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图5. 古代的通商路线(A)与熊猫们可能出现的地方(B)。

参考文献:

[1]https://cn.nytimes.com/science/20201208/pandas-horse-poop/

[2]https://phys.org/news/2019-10-images-glimpse-skin-temperature.html

[3]V. Matos-Cruz et al., Molecular prerequisites for diminished cold sensitivity in ground squirrels and hamsters. Cell Rep. 21, 3329–3337 (2017). 

[4]S. Yang et al., A paradigm of thermal adaptation in penguins and elephants by tuning cold activation in TRPM8. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 8633–8638 (2020).

本文来自微信公众号:科研圈(ID:keyanquan),作者:李姗珊

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