【菠蘿科學獎】生物醫學獎：為了吃竹子，熊貓們到底經歷了啥？

獲獎團隊：

中國科學院動物研究所的保護遺傳學家魏輔文、胡義波及同事

肉嘟嘟，圓滾滾，胖乎乎，一輩子最大的願望就是照一張彩色照片…… 大熊貓憨態可掬的日常，似乎除了賣萌就是啃竹子。然而你可知道，為了自由自在地吃竹子，熊貓們都經歷了什麼……

多長一根手指，只為了抓緊你

大熊貓作為熊科動物中的異類，不光是個素食主義者，還比其他的熊多長了一根手指——偽拇指。同樣吃竹子的小熊貓也有這根偽拇指。不過，雖然都叫熊貓，但它們是八竿子都打不著的遠房親戚。四千多萬年前，大熊貓和小熊貓就分別踏上了各自不同的演化之路。今天，大熊貓屬於熊科，是其他熊類的近親；而小熊貓和鼬是近親。那麼並不怎麼親近的兩種「熊貓」，為什麼都多長了根手指呢？ 當然是為了更方便地吃竹子！

萌萌的熊貓掌。

這根手指其實並不是真的手指，而是增生膨大的腕部籽骨。因為大熊貓和小熊貓幾乎都靠吃竹子為生，這根多出來的拇指能夠幫助它們極其靈巧的抓取竹子。這其實是一種典型的趨同演化現象。趨同演化，簡單來說，就是兩種親緣關係較遠的動物，在適應相似的環境的過程中，演化過相同或相似的性狀。

為了探明這兩種熊貓趨同演化的遺傳學機制，中國科學院動物研究所魏輔文研究團隊對野生小熊貓進行了全基因組測序，並將結果發表在今年年初的美國科學院院刊上。研究人員在比對了小熊貓的基因組序列與重新組裝的大熊貓的基因組序列之後，發現了70個在演化中經歷了相同改變的基因。這其中就包括兩個參與四肢發育的基因：DYNC2H1 和 PCNT。在小鼠和人類身上，這兩個基因的突變能導致包括多指在內的骨骼和肌肉異常。研究人員推測，這兩個基因很可能就是大小熊貓們多長一根手指的「幕後推手」。同時發現的，還有7個參與蛋白質消化和維生素吸收利用的基因也發生了相同的改變。這些基因的變化可能促進了熊貓們更有效率地吸收竹子中有限的營養。

左-大熊貓和北極熊是近親，而小熊貓的親戚是鼬。右-小熊貓和大熊貓的前掌，灰色部分為偽拇指。圖片來源：參考文獻1身體不夠，微生物來湊

雖然吃素，但從分類學來看，大熊貓卻屬於食肉目。它們擁有典型的食肉目動物的消化系統。大熊貓的腸道大概是身體的4倍長，這和普通的食肉目動物（比如阿貓阿狗）差不多；相對的，植食性動物，比如野牛或者羊駝，它們的消化道往往是身體的10-20倍。

但是，胃腸道也只是食物消化能力的一個因素，還有一個非常重要的因素，一直被忽視，直到近年才開始備受關註：腸道微生物。動物身上生活著數以十億計的微生物。以人類為例，體表和體內生活的微生物數量比人體細胞總量的10倍還要多。動物吃下去的食物，在進入腸道之後，會在微生物的代謝作用下，分解出更多的營養物質進入消化系統，因此食物消化和營養的吸收和腸道微生物息息相關。對於肉食性動物來說，食物中包含大量的蛋白質，能夠比較容易地被分解為氨基酸並進一步吸收；而植食性動物吃下去的植物中包含大量動物消化系統無法消化的纖維素，因此要依賴共生的腸道微生物，需要靠它們將纖維素分解後才能吸收其中的營養。

2011年魏輔文研究團隊另外一項同樣發表在美國科學院院刊上的研究發現，和植食性動物相似，野生大熊貓腸道中有大量的厚壁菌門細菌。厚壁菌門，尤其是其中梭菌綱的很多細菌，都具有分解纖維素的能力。此外，這項研究還對提取的大熊貓腸道微生物的基因進行了鑒定分析，發現了消化纖維素和半纖維素的基因。大熊貓腸道微生物整體的基因功能和牛，小袋鼠，白蟻以及人類類似，但比起植食性動物，大熊貓纖維素酶和內源性半纖維素酶的基因丰度是最低的。這說明大熊貓的腸道微生物雖然在一定程度上適應了它們以竹子為主的食性，但對植物中營養的利用率還是比不上「血統純正」的植食性動物。

熊貓：就愛吃竹子 。

儘管多出一根拇指能靈巧地抓住竹子送進嘴巴，再加上腸道菌群的幫忙，讓野生大熊貓在良好自然的生境中只靠竹子就能健康地成長和繁衍。但消化效率低下仍然使得野生大熊貓每天需要花費幾乎一半的時間來進食竹子，保證營養的供給。不過可喜的是，據調查統計，2016年野生大熊貓已達到1864隻，而圈養的大熊貓有464隻。基於大熊貓保護取得的成績，國際自然保護聯盟也在2016年將大熊貓的瀕危等級從「瀕危」降為「易危」，但仍屬還需保護的物種。（編輯：明天）

註：國際自然保護聯盟定義受威脅的物種包括：極度瀕危，瀕危，易危三個級別，都屬於我們平常說的「瀕危物種」，或者「瀕危動物」。大熊貓降級降的是瀕危等級，但仍是受威脅物種，仍是需要保護的瀕危動物。

參考文獻：

1. Hu, Yibo, et al. "Comparative genomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and red pandas." Proceedings of the National Academy of Sciences 114.5 (2017): 1081-1086.
2. Zhu, Lifeng, et al. "Evidence of cellulose metabolism by the giant panda gut microbiome." Proceedings of the National Academy of Sciences 108.43 (2011): 17714-17719.
3. "2016年我國人工繁育大熊貓種群總數已達464隻" 新浪新聞中心 (2017) http://news.sina.com.cn/o/2017-01-12/doc-ifxzqhka2759658.shtml

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