每周科技串讲｜大熊猫是如何从食肉动物转变为“素食者”的？

憨态可掬的“国宝”大熊猫深受人们喜爱，它们慢条斯理吃竹子的样子也让人印象深刻。很多人以为大熊猫本来就是以竹子为食的，其实几百万年前，大熊猫的祖先却是食肉猛兽。

大熊猫是如何从食肉动物变成专吃竹子的素食动物的呢？人类又是如何帮助大熊猫走出濒危状况的呢?中国科学院院士、中国科学院动物研究所魏辅文领衔的研究团队给出了科学答案，并为大熊猫保护提供了行之有效的方案，他们完成的“大熊猫适应性演化与濒危机制研究”项目荣获2019年国家自然科学奖二等奖。

针对大熊猫如何适应低营养的竹子这一问题，魏辅文团队利用多种技术手段和研究方法开展了系统研究，发现了大熊猫在形态、遗传、行为、生理和肠道微生物等方面对竹子产生的一系列适应。

在形态上，大熊猫与同样以竹子为食的小熊猫一样都进化出了便于抓握竹子的伪拇指。在遗传上，通过基因组分析显示，大熊猫与小熊猫都出现了类似的基因变化，以适应伪拇指发育、从竹子中吸收营养等需求，其中一个感受肉类鲜味的受体基因变成了没有功能的假基因，而其他食肉动物的基因则仍然保留正常功能。

进一步研究发现，为了适应低营养素的竹子，大熊猫采取了多吃、多消化、少运动等策略，所以我们看到的大熊猫都是圆滚滚、慢悠悠的。大熊猫首先采取的策略是大量觅食，而且还会“挑食”，并不是什么竹子都吃，它们往往会选择那些营养最优的竹子种类，从竹笋、竹叶及基径适中的竹茎中最大限度地获取足够的营养和能量。

光多吃还不够，大熊猫还会尽可能提高竹子的利用效率。研究显示，大熊猫不仅仅会利用所摄入竹子的90%以上的蛋白质和脂肪，而且还会利用其中约8%的纤维素和27%的半纤维素。但是，大熊猫的消化道本身并不分泌分解纤维素和半纤维素的酶类，其秘诀在于它们的胃肠道内存在大量可消化纤维素的肠道微生物，这些微生物能产生很多分解纤维素和半纤维素的酶类，促进脂类代谢，而且还会随着季节不同而变化，以适应大熊猫在不同季节食用的竹子的营养成分变化，这就是大熊猫吃竹子也能长胖的奥秘。

竹子充足当然好，万一碰上食物匮乏的时候呢？所以大熊猫还有另一种适应性演化，即尽量减少能量消耗，其中最直接的办法是减少活动量。大熊猫有一半以上时间都在休息，而且野生大熊猫的每小时平均移动距离不超过20米，当然并非大熊猫天生不爱运动，只是它们似乎已明白，营养来之不易，不能随便浪费。除了减少运动行为，它们在生理上也没少“想辙”，例如大熊猫的肝脏、肾脏等器官也在演化过程中逐渐缩小，以进一步减少能量消耗；厚重的皮毛也可以减少热量流失，以至于它们的体表温度较低。这些适应性演化导致大熊猫的能量代谢水平非常低，几乎可与行动迟缓的树懒一争高下。

还有人认为它们为了节省能量，不爱运动，甚至导致种群繁殖效率低下，对此，魏辅文院士团队的研究否定了这种猜测。研究人员通过第二代高通量测序技术和种群基因组学方法，发现现存大熊猫分为三个遗传种群，即秦岭、岷山和邛崃·相岭·凉山种群，每个亚种群均具有较高的遗传多样性，具备长期存续的演化能力和较高的遗传多样性，暂时不存在濒危风险。历史上，这些种群曾经历了两次扩张、两次瓶颈和两次分歧，而第四纪气候变化则是其种群波动和分化的主因，特别是末次冰期及全新世以来人类活动致使其种群数量严重下降以至濒危，间冰期的出现又为大熊猫种群的扩张创造了条件。

进一步研究发现，近现代人类活动加剧，导致野生大熊猫栖息地出现碎片化，其种群被人类有意或无意地分成了更小的群体，这些小群体的遗传多样性大幅降低。由此可知现在大熊猫种群数量稀少并非是其自身不能适应环境的变化，而主要是人类活动造成的。如果不加以改变，一些野生大熊猫遗传群体将面临濒危甚至灭绝的风险。因此，研究人员推动圈养大熊猫的放归，并建议在不同的大熊猫栖息地之间修建生态廊道，为被公路或铁路等人为隔开的小种群重新建立联系，以利于它们之间的遗传交流，从而降低濒危风险。

值得一提的是，在研究大熊猫适应性演化和濒危机制过程中，研究人员很多时候要借助分子遗传学技术，这就需要采集大熊猫的DNA，但由于野生大熊猫活动范围较大，行踪不定，它们的DNA很难采集，因此研究人员发明了一种非损伤性遗传分析技术体系，即利用大熊猫脱落在粪便中的肠道细胞DNA进行遗传分析，可准确识别大熊猫个体，这种方法已被广泛用于全国野生大熊猫的调查和种群监测。

魏辅文院士团队的上述研究成果，为我国大熊猫保护提供了理论和实践指导，为我国大熊猫从“濒危”降为“易危”等级做出了重要贡献。

（文：中关村国科现代农业产业科技创新研究院 研究馆员 汤波 把关专家：兰州大学生态学院研究员 赵序茅）

中国科协科普部

新华网

联合出品