【菠萝科学奖】生物医学奖：为了吃竹子，熊猫们到底经历了啥？

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本文作者:芒果妖怪
                    

【菠萝科学奖】生物医学奖：为了吃竹子，熊猫们到底经历了啥？

6 X$ f+ ?, j' p  X* Q( M4 n/ T4 r9 [获奖团队：
# i+ q" T7 D9 c4 u中国科学院动物研究所的保护遗传学家魏辅文、胡义波及同事
& G" `8 P) O4 q' g/ q0 S- U
4 ?; T0 Y4 Q% Q+ h6 C7 q肉嘟嘟，圆滚滚，胖乎乎，一辈子最大的愿望就是照一张彩色照片…… 大熊猫憨态可掬的日常，似乎除了卖萌就是啃竹子。然而你可知道，为了自由自在地吃竹子，熊猫们都经历了什么……
! K3 C* t0 O. p. g& {多长一根手指，只为了抓紧你大熊猫作为熊科动物中的异类，不光是个素食主义者，还比其他的熊多长了一根手指——伪拇指。同样吃竹子的小熊猫也有这根伪拇指。不过，虽然都叫熊猫，但它们是八竿子都打不着的远房亲戚。四千多万年前，大熊猫和小熊猫就分别踏上了各自不同的演化之路。今天，大熊猫属于熊科，是其他熊类的近亲；而小熊猫和鼬是近亲。那么并不怎么亲近的两种“熊猫”，为什么都多长了根手指呢？ 当然是为了更方便地吃竹子！

【菠萝科学奖】生物医学奖：为了吃竹子，熊猫们到底经历了啥？

萌萌的熊猫掌。
这根手指其实并不是真的手指，而是增生膨大的腕部籽骨。因为大熊猫和小熊猫几乎都靠吃竹子为生，这根多出来的拇指能够帮助它们极其灵巧的抓取竹子。这其实是一种典型的趋同演化现象。趋同演化，简单来说，就是两种亲缘关系较远的动物，在适应相似的环境的过程中，演化过相同或相似的性状。
( F1 }  I: D6 J6 J; D% z5 o为了探明这两种熊猫趋同演化的遗传学机制，中国科学院动物研究所魏辅文研究团队对野生小熊猫进行了全基因组测序，并将结果发表在今年年初的美国科学院院刊上。研究人员在比对了小熊猫的基因组序列与重新组装的大熊猫的基因组序列之后，发现了70个在演化中经历了相同改变的基因。这其中就包括两个参与四肢发育的基因：DYNC2H1 和 PCNT。在小鼠和人类身上，这两个基因的突变能导致包括多指在内的骨骼和肌肉异常。研究人员推测，这两个基因很可能就是大小熊猫们多长一根手指的“幕后推手”。同时发现的，还有7个参与蛋白质消化和维生素吸收利用的基因也发生了相同的改变。这些基因的变化可能促进了熊猫们更有效率地吸收竹子中有限的营养。

【菠萝科学奖】生物医学奖：为了吃竹子，熊猫们到底经历了啥？

左-大熊猫和北极熊是近亲，而小熊猫的亲戚是鼬。右-小熊猫和大熊猫的前掌，灰色部分为伪拇指。图片来源：参考文献1
身体不够，微生物来凑虽然吃素，但从分类学来看，大熊猫却属于食肉目。它们拥有典型的食肉目动物的消化系统。大熊猫的肠道大概是身体的4倍长，这和普通的食肉目动物（比如阿猫阿狗）差不多；相对的，植食性动物，比如野牛或者羊驼，它们的消化道往往是身体的10-20倍。
但是，胃肠道也只是食物消化能力的一个因素，还有一个非常重要的因素，一直被忽视，直到近年才开始备受关注：肠道微生物。动物身上生活着数以十亿计的微生物。以人类为例，体表和体内生活的微生物数量比人体细胞总量的10倍还要多。动物吃下去的食物，在进入肠道之后，会在微生物的代谢作用下，分解出更多的营养物质进入消化系统，因此食物消化和营养的吸收和肠道微生物息息相关。对于肉食性动物来说，食物中包含大量的蛋白质，能够比较容易地被分解为氨基酸并进一步吸收；而植食性动物吃下去的植物中包含大量动物消化系统无法消化的纤维素，因此要依赖共生的肠道微生物，需要靠它们将纤维素分解后才能吸收其中的营养。
9 P8 l+ M5 y( s9 h" x2011年魏辅文研究团队另外一项同样发表在美国科学院院刊上的研究发现，和植食性动物相似，野生大熊猫肠道中有大量的厚壁菌门细菌。厚壁菌门，尤其是其中梭菌纲的很多细菌，都具有分解纤维素的能力。此外，这项研究还对提取的大熊猫肠道微生物的基因进行了鉴定分析，发现了消化纤维素和半纤维素的基因。大熊猫肠道微生物整体的基因功能和牛，小袋鼠，白蚁以及人类类似，但比起植食性动物，大熊猫纤维素酶和内源性半纤维素酶的基因丰度是最低的。这说明大熊猫的肠道微生物虽然在一定程度上适应了它们以竹子为主的食性，但对植物中营养的利用率还是比不上“血统纯正”的植食性动物。
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【菠萝科学奖】生物医学奖：为了吃竹子，熊猫们到底经历了啥？

熊猫：就爱吃竹子 。
尽管多出一根拇指能灵巧地抓住竹子送进嘴巴，再加上肠道菌群的帮忙，让野生大熊猫在良好自然的生境中只靠竹子就能健康地成长和繁衍。但消化效率低下仍然使得野生大熊猫每天需要花费几乎一半的时间来进食竹子，保证营养的供给。不过可喜的是，据调查统计，2016年野生大熊猫已达到1864只，而圈养的大熊猫有464只。基于大熊猫保护取得的成绩，国际自然保护联盟也在2016年将大熊猫的濒危等级从“濒危”降为“易危”，但仍属还需保护的物种。
% V8 ]+ j# ?& N6 c6 ?6 r注：国际自然保护联盟定义受威胁的物种包括：极度濒危，濒危，易危三个级别，都属于我们平常说的“濒危物种”，或者“濒危动物”。大熊猫降级降的是濒危等级，但仍是受威胁物种，仍是需要保护的濒危动物。
参考文献：

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.        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.        "2016年我国人工繁育大熊猫种群总数已达464只" 新浪新闻中心 (2017) http://news.sina.com.cn/o/2017-01-12/doc-ifxzqhka2759658.shtml

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