你吸的大熊猫,可能刚从粪里滚出来

以下文章来源于环球科学 ,作者环球科学

近日,一项发表于 PNAS 杂志的研究详述了大熊猫在马粪里打滚的奇怪癖好。这项横跨 13 年的研究刨根问底,利用行为和电生理实验,揭示了马粪里打滚这一行为背后的神经机制。

– Pixabay –

大熊猫喜欢用马粪洗澡,这早已不是什么新奇事。2007 年,中国科学院动物研究所的魏辅文团队就观察到秦岭大熊猫(Ailuropoda melanoleuca qinlingensis)喜欢用马粪洗澡。这种行为也被称作滚马粪(horse manure rolling,简称 HMR)。观察到 HMR 行为的魏辅文对这种行为感到难以置信,于是决定在佛坪自然保护区的熊猫领地内架设红外摄影机,记录大熊猫的 HMR 行为。

红外摄影机在佛坪记录到的大熊猫 HMR 行为

Zhou et al., PNAS

结果证明,在马粪里打滚可不是大熊猫一时兴起,没事找事,而是一种频繁发生的行为。光是从 2016 年 7 月到 2017 年 6 月,摄影机就记录下了 38 次 HMR 行为,平均每次在 2 分钟以上。马粪里打滚可不容随意:首先,马粪得是新鲜的,越新鲜越好,十多天前拉下的马粪在大熊猫眼里就没什么价值了;其次,大熊猫得先闻闻这堆马粪,再用脸颊轻扫粪堆,最后才会在马粪中完全放纵自己——用马粪覆盖全身,一处都不能放过。

图 A:红色虚线为马粪堆,熊猫在 7 天老的马粪里打滚。

图 B:大熊猫 HMR 行为示意图。HMR 行为包含嗅、滚、蹭、抹四个步骤。

Zhou et al., PNAS;翻译制图:阿莫東森

粪便可不卫生,许多致病菌和寄生虫都可藏身其中。因此,包括人类在内的大部分动物对粪便是能躲就躲——但大熊猫明显不在这些动物之列。京都大学的认知生态学家塞茜尔 · 萨拉比安(C é cile Sarabian)指出:” 行为的背后是各种妥协。” 她认为,在马粪中打滚给大熊猫带来的利处,必定大于其弊处。

魏辅文团队自然也是这么认为的。但 HMR 行为究竟给大熊猫带来了什么利处呢?带着这个问题,他们决定刨根问底。

” 抗冷分子 “

魏博士的团队决定从记录到的影像开始分析,并将目光集中在了大熊猫对新鲜马粪的偏爱上:既然大熊猫更喜欢新鲜马粪,那么它们跟陈旧的马粪肯定有明显区别。利用气相色谱法 – 质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry,简称气质联用)技术,研究团队可以精准分析特定物质在样本中的丰度。在马粪的各种挥发物和半挥发物中,研究团队通过气质联用注意到两种特殊的倍半萜(sesquiterpene)类分子:β – 石竹烯(β -caryophyllene,BCP),以及其氧化产物——氧化石竹烯(β -caryophyllene oxide,简称 BCPO)。这两种分子主要存在于植物中,在陈旧马粪中,BCP 和 BCPO 的水平都低至近乎无法测得,而新鲜马粪中的 BCP/BCPO 含量则相对较高。

确认了 BCP/BCPO 的特殊性后,魏辅文团队决定利用北京动物园内的大熊猫做实验,来检验这两种分子是否对大熊猫有独特的吸引力。在三堆杂草上,研究人员分别抹上了 BCP/BCPO、脂肪酸和纯水,并静候大熊猫的光临。果不其然,涂抹了 BCP/BCPO 的杂草堆更受大熊猫欢迎,其中一只大熊猫甚至在这堆杂草中打滚了 6 分钟之久。相比之下,大熊猫与另外两堆杂草的 ” 互动 ” 就短得多,平均连 10 秒都不到。

那么,BCP 和 BCPO 对大熊猫的吸引力从何而来呢?魏博士团队发现,相比其他月份,大熊猫在 11 月到来年 4 月的 HMR 行为会持续更久,而这些月份的温度通常更低。通过分析红外摄像机记录的环境温度,研究团队发现大熊猫的 HMR 行为只会在 -5~20 ℃出现,其中 94.7% 都发生于 -5~15 ℃间。在最冷的 1 月和 2 月初,研究人员总共观察到了 20 次 HMR 行为,与其他时候形成了强烈对比。

左图:大熊猫在 11 月到 4 月间呈现出频繁的 HMR 行为,频率和时长都与环境温度相关。

右图:BCP/BCPO 涂抹的小鼠在冷板上停留的时间更长。

这样看来,BCP/BCPO 或许与大熊猫的温度感觉有关——没准,把 BCP 和 BCPO 涂在身上,能让大熊猫感觉更暖?可是用大熊猫做实验极其困难,要得到支持这一点的证据,魏辅文团队还得用回生物界最常见的模式生物——小鼠。他们给小鼠提供了一热(28 ℃)一冷(10 ℃)的 2 块板子,并将 BCP/BCPO 涂抹在一组小鼠的前爪上,另一组则抹上了盐水,作为对照组。小鼠的行为符合他们的假设:涂抹了 BCP/BCPO 的小鼠更乐意待在冷板上,而涂抹了盐水的小鼠则喜欢待在热板上,并经常 ” 抱团取暖 “。

从实验结果看,BCP 和 BCPO 对大熊猫的吸引力,估计就来自其帮助动物 ” 抗冷 “的特性。然而,魏辅文团队决定刨根问底:BCP/BCPO 的这个特性,到底从何而来?

感受温度的关键

动物的皮肤上密布着温度感受器,这些感受器会表达各种各样的受体。其中,对温度感受至关重要的温敏瞬时受体电位通道(thermosensitive transient receptor potential channel,简称 thermo-TRP)会在环境中出现温度变化时,将温度变化转导为电信号,从而将外界温度 ” 告知 ” 动物的中枢神经系统。例如,当外界传来高于 52 ℃的刺激时,TRPV2 通道就会打开,从而激活相应的温度感受器,向中枢神经系统传输 ” 烫 ” 的信息。

左图:TRP 通道家族的演化树。来源:Himmel & Cox, Proc. R. Soc. B

右图:温敏 TRP 受体的敏感温段。其中 TRPV2 对 52 ℃以上温度敏感,而 TRPM8 对 25 ℃以下温度敏感。

Himmel & Cox, Proc. R. Soc. B;Kashio & Tominaga, Channels

大熊猫或许不熟悉高于 52 ℃的刺激,但在 -5~20 ℃的冬天,环境温度可能激活了大熊猫皮肤上的另一种 TRP 受体—— TRPM8。这种受体对薄荷醇(menthol)和冰素(icilin)都有反应,并负责向大脑传达 ” 冷 ” 的信息。魏辅文团队认为,抑制 TRPM8 受体,可能就是 BCP/BCPO 对大熊猫吸引力的源头。功能性分析结果显示,这种猜测不无道理:BCP/BCPO 确实会与大熊猫的 TRPM8 受体选择性互动,而其他 TRP 蛋白家族的受体则不受 BCP/BCPO 的青睐。

要想进一步研究 TRPM8 和 BCP/BCPO 互动的特殊性,研究团队需要尽可能清晰地记录在与 BCP/BCPO 互动时,TRPM8 受体的电活动。经典的膜片钳(patch-clamp)技术提供了这样的机会。利用单通道膜片钳,研究人员可以记录单个离子通道在不同情况下的状态。他们先用薄荷醇激活了 TRPM8 受体,并随后分别加入了 BCPO 和 BCP 分子。不出意料,BCP 和 BCPO 都能抑制 TRPM8 受体,部分抵消了薄荷醇对该受体的激活效应。不仅如此,这两种分子还能抑制直接用低温激活 TRPM8 的受体。

左图:BCPO 和 BCP 都能部分抵消薄荷醇造成的 TRPM8 通道激活。

右图:BCPO 能抵消低温诱导的 TRPM8 通道激活。

至此,魏辅文带领的研究团队终于攻破了大熊猫喜爱滚马粪的谜团:这是一种由寒冷激发的行为,其背后的机制是新鲜马粪中的 BCP/BCPO 对 TRPM8 受体的抑制作用。这横跨 13 年的故事,展现了科学研究中的一项重要原则。正如魏辅文等人在论文中所写,是通过将 ” 机缘巧合 ” 的发现,转化为对有趣问题的 ” 理性分析 “,他们才得以阐明大熊猫独特的 HMR 行为。

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