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魏輔文研究组揭示大熊猫食性特化的营养机制

  大熊貓因其憨態可掬的形象深受人們喜愛,也因其極度瀕危的現狀而備受關注。由于其獨特的生物學特征和漫長的演化曆史,大熊貓也一直是保護生物學和演化生物學研究的理想模型。大熊貓雖然以竹子爲食,但在分類上卻屬于食肉目動物,其食性在漫長的演化曆程中發生了高度特化,即由食肉逐漸轉變爲以各種高纖維低能量的竹子爲食。前期的研究表明,大熊貓已經産生了一系列與食竹相關的特征:如低能量消耗特征適應其低能量食物,腸道微生物幫助消化利用部分纖維物質,寬大的顴弓和發達的臼齒有利于咀嚼高纖維食物,獨特的僞拇指便于取食時抓握竹子,鮮味受體基因的假基因化顯示其由肉食向植食的轉變等等。而另一方面,大熊貓仍然保留許多食肉動物的特征:如具有典型的食肉動物消化道結構,腸道微生物組成在整體上仍與食肉動物的相似,具有食肉動物相似的消化酶等等。動物對食物資源的利用主要包括食物處理和營養吸收兩個層面,而上述特征表明,大熊貓在營養消化水平上對竹子這類食物似乎並未産生很好的適應性。 

  關于動物覓食策略有很多理論簣D僬f,如能量最大化理論、蛋白質最大化理論等等,這些理論簣D僬f多關注于某一類營養物質對動物覓食策略的影響,而越來越多的研究表明,食物中各類營養物質的組成對動物的覓食選擇具有重要作用。近年來,在這一理論基礎上發展創建的幾何營養模型,爲揭示野生動物的覓食策略和營養需求之間的關系,以及動物對食物資源的生態適應性提供了新的思路和方法。以此爲背景,近期又有關于營養生態位理論的研究認爲,傳統的根據食物類型的劃分可能會産生一些誤差,由于動物的許多生態學特征和功能主要由食物中的營養物質決定,而在食物水平和營養水平的劃分上可能會出現不一致的情況。那麽,對大熊貓特化的植食性和其食肉動物的解剖及生理屬性之間的這種看似相互矛盾的特征的解釋,是否可能存在于其特化的食物之中,竹子對其而言到底是一類怎樣的食物? 

  为探讨这一问题,魏輔文研究组基于上述理论模型框架,对生活在我国秦岭地区野生大熊猫的觅食和营养利用策略进行了长期的跟踪研究,发现大熊猫主要根据区域内两种主食竹的物候特征,进行季节性迁移觅食;几何营养模型分析显示,与其它哺乳动物相比,其全年取食食物的营养组成比(能量比)与食肉动物的更为接近,蛋白质为其提供了一半左右的能量来源,这显著有别于其它植食性动物;相对消化率的分析结果表明,这种相似性也体现在营养物质的利用策略上;进一步对大熊猫与其它类群哺乳动物的乳汁营养物质组成比进行比较,也显示其与食肉动物的相似性特征。 

  上述結果表明,如果從食物的營養組成比、大熊貓的消化特征以及不同類群動物對各類營養物質的需求和利用策略來看,竹子對大熊貓而言可能並非像我們原來認爲的那樣是一類低質量的食物。大熊貓在長期演化過程中發生的食性高度轉變,也並不像我們一直認爲的那麽劇烈,而其在這一食性特化過程中需要改變的可能只是在于食物處理方面,比如通過牙齒和顴弓的變化、僞拇指的形成等來適應竹子這種新的食物類型。也許正是因爲大熊貓在曆史環境變化下只需做出這種較小的改變,才使其在那些與之同期同域分布的物種大都滅絕的情況下能夠幸存下來。該研究利用新理論模型,從進化生態學的角度探討了關于大熊貓在演化過程中的非常獨特的食性特化問題,同時也爲物種演化過程中對環境資源的適應性研究提供了新的思路。 

  相關研究成果于201952日在线发表于国际學術期刊Current Biology上。中國科學院動物研究所聂永刚副研究員为論文第一作者,魏輔文院士为論文通讯作者,该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发和中國科學院先导专项等项目的资助。(論文链接)

1. 大熊貓食物營養組成(能量比)及其與其它類群動物食物營養組成比

2. 野生大熊貓覓食行爲

 

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