科学汇|为什么熊猫从吃肉变成了吃竹子?为什么秦岭和四川的熊猫,要避免交配繁殖?浙大教授告诉你为什么

新教育

主持人 王湛

 

最近有个研究成果,让大家对熟悉的国宝有了新的认识——秦岭的熊猫像猫,而四川的熊猫像熊。

同学们可以赶紧去找找图片对比一下看,熊猫的长相,是不是真像这个研究成果一样。

这项研究由浙江大学联合深圳华大生命科学研究院、中国大熊猫保护研究中心等单位一起完成,发布在知名期刊《科学通报》(Science Bulletin)上。除了两地的熊猫长相不同,研究还揭示了为什么大熊猫爱吃竹子、为什么大熊猫繁殖能力低,以及如何让大熊猫更好繁衍。

这期科学汇,我们邀请了该研究的主持人、浙江大学生命科学学院方盛国教授来为我们回答这四个问题。 

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Q:为什么秦岭亚种是当代大熊猫的原始种群?

A:说起大熊猫,大家都会想到它们的故乡在四川。

其实早在2005年,方盛国便对大熊猫进行了分类研究,在已有的四川亚种基础上,首次科学提出并命名了大熊猫的秦岭亚种。这两个亚种分布在四川、陕西和甘肃三省交界的高山峡谷地区。直观地看,四川亚种头大嘴尖,长得像熊。秦岭亚种头圆嘴短,长得像猫。

除此之外,这次运用的第三代基因组测序技术,较过去得到了更加清晰的基因像素图片,方盛国介绍说,这次基因组片段的连续性提高了200倍,让熊猫的基因组成细节更加清楚。

3年多的研究中,团队通过对遗传变异等的综合评估研究,明确界定了两个熊猫亚种开始分化的时间,是距今1万到1.2万年前。也就是说大熊猫的两个亚种兄弟,已有1万余年未曾谋面。

诞生于800万年前的熊猫,经历了地球的沧桑巨变。 

距今2.4万年到1万年前的两次大冰川中,北方的熊猫灭绝了,只留下秦岭中部的一个小种群和四川相岭的一个小种群。

科研人员对四川亚种和秦岭亚种的基因组分析发现,此次分化后的秦岭亚种熊猫,再也没有跨出黄河流域,在遗传变异方面显得非常保守,近万年来没有大的变化。

而四川亚种的遗传变异性就相对较大,遗传多样性较为丰富,更加适应野外生存——四川地势复杂,气候多变,各种各样的山地气候,熊猫都得去适应。日积月累,四川熊猫便进化出了具有更为广泛环境适应性的免疫系统,用以抵抗复杂环境中的病原微生物和寄生虫的侵害感染。因此,四川亚种遗传进化出了适应各种环境的免疫系统。这有点像西南地区的少数民族,只隔一座山,可能就因为气候环境的不同,形成了自己的语言和生活习惯而进化为一个民族。

“对熊猫分化的寻根问祖,既有助于清晰了解熊猫家族的发展历程,又可为生物地理和气候变化等领域的研究提供重要的借鉴参考。”方盛国说,秦岭亚种是大熊猫这个古老物种的祖脉,是当代大熊猫的原始种群。

 

Q:为什么熊猫从吃肉变成了吃竹子?

A:大熊猫走路不紧不慢、常常坐地吃竹子,形象憨态可掬。其实,这也是长期适应性进化的结果——最大限度地降低身体的能量代谢消耗。

其实,熊猫原本也是肉食动物,但后来变成了以竹子为食。

熊猫最早是像狐狸一样,是体型非常小的一种动物,一般都群体捕食。在冰川时,由于气候变化,动物越来越少,食物枯竭。在距今300万年前,熊猫就开始吃竹子补充部分营养。而那些没有努力去改变食性的食肉动物如剑齿虎等,纷纷灭绝,熊猫成了同时代肉食目动物中,唯一一种仅仅通过吃竹子来维持生计的动物。

为了应对食性的巨大改变,熊猫进化出了相对小的内脏器官,以适应减少新陈代谢。

本次研究中,科研人员在基因分析中找到了进化的奥秘。他们发现大熊猫Hippo通路上基因快速进化,一些调控元件上存在特异性突变。

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Hippo通路是个专业术语,每个系统都有个通路系统,通路系统变化会影响系统功能”,例如,熊猫Hippo通路的改变,使其内脏器官变小。由于内脏器官无时不刻都在大量的消耗着身体的能量,且器官越大,消耗的能量就越多。所以,当大熊猫的内脏器官变小之后,它们就能尽量减少对身体的能量代谢消耗,从而应对因机体对竹子营养成分的消化吸收率低而导致营养不足的问题。

又如,之前其他学者研究发现,熊猫感知肉类鲜味的味觉基因的突变,使该基因变成了没有感知功能的假基因后,熊猫再吃到肉类,就不会像800万年前那样津津有味。而没有了对肉类极其渴望的感觉,它们也就安心的以竹子为主食了。不然,今天的熊猫,又会像虎豹一样,变成吃人的猛兽。

有着近30年熊猫研究经历的方盛国说,竹子的营养毕竟是有限的,因此它们通常每天有14个小时以上的时间在啃食竹子。

 

Q:为什么大熊猫繁殖能力弱?

A:这个研究,或许揭示了大家一直好奇的话题:“为什么大熊猫被称为国宝?因为它繁殖能力低而珍贵呀!”

与其它哺乳动物相比,该研究通过比较基因组学的分析发现,大熊猫基因组上的DACH2基因调控元件特异性丢失,并在SYT6基因发现特异性位点突变。

DACH2基因与生殖系统中米勒管的发育相关,其突变会引起卵巢早衰进而会影响生殖。SYT6基因与精子的形成密切相关。

由此提示,生殖系统中关键基因出现异常,可能是大熊猫这一物种的繁殖力比其它哺乳动物低的重要原因之一。

进一步比较四川和秦岭两个亚种,发现四川亚种IQCD基因受到强烈的正选择作用。由于IQCD基因会影响精子的生成和受精,且已有研究显示在不育的人群中该基因的表达量会偏低。由此可知四川亚种的繁殖力比秦岭亚种高。

  

Q:为什么秦岭和四川的熊猫,要避免交配繁殖?

如何让大熊猫更好繁衍?

方盛国建议要加快同一亚种内大熊猫破碎化小种群之间的基因交流,这有助于减少近亲繁殖和遗传衰退问题,“由于秦岭亚种栖息地受到人类活动的影响,变得四分五裂。”他认为,要恢复它们的栖息地,加快秦岭山系内部小种群之间的交流。

但同时必须看到,在加强栖息地保护时,要阻断两个亚种的接触,“除非是到了极端的保种情况,两个亚种间就应尽量避免交配繁殖,否则产生的子代个体的繁殖力可能会被削弱。这对四川亚种种群来说是极为不利的。”

很多人可能不理解,为什么人类中有“混血儿”更漂亮更聪明的说法,而大熊猫就不能亚种杂交呢

方盛国解释说,人类出现后,黑、黄、白种人之间,一直都有着不间断的基因交流,这从骨骼形态和DNA上都已得到证实——刚开始交流时,后代可能大部分不能存活,或生存能力较低,活下来的都是交流发育成功的。但大熊猫两个亚种间,已经有一万年没见过面儿相互交流了,并且野外的熊猫和人工圈养的熊猫一共才只有2000余只,过于珍贵,不能让他们去冒这个险。否则,熊猫父母本之间DNA的不匹配,就有可能在遗传的过程中,丢掉适应环境生存的强壮基因。对于尚不知道亚种杂交会出现哪些严重的遗传问题之前,我们对熊猫的管理工作,都应该慎之又慎。

“对于秦岭熊猫来说,最要紧的还是在秦岭山系内部的小种群之间修建廊道,把它们连在一起,形成一个完整的大种群,实现野生种群的可持续发展,并带来复壮的希望。否则,跟四川亚种的栖息地连通,可能会出现远交衰退情况的发生。”方盛国说,在其他大型哺乳动物中曾出现过两个种群放在一起时,因不匹配发生远交衰退,导致种群灭绝的案例。而在更为低等的爬行动物,比如扬子鳄当中,就发现了两个分化时间比较长的种群之间杂交,后代出现畸形的情况。

 

 


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