大熊貓有一個怪癖：它們喜歡在馬糞裡打滾，還喜歡用熊掌把馬糞儘可能地塗抹在自己的身體表面。
圖片來源：Pascal Müller on Unsplash十多年前，一群科學家在野外工作時無意中發現了大熊貓的一個怪癖：它們喜歡在馬糞裡打滾，還喜歡用熊掌把馬糞儘可能地塗抹在自己的身體表面。最近，這些學者終於找到了這種“迷惑行為”背後的真正含義。當來自美國杜克大學的野生動物生態學家和動物行為學家 Aleah Bowie 收到一封採訪郵件，希望她對一項新研究發表看法的時候，她的第一個想法是：“這是詐騙郵件麼？”這封郵件裡的新研究報告了野生秦嶺大熊貓喜歡在馬糞中打滾的“迷惑行為”，並進一步尋找到了有關的分子機制。該研究來自中國科學院魏輔文團隊，於 12 月 7 日發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。大熊貓的馬糞打滾行為魏輔文和同事們第一次注意到了大熊貓對馬糞的“特殊愛好”，是在 2007 年[1]。他們在陝西佛坪自然保護區工作時發現，新鮮的馬糞對野生大熊貓有一種獨特的吸引力。途經新鮮馬糞時，它們不但會仔細嗅聞，還會在其中翻滾，讓自己的臉和身體都均勻地塗上馬糞。更重要的是，這似乎不是大熊貓的一時興起。
圖1. 野外的秦嶺大熊貓在馬糞中打滾的錄影。你品，你細品研究者在佛坪自然保護區內架設了紅外攝像機，從 2016 年 7 月到 2017 年 6 月，該攝像機共記錄了 38 次“滾馬糞”行為，每次活動的平均時長為 141.3 秒。這證明了研究者們此前的猜想。他們在論文中為大熊貓的“滾馬糞”行為賦予了標準化定義，甚至還給這個行為起了一個學術縮寫名稱：HMR（horse manure rolling）。
圖2. A為自然保護區內的馬糞積累；B 為大熊貓的 HMR 行為圖示；C 為野外拍攝的大熊貓 HMR 行為，持續時間約為 8 分鐘。滾馬糞的理由透過分析攝像資料，研究團隊發現，大熊貓們不是什麼樣的馬糞都滾，它們更偏愛在空氣中暴露時間低於 10 天的新鮮馬糞。大熊貓們途經新鮮馬糞時幾乎無法抗拒這種誘惑，它們在新鮮馬糞中進行翻滾儀式的次數顯著高於陳舊馬糞。新鮮馬糞的魔法來自何處呢？研究團隊對新老兩組馬糞進行了化學分析，發現 β-石竹烯（β-caryophyllene, BCP）和氧化石竹烯（caryophyllene oxide, BCPO）兩種倍半萜類物質在新鮮馬糞中的含量更高，這可能是吸引大熊貓的關鍵。為了驗證這個假設，研究者們把目光對準了北京動物園中的大熊貓。他們為熊貓模擬了三種稻草製作的“人工糞堆”，分別噴灑了 BCP/BCPO 混合物、脂肪酸和水。研究發現，在 8℃ 的環境中，北京動物園裡圈養的大熊貓也對 BCP/BCPO 組的稻草堆表現出了明顯的偏愛，在這種稻草堆上進行了時間更長、次數更頻繁的 HMR 行為。大熊貓對馬糞中化合物無法自拔的原因，似乎與季節變化有關：研究團隊發現，在長達一年的影像追蹤記錄中，野生大熊貓只在 11 月到 4 月之間出現 HMR 行為。進一步分析顯示，94.7% 的 HMR 行為發生在 -5℃ 到 15 ℃ 的環境中。研究團隊因此推測，HMR 可能是大熊貓們對寒冷氣溫的一種應對方式。
圖3. 左圖顯示了 HMR 行為次數、耗時與月份之間的關係，右圖為 HMR 行為與環境溫度之間的關係由於實驗物件（大熊貓）數量有限，為了驗證這個假設，研究團隊選擇了小鼠作為替代。他們發現，相比於塗抹鹽水的小鼠，塗抹了 BCP/BCPO 的小鼠更願意呆在低溫環境中，並且在寒冷氣溫（4 °C）下還表現出了更少的“抱團（huddling）” 等應對寒冷的行為表現。
圖4. 上圖為經過鹽水處理的小鼠，下圖是經過 BCP/BCPO 處理的小鼠。下圖小鼠更頻繁地在右側寒冷區域（10°C）活動。一系列實驗都證明，大熊貓的 HMR 行為不僅不是一種巧合，還可能存在抗寒的功能意義。此外，“抗寒物質”能夠降低多種哺乳動物對寒冷的感受性，或許表明了這些物質能從分子層面對寒冷感受產生影響。為了探究 BCP/BCPO 是如何幫助動物抵禦寒冷的，團隊進一步對其中的分子機制做了探討。“抗冷物質”的分子機制動物進行溫度感知，需要透過面板上的溫度感受器進行訊號傳遞。上世紀九十年代後期，科學家發現了溫敏瞬時受體電位通道（thermosensitive transient receptor potential channels，thermo-TRPs）的分子超家族（superfamily of molecules）[2]。這些位於細胞膜上、發揮通道作用的蛋白質會隨著溫度變化而開啟和關閉，透過控制離子進出細胞，決定冷（熱）訊號向中樞神經系統的傳輸。馬糞中的“抗冷物質”是不是透過這種方式鈍化了熊貓對寒冷的感受呢？大熊貓基因組包含該物種編碼功能性蛋白的基因全序列，研究者利用這些基因資訊，對大熊貓的溫度感受器（蛋白質）進行了功能性分析，發現 BCP/BCPO 混合物可以與大熊貓 TRP 超家族中的冷敏感通道蛋白 TRPM8 結合。為了更好地證明 TRPM8 在 HMR 行為中的確實發揮了作用，研究者在人類胚腎細胞（human embryonic kidney 293，HEK 293）中表達了這種能夠感知溫度的通道蛋白，低溫下它能被啟用，而 BCP/BCPO 與它結合後，則會抑制它對低溫的反應。研究團隊十多年前發現的大熊貓“迷惑行為”似乎終於有了答案：滾馬糞是它們為了抵禦嚴寒發展出的生存策略。寒冬對野外生存的大熊貓而言是一個挑戰，它們無法通過冬眠來保暖，竹子似乎也提供不了足夠用來禦寒的能量。恰好，秦嶺大熊貓的生存環境與古代的商業貿易路線重合，這個區域不乏運貨馬匹留下的馬糞。長此以往，秦嶺大熊貓的族群逐漸習得了這樣一種禦寒方式。研究團隊解釋，此前不少來自企鵝、倉鼠等動物研究證明，TRPM8 的溫度調節作用是生命為了適應低溫而演化出的調控機制[3,4]。此次的實驗或許也為動物針對溫度條件產生的演化行為做出了證明。
圖5. 古代的通商路線（A）與熊貓們可能出現的地方（B）。參考文獻：[1]https://cn.nytimes.com/science/20201208/pandas-horse-poop/[2]https://phys.org/news/2019-10-images-glimpse-skin-temperature.html[3]V. Matos-Cruz et al., Molecular prerequisites for diminished cold sensitivity in ground squirrels and hamsters. Cell Rep. 21, 3329–3337 (2017). [4]S. Yang et al., A paradigm of thermal adaptation in penguins and elephants by tuning cold activation in TRPM8. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 8633–8638 (2020).