十多年前，一群科学家在野外工作时无意中发现了大熊猫的一个怪癖：它们喜欢在马粪里打滚，还喜欢用熊掌把马粪尽可能地涂抹在自己的身体表面。最近，这些学者终于找到了这种“迷惑行为”背后的真正含义。
图片来源：Pascal Müller on Unsplash
撰写 李姗珊
编辑 魏潇
当来自美国杜克大学的野生动物生态学家和动物行为学家 Aleah Bowie 收到一封采访邮件，希望她对一项新研究发表看法的时候，她的第一个想法是：“这是诈骗邮件么？”
这封邮件里的新研究报告了野生秦岭大熊猫喜欢在马粪中打滚的“迷惑行为”，并进一步寻找到了有关的分子机制。该研究来自中国科学院魏辅文团队，于 12 月 7 日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。
大熊猫的马粪打滚行为
魏辅文和同事们第一次注意到了大熊猫对马粪的“特殊爱好”，是在 2007 年[1]。他们在陕西佛坪自然保护区工作时发现，新鲜的马粪对野生大熊猫有一种独特的吸引力。途经新鲜马粪时，它们不但会仔细嗅闻，还会在其中翻滚，让自己的脸和身体都均匀地涂上马粪。更重要的是，这似乎不是大熊猫的一时兴起。
图1. 野外的秦岭大熊猫在马粪中打滚的录像。你品，你细品
研究者在佛坪自然保护区内架设了红外摄像机，从 2016 年 7 月到 2017 年 6 月，该摄像机共记录了 38 次“滚马粪”行为，每次活动的平均时长为 141.3 秒。这证明了研究者们此前的猜想。他们在论文中为大熊猫的“滚马粪”行为赋予了标准化定义，甚至还给这个行为起了一个学术缩写名称：HMR（horse manure rolling）。
图2. A为自然保护区内的马粪积累；B 为大熊猫的 HMR 行为图示；C 为野外拍摄的大熊猫 HMR 行为，持续时间约为 8 分钟。
滚马粪的理由
通过分析摄像数据，研究团队发现，大熊猫们不是什么样的马粪都滚，它们更偏爱在空气中暴露时间低于 10 天的新鲜马粪。大熊猫们途经新鲜马粪时几乎无法抗拒这种诱惑，它们在新鲜马粪中进行翻滚仪式的次数显著高于陈旧马粪。
新鲜马粪的魔法来自何处呢？研究团队对新老两组马粪进行了化学分析，发现 β-石竹烯（β-caryophyllene, BCP）和氧化石竹烯（caryophyllene oxide, BCPO）两种倍半萜类物质在新鲜马粪中的含量更高，这可能是吸引大熊猫的关键。
为了验证这个假设，研究者们把目光对准了北京动物园中的大熊猫。他们为熊猫模拟了三种稻草制作的“人工粪堆”，分别喷洒了 BCP/BCPO 混合物、脂肪酸和水。研究发现，在 8℃ 的环境中，北京动物园里圈养的大熊猫也对 BCP/BCPO 组的稻草堆表现出了明显的偏爱，在这种稻草堆上进行了时间更长、次数更频繁的 HMR 行为。
大熊猫对马粪中化合物无法自拔的原因，似乎与季节变化有关：研究团队发现，在长达一年的影像追踪记录中，野生大熊猫只在 11 月到 4 月之间出现 HMR 行为。进一步分析显示，94.7% 的 HMR 行为发生在 -5℃ 到 15 ℃ 的环境中。研究团队因此推测，HMR 可能是大熊猫们对寒冷气温的一种应对方式。
图3. 左图显示了 HMR 行为次数、耗时与月份之间的关系，右图为 HMR 行为与环境温度之间的关系
由于实验对象（大熊猫）数量有限，为了验证这个假设，研究团队选择了小鼠作为替代。他们发现，相比于涂抹盐水的小鼠，涂抹了 BCP/BCPO 的小鼠更愿意呆在低温环境中，并且在寒冷气温（4 °C）下还表现出了更少的“抱团（huddling）” 等应对寒冷的行为表现。
图4. 上图为经过盐水处理的小鼠，下图是经过 BCP/BCPO 处理的小鼠。下图小鼠更频繁地在右侧寒冷区域（10°C）活动。
一系列实验都证明，大熊猫的 HMR 行为不仅不是一种巧合，还可能存在抗寒的功能意义。此外，“抗寒物质”能够降低多种哺乳动物对寒冷的感受性，或许表明了这些物质能从分子层面对寒冷感受产生影响。为了探究 BCP/BCPO 是如何帮助动物抵御寒冷的，团队进一步对其中的分子机制做了探讨。
“抗冷物质”的分子机制
动物进行温度感知，需要通过皮肤上的温度感受器进行信号传递。上世纪九十年代后期，科学家发现了温敏瞬时受体电位通道（thermosensitive transient receptor potential channels，thermo-TRPs）的分子超家族（superfamily of molecules）[2]。这些位于细胞膜上、发挥通道作用的蛋白质会随着温度变化而打开和关闭，通过控制离子进出细胞，决定冷（热）信号向中枢神经系统的传输。
马粪中的“抗冷物质”是不是通过这种方式钝化了熊猫对寒冷的感受呢？大熊猫基因组包含该物种编码功能性蛋白的基因全序列，研究者利用这些基因信息，对大熊猫的温度感受器（蛋白质）进行了功能性分析，发现 BCP/BCPO 混合物可以与大熊猫 TRP 超家族中的冷敏感通道蛋白 TRPM8 结合。为了更好地证明 TRPM8 在 HMR 行为中的确实发挥了作用，研究者在人类胚肾细胞（human embryonic kidney 293，HEK 293）中表达了这种能够感知温度的通道蛋白，低温下它能被激活，而 BCP/BCPO 与它结合后，则会抑制它对低温的反应。
研究团队十多年前发现的大熊猫“迷惑行为”似乎终于有了答案：滚马粪是它们为了抵御严寒发展出的生存策略。寒冬对野外生存的大熊猫而言是一个挑战，它们无法通过冬眠来保暖，竹子似乎也提供不了足够用来御寒的能量。恰好，秦岭大熊猫的生存环境与古代的商业贸易路线重合，这个区域不乏运货马匹留下的马粪。长此以往，秦岭大熊猫的族群逐渐习得了这样一种御寒方式。研究团队解释，此前不少来自企鹅、仓鼠等动物研究证明，TRPM8 的温度调节作用是生命为了适应低温而演化出的调控机制[3,4]。此次的实验或许也为动物针对温度条件产生的演化行为做出了证明。
图5. 古代的通商路线（A）与熊猫们可能出现的地方（B）。
参考文献：
[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).
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论文信息【论文标题】Why wild giant pandas frequently roll in horse manure【论文作者】Wenliang Zhou, Shilong Yang, Bowen Li, Yonggang Nie, Anna Luo, Guangping Huang, Xuefeng Liu, Ren Lai and Fuwen Wei【发表时间】2020 年 12 月 7 日【发表期刊】Proceedings of the National Academy of Sciences【论文链接】https://www.pnas.org/content/early/2020/12/01/2004640117【DOI】10.1073/pnas.2004640117【论文摘要】Attraction to feces in wild mammalian species is extremely rare. Here we introduce the horse manure rolling (HMR) behavior of wild giant pandas (Ailuropoda melanoleuca). Pandas not only frequently sniffed and wallowed in fresh horse manure, but also actively rubbed the fecal matter all over their bodies. The frequency of HMR events was highly correlated with an ambient temperature lower than 15 °C. BCP/BCPO (beta-caryophyllene/caryophyllene oxide) in fresh horse manure was found to drive HMR behavior and attenuated the cold sensitivity of mice by directly targeting and inhibiting transient receptor potential melastatin 8(TRPM8), an archetypical cold-activated ion channel of mammals.Therefore, horse manure containing BCP/BCPO likely bestows the wild giant pandas with cold tolerance at low ambient temperatures. Together, our study described an unusual behavior, identified BCP/BCPO as chemical inhibitors of TRPM8 ion channel, and provided a plausible chemistry-auxilia.▽精彩回顾▽
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