(本文由中國數字科技館和《科技生活》周刊聯合製作)
[記者:白竟楠 編輯 劉昭 供圖:視覺中國(除署名外)]
採訪專家：
胡義波 中科院動物所副研究員
歐陽志雲 中國科學院生態環境研究中心研究員
陳怡平 中國科學院地球環境研究所研究員
王大軍北京大學生命科學學院工程師、動物學博士
今年9月，世界自然保護聯盟(IUCN)的一則消息，讓大家都為我國的國寶慶祝——大熊貓從瀕危動物「降級」到易危動物，人們終於鬆了一口氣，看來瀕危野生動物動物保護工作取得了不錯的成績。
不過，科學家研究發現，大熊貓棲息地中竹林的狀況不容樂觀，竹林面積減少、竹子生長周期縮短、質量下降等，直接影響著大熊貓的生存。奇怪的是，為什麼一種食肉目熊科動物卻喜歡「吃素」呢?
(當地時間2017年7月10日，來自中國的大熊貓 「夢夢」正在德國柏林「出差」。當然，走到哪裡不重要，重要的吃歡快地吃竹子)
大熊貓數量銳減的主要原因是竹林遭破壞
大熊貓應該是地球上最幸福、最耀眼的動物明星了，它們憨態可掬，胖胖的身體常常在地上滾來滾去，大家給它起了「滾滾」這個可愛的外號。大熊貓能收穫到這麼多愛和關注，並不是一件值得高興的事兒，因為這對於「滾滾」們來說，完全是因禍得福。
1974年至1977年第一次大熊貓普查結果為2459隻，但到1985年至1988年第二次普查的時候銳減到1114隻。可見，大熊貓原本也是生活在森林裡過著安逸的生活，但卻因為許多原因失去了大量的小夥伴。
那麼，是什麼原因導致大熊貓的數量驟減，以至於變成了瀕危物種呢?捕捉、殺害、盜獵、走私……或者是因為它太可愛了?這些原因都威脅著大熊貓的生存，但更重要的原因是，能供它們生活、攝取食物的竹林遭到了嚴重的破壞。
1950年至1985年間，陝甘川三省大型森工企業增長至近幾十家，且不含縣屬伐木場，採伐的森林面積為40多萬公頃，年均伐木面積為2萬多公頃，大熊貓棲息地面積驟降。
中國科學院生態環境研究中心歐陽志雲課題組，通過衛星遙感影像數據和地面調查相結合的方式，分析了1976年、1988年、2001年和2013年近40年全國大熊貓棲息地的演變特徵。歐陽志雲表示，1976年至2001年，大熊貓棲息地面積減少了4.9%，同時，棲息地的平均斑塊大小下降了24%。也就是說，大熊貓的棲息地面積不僅減少了，而且破碎化十分嚴重，把大熊貓的大種群分割成小種群，對熊貓的長期發展是不利的。
中國科學院地球環境研究所研究員陳怡平說：「作為大熊貓主要食物的竹子，其生長發育隨CO2升高而受到影響，導致提前開花，提前死亡，生命周期縮短。而竹子的復壯又需要較長的周期。另外，溫度升高也延長了竹粘蟲等災蟲的生活周期，蟲害增多影響竹子的產量和品質，從而威脅熊貓生存。」
(2014年3月3日，四川邛崍，盜伐者「私人定製」 砍光兩座山頭，被盜伐的樹木堆在山坡上)
野生大熊貓的年繁殖率並不低
物競天擇是自然選擇的規律，沒有一個物種能夠永久存在於地球上，那麼，大熊貓會不會也面臨著演化潛力減少的危機呢?
幸運的是，大熊貓的遺傳多樣性還沒有受到種群數量減少的影響。2008年，「大熊貓基因組」項目啟動，科學家為大熊貓進行了基因組測序，研究結果表明，大熊貓有21對染色體，基因組大小為2.4Gb，重複序列含量36%，基因2萬多個。儘管大熊貓種群的數量尚未超過2000隻，但大熊貓基因組仍然具備很高的雜合率，從而推斷具有較高的遺傳多態性。
在人們的印象中，大熊貓生殖率低、幼崽死亡率高，也是導致這一種群呈現負增長模式的原因，但這是對野生大熊貓繁殖行為缺乏系統性認知得出的錯誤結論。研究顯示，野生大熊貓年繁殖率高達65.4%。所以，竹林的減少直接威脅著大熊貓種群的繁衍壯大。
說起這一切，不得不提到一個問題。森林面積銳減同時會威脅到許多動物的安危，但這對於大熊貓來說可能是滅頂之災，其重要原因就是「滾滾」幾乎只吃竹子。這是為什麼呢?這個問題深奧到科學家也尚不能給出一個確切答案。
(2008年10月11日，深圳華大基因研究院宣布，大熊貓「晶晶」基因組框架圖繪製完成)
是挑食導致了基因變化?
這是一個「雞生蛋」還是「蛋生雞」的問題，是因為大熊貓的祖先先改變了飲食結構才改變了基因，還是因為先突變了基因再導致飲食習慣發生了改變呢?
先來看看大熊貓的「家譜」。大熊貓的祖先是始熊貓——一種比現生大熊貓更大的熊貓，當然，它長得也不如現在的大熊貓可愛。始熊貓是一種肉食動物，他生活在800萬年前的晚中新世。大熊貓種群主支在中國繼續演化，在距今300萬年的更新世早期，演化出了一種小個頭熊貓，它的體型只有現生熊貓的一半大，其化石被定義為大熊貓小種。從大熊貓小種化石的牙齒推斷，那時的大熊貓就已經是雜食獸了。後來，隨著亞熱帶潮溼森林的延伸，大熊貓逐漸體型增大，在距今50-70萬年的更新世中晚期，那一時期的大熊貓——巴氏亞種的體型比現生大熊貓更大，並依賴竹子為生。
(圖為A：大熊貓小種(Ailuropoda microta)，B：大熊貓巴氏種(A. baconi)，C：現生大熊貓(A. melanoleuca)和D：北極熊(Ursus maritimus)的虛擬三維顱內模 圖片來源：中國科學院古脊椎與古人類研究所)
根據中國科學院動物研究所魏輔文研究員的研究成果，在進化的歷史長河中，大熊貓種群表現為兩次顯著的擴張和收縮，而現存的三個遺傳種群則是由兩次種群分化而得以形成。結合中國的古地質資料，研究者認為，大熊貓種群的兩次擴張和兩次收縮與古氣候動蕩密切相關，冰期的寒冷氣候導致大熊貓種群縮小甚至到瓶頸，間冰期氣候回暖又為大熊貓種群擴張提供了有利條件，而近三千年以來的人類活動則是導致大熊貓近期種群變化的主要因素。
(大熊貓小種頭骨化石 圖片來自網絡)
「現生大熊貓只吃竹子的原因要從熊貓進化的角度來談，推測可能是因為歷史時期環境變化導致食物匱乏，大熊貓開始變為雜食動物，並逐漸專食竹子，大熊貓在飲食偏好上的改變，慢慢影響了基因功能。但為何大熊貓變得專食竹子，尚且不知。如果說因為一個基因的突變而導致食性的轉化與特化，可能不夠妥當，因為僅僅一個基因的功能還沒那麼強大。」中科院動物所副研究員胡義波說。
正是因為大熊貓的飲食習慣發生了改變，鮮味受體基因才慢慢失去了作用，進而導致大熊貓越來越依賴竹子生存。
(大熊貓的起源及演化示意圖 圖片來源：四川省林業廳)
感知肉味的鮮味受體假基因化
大熊貓對食物的選擇就像愛情一樣，適合和真愛或許不能兼得……
為什麼人會覺得吃肉很香?這是因為人的味覺能夠感受到肉的鮮味，同樣，動物吃肉也因為肉鮮香好吃。在大熊貓還是始熊貓的時候，也像北極熊或者棕熊一樣喜歡吃肉。但是，正是因為環境的變化讓大熊貓逐漸變成雜食動物，食素越來越多，導致大熊貓味覺基因中感知肉味的鮮味受體基因TAS1R1使用的越來越少，進而發生假基因化。
胡義波說：「假基因就是基因序列發生變化，不能編碼正常的蛋白，也不能發揮正常的功能，但是這個假基因在基因組中卻依舊存在，像是基因中的盲腸。與正常的鮮味受體基因相比，大熊貓的鮮味受體基因中插入了兩個核苷酸，並缺失了10個核苷酸，這些變異導致DNA編碼序列發生錯亂，因此產生了這種假基因。」
有人認為，假基因化是一種退化，但是如果從適應大熊貓的飲食角度來說，TAS1R1假基因化也是一種進化，為了能讓大熊貓更好地吃竹子。
(現生大熊貓(Ailuropoda melanoleuca)的頭骨模型，示包括駭人的犬齒在內的各個牙齒。紅色的部分是「裂齒」，右上作為參照的是寵物貂(Mustela putorius furo)的牙齒，它們都是食肉目的成員 圖片來源：果殼網)
同時，大熊貓為了能更好地體會到竹子的味道，苦味受體基因變得更加重要。與四川大熊貓相比，秦嶺大熊貓的苦味受體基因TAS2R49和TAS2R3受到顯著正選擇，推測可能與不同大熊貓棲息地竹葉中苦味物質含量多少有關。
「秦嶺大熊貓主要吃竹葉，四川大熊貓主要吃竹葉和竹竿。負責苦味的味覺基因要比鮮味受體基因更複雜，因為苦味受體基因能夠幫助植食動物分辨食物的好壞，食物中的苦味物質越多，就需要越多的苦味受體去感受。典型的植食動物的苦味受體相對比較發達，他們食譜中植物種類越廣，感受苦味物質的苦味受體越多」 ，胡義波說。
但有趣的是，大熊貓並沒有真正的「忘本」，它們還是能吃肉的，並且消化系統依舊是肉食動物的「標配」。如果大熊貓吃肉，消化系統會將肉分解消化的非常徹底，肉中的蛋白質、脂肪、胺基酸都能充分吸收。可以明確地說，肉更適合作為大熊貓的食物，只是它們不愛吃。但是至於為什麼大熊貓沒有進化出能徹底消化竹子的腸道，科學目前無法給出一個確切的答案。
(2011年11月9日，四川省平武縣林業局紅外線相機拍攝到大熊貓吃牛羚屍體照片，這是國內首次拍到大熊貓吃肉 圖片來源：四川在線)
大熊貓為何不愛吃開花的竹子
由於竹子是一種低營養，高纖維物質的食物，大熊貓的腸道不能有效消化竹子纖維，它們會選擇有限的幾個竹種和生長期的竹子吃，是「挑食的寶寶」。
而挑食的首要原則是新鮮。竹筍是最新鮮的，含有大量蛋白質、糖和脂肪，所以大熊貓最愛吃竹筍，其次是嫩竹葉，竹杆的蛋白質含量就比較少了。
但是，好吃的竹筍只有夏天才有，到了有竹筍的時候，大熊貓會可著勁地吃，每天吃20小時，可達40千克!沒有竹筍的時候，大熊貓只能湊合著吃嫩一些的竹竿和嫩葉，在吃竹杆的時候，大熊貓只喜歡吃竹杆中上比較嫩的部分，下半部分一般就直接扔掉了。
那麼，為什麼大熊貓不吃開花的竹子?因為竹子開花使竹鞭和竹稈保存的養分被花部吸收消耗，並且開花以後很快就會死亡，對竹類的影響很大，所以大熊貓就不喜歡了。
(竹子開花 圖片來自網絡)
為了好好吃竹子，它們變得很懶
不過，大熊貓為了好好吃竹子也做出了許多改變，當然，這也要歸功於現生大熊貓的祖先。
你有仔細觀察過大熊貓吃竹子的視頻或者動圖嗎?有沒有發現大熊貓手握竹子的動作很嫻熟?因為它進化出了一個看不到的偽拇指——大熊貓是六指，握竹子的那跟手指就是隱藏起來的偽拇指。
而且，大熊貓的牙齒也發生了變化，大熊貓的臼齒又大又平並且具有複雜的牙冠，這可以幫助其有效的磨碎竹葉表皮細胞獲得細胞內容物，並且大熊貓頭骨與其他熊類相比，具有極度擴張後的顴弓以及發達的下頜結構，使大熊貓獲得了強大的咬合力，以便咀嚼堅硬的竹杆。
不吃肉又消化不好竹子的大熊貓必須要節省體力，於是它們更傾向於選擇坡度較緩的原始森林，可以免了爬山的辛苦。它們一天中55%的時間用來覓食，41%的時間用來休息，並且日均移動距離僅300-500米。針對竹類食物資源營養的限制，為了確保能量攝入最大化，大熊貓則是通過加大每日食物攝入量來維持生長所需(10-18千克竹葉/杆或38千克竹筍)。
偷懶是大熊貓的強項，中國科學院動物研究所和英國阿伯丁大學等機構的研究表明，大熊貓每天消耗的能量遠低於體型相近的陸生哺乳動物，已接近在「懶」界享有盛名的樹懶。
(聽說有人說我帥? 圖片來源：東方IC)
可以說，如今的大熊貓已經跟始熊貓大不相同，但變得更可愛的「滾滾」卻因為人類活動而逐漸喪失棲息地和食物，一條分割開森林的公路都有可能阻礙了大熊貓的基因交流，畢竟它們不能像野豬或者袋鼠那樣經常大搖大擺的過馬路。好在如今在保護大熊貓方面取得的階段性成就，大規模森林採伐已經被禁止，但是人們的道路建設以及沿路定居都使得大熊貓的棲息地分隔開並逐步減少。此外，旅遊業、水電站、大規模採礦和環境汙染等新的威脅出現都給大熊貓保護和管理帶來了嚴峻的挑戰。
大熊貓的數量是在野外數出來的嗎?
依據2015年公布的調查結果顯示，全國野生和圈養的大熊貓種群數量均有增長，其中野生大熊貓種群數量為1864隻，圈養的大熊貓375隻。
其實，看到第四次調查結果或許會產生一個疑問：為什麼調查結果是1864隻而不是多一隻或者少一隻?對於這種結果，北京大學生命科學學院工程師、動物學博士王大軍表示這是不科學的。「一個科學的數據應該是一個數字±一個範圍，這個範圍在20%以內就算非常好的結果，在50%以內也是完全沒問題的。因為調查在一定的時間和範圍內進行，在一個時間段內，熊貓的數量就會因為生死發生變化。第二，調查永遠都看不到全部，哪怕是人口調查都不能把人頭計算成絕對數字。」
研究大熊貓並不代表一定要見到它們。王大軍表示，大部分野生動物研究學者都沒有親眼見過他們研究的物種，因為動物在聽到人遠遠的腳步聲的時候就早早躲開了，所以研究野生動物更多需要依靠動物留下的痕跡，比如糞便、毛髮、血液、體液等等。如果要親眼見到這些野生動物，就需要科學家長時間生活、工作在野外，才能有更高的概率能看到它們。王大軍甚至一年之中有10個多月都在野外做研究，所以，他不僅見到過野生大熊貓，還跟它們做成了朋友。
(科考過程中遇到一隻野生熊貓 供圖：王大軍)
咬節法：新鮮的大熊貓糞便有竹子的清香
普查大熊貓最常用的方法是咬節法，依據大熊貓排出糞便中竹節的齒寬和形狀判斷，如果齒寬和竹節長度、形狀不一樣，就能證明不是同一隻大熊貓。在使用咬節法的同時要配合距離檢測，如果發現的糞便與在直徑200米以外的區域發現糞便的新鮮程度很相似，就可以推測是不同的熊貓在同一個時間段排出的，也可以認定是兩個個體。
然後，要利用一定密度的痕跡來代表一定密度的大熊貓，在一定區域內，痕跡越多就說明大熊貓也越多。之後再根據部分取樣，計算出整個區域大熊貓的數量。這也是現在中國大熊貓普查利用的方法，這也需要準確計量出中國大熊貓所有棲息地的面積。
大熊貓是一種以竹子為最主要食物來源的動物，但它們對竹子的消化能力較弱，所以導致幾乎吃多少竹子就排出多少竹子，大熊貓的糞便裡全是竹子。「大熊貓的糞便呈紡錘形，大約長度在10至15釐米之間，因為飲食結構的關係，在同一個區域裡不可能有其他動物的糞便和大熊貓的糞便一樣，利用大熊貓糞便的獨特性用咬節法來計算數量，是具備優勢的。遇到新鮮的大熊貓糞便掰開聞一聞，一點都不臭，是竹子的清香味。」王大軍說。
(竹香味的糞便 供圖：羅春平)
DNA難做是因為新鮮糞便不好找
雖然咬節法是大熊貓普查最終結果的依據，但王大軍並不認為這是最好的普查方法，王大軍坦言，他對咬節法持保留意見。因為大熊貓的咬節會隨著大熊貓不同年齡和狀況發生改變，在長達幾年的普查歷程中，很難說用咬節法能準確地表明大熊貓的大致數目，但這個方法或許是目前僅能依靠的方法。
在第四次調查中，DNA調查手段第一次成為輔助調查手段，其實，使用DNA調查法才能得到更準確的結果。用DNA區分不同的大熊貓個體，不僅能明確區分「誰是誰」，還能通過檢測Y染色體獲得性別信息，並且在每次普查中具有延續性，可以知道哪些大熊貓在上次普查中就被查到了，哪些大熊貓是新發現的，從而得出一個更精確的數字。
但是，這種調查方法至今沒有被普遍應用，胡義波認為，並非是DNA監測技術問題，相反，DNA監測技術就類似於做親子鑑定一樣，非常成熟，關鍵原因在於，使用DNA監測需要新鮮樣本，但是新鮮樣本不好找。
(2011年5月10日，位於杜鵑海子區域的紅外相機拍攝到一隻野生大熊貓「嗅味樹」的行為，即通過撒尿、抓扯樹皮、屁股摩擦等，在路過的大樹上做標記。四川臥龍自然保護區三江保護站供圖)
新鮮樣本指的是在一周以內的糞便，毛髮等等，因為新鮮糞便的表層有一層腸黏膜分泌出的粘液，提取粘液可以檢測出大熊貓的DNA。但是糞便的新鮮程度會隨著溫度和溼度的改變而改變，溫度越低、溼度越低，越有利於新鮮糞便的保存。大熊貓是獨居的動物，他們的活動密度很低，根據羅春平的介紹，陝西地區平均每2.5平方公裡一隻，四川因為棲息地面積比較大，可以達到4平方公裡一隻。所以，想要找到新鮮的糞便是一件難事。
「帶回實驗室後，用衛星分子標記(是均勻分布於真核生物基因組中的簡單重複序列)的方法把識別遺傳信息，從而區分不同個體。所以先從糞便中提取DNA，就像人抽血提取DNA一樣，然後進行PCR擴增，也就是擴增熊貓DNA中的片段，依靠這些片段信息『認識』不同的熊貓。」胡義波說，「目前，只能針對科研需求在小範圍內集中收集DNA信息，因為面積小，收集人員也不必按照樣線走。」
做DNA還可以利用肛門腺分泌的液體，需要在大熊貓的嗅味標記處尋找這些體液，在大熊貓的發情期更容易尋找，它們會在大樹上蹭痒痒的時候把肛門腺液體和毛髮留在樹上。根據研究，大熊貓一般會選擇胸徑為37釐米左右的岷江冷杉蹭癢、做嗅味標記，96%的樹皮粗糙或比較粗糙，肛周腺標記中心的高度在51.8±15.6釐米處。所以，普查人員就要重點注意這些樹木，以更多地找到大熊貓留下的新鮮痕跡。
大熊貓第四次普查結束了，人們欣慰於大熊貓的數量在逐漸上升，但是對於大熊貓的關注與保護並沒有結束，就如同王大軍所說，人們對大熊貓的投入不會隨著「降級」而減少。其實，大熊貓種群並不脆弱，只需要給它們足夠數量健康成長的竹子吃就能滿足它們大部分的需求，但想要做到這一點，或許還需要幾代人的努力。
來源：中國數字科技館
特別感恩您對《科普四川》的關注與分享！感恩有您！微信公眾號請搜索：kepusichuan2017,關注〈科普四川〉或右上角分享點擊給好友。點擊下面「掃一掃」加入我們吧！
特別聲明：本文轉載僅僅是出於科普傳播信息的需要，並不意味著代表本公眾號觀點或證實其內容的真實性；如其他媒體、網站或個人從本公眾號轉載使用，須保留本公眾號註明的「來源」，並自負版權等法律責任；作者如果不希望被轉載或其它相關事宜，請與我們接洽。