你吸的大熊猫，可能刚从粪里滚出来
来源：Pixabay
近日，一项发表于PNAS杂志的研究详述了大熊猫在马粪里打滚的奇怪癖好。这项横跨13年的研究刨根问底，利用行为和电生理实验，揭示了马粪里打滚这一行为背后的神经机制。
撰文 | 罗丁豪
编辑 | 吴非
大熊猫喜欢用马粪洗澡，这早已不是什么新奇事。2007年，中国科学院动物研究所的魏辅文团队就观察到秦岭大熊猫（Ailuropoda melanoleuca qinlingensis）喜欢用马粪洗澡。这种行为也被称作滚马粪（horse manure rolling，简称HMR）。观察到HMR行为的魏辅文对这种行为感到难以置信，于是决定在佛坪自然保护区的熊猫领地内架设红外摄影机，记录大熊猫的HMR行为。
红外摄影机在佛坪记录到的大熊猫HMR行为。来源：Zhou et al., PNAS
结果证明，在马粪里打滚可不是大熊猫一时兴起，没事找事，而是一种频繁发生的行为。光是从 2016年7月到2017年6月，摄影机就记录下了38次HMR行为，平均每次在2分钟以上。马粪里打滚可不容随意：首先，马粪得是新鲜的，越新鲜越好，十多天前拉下的马粪在大熊猫眼里就没什么价值了；其次，大熊猫得先闻闻这堆马粪，再用脸颊轻扫粪堆，最后才会在马粪中完全放纵自己——用马粪覆盖全身，一处都不能放过。
图A：红色虚线为马粪堆，熊猫在7天老的马粪里打滚。
图B：大熊猫HMR行为示意图。HMR行为包含嗅、滚、蹭、抹四个步骤。
来源：Zhou et al., PNAS；翻译制图：罗丁豪
粪便可不卫生，许多致病菌和寄生虫都可藏身其中。因此，包括人类在内的大部分动物对粪便是能躲就躲——但大熊猫明显不在这些动物之列。京都大学的认知生态学家塞茜尔·萨拉比安（Cécile Sarabian）指出：“行为的背后是各种妥协。”她认为，在马粪中打滚给大熊猫带来的利处，必定大于其弊处。
魏辅文团队自然也是这么认为的。但HMR行为究竟给大熊猫带来了什么利处呢？带着这个问题，他们决定刨根问底。
“抗冷分子”
魏博士的团队决定从记录到的影像开始分析，并将目光集中在了大熊猫对新鲜马粪的偏爱上：既然大熊猫更喜欢新鲜马粪，那么它们跟陈旧的马粪肯定有明显区别。利用气相色谱法-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，简称气质联用）技术，研究团队可以精准分析特定物质在样本中的丰度。在马粪的各种挥发物和半挥发物中，研究团队通过气质联用注意到两种特殊的倍半萜（sesquiterpene）类分子：β-石竹烯（β-caryophyllene，BCP），以及其氧化产物——氧化石竹烯（β-caryophyllene oxide，简称BCPO）。这两种分子主要存在于植物中，在陈旧马粪中，BCP和BCPO的水平都低至近乎无法测得，而新鲜马粪中的BCP/BCPO含量则相对较高。
确认了BCP/BCPO的特殊性后，魏辅文团队决定利用北京动物园内的大熊猫做实验，来检验这两种分子是否对大熊猫有独特的吸引力。在三堆杂草上，研究人员分别抹上了BCP/BCPO、脂肪酸和纯水，并静候大熊猫的光临。果不其然，涂抹了BCP/BCPO的杂草堆更受大熊猫欢迎，其中一只大熊猫甚至在这堆杂草中打滚了6分钟之久。相比之下，大熊猫与另外两堆杂草的“互动”就短得多，平均连10秒都不到。
那么，BCP和BCPO对大熊猫的吸引力从何而来呢？魏博士团队发现，相比其他月份，大熊猫在11月到来年4月的HMR行为会持续更久，而这些月份的温度通常更低。通过分析红外摄像机记录的环境温度，研究团队发现大熊猫的HMR行为只会在-5~20℃出现，其中94.7%都发生于-5~15℃间。在最冷的1月和2月初，研究人员总共观察到了20次HMR行为，与其他时候形成了强烈对比。
左图：大熊猫在11月到4月间呈现出频繁的HMR行为，频率和时长都与环境温度相关。
右图：BCP/BCPO涂抹的小鼠在冷板上停留的时间更长。
来源：Zhou et al., PNAS；翻译制图：罗丁豪
这样看来，BCP/BCPO或许与大熊猫的温度感觉有关——没准，把BCP和BCPO涂在身上，能让大熊猫感觉更暖？可是用大熊猫做实验极其困难，要得到支持这一点的证据，魏辅文团队还得用回生物界最常见的模式生物——小鼠。他们给小鼠提供了一热（28℃）一冷（10℃）的2块板子，并将BCP/BCPO涂抹在一组小鼠的前爪上，另一组则抹上了盐水，作为对照组。小鼠的行为符合他们的假设：涂抹了BCP/BCPO的小鼠更乐意待在冷板上，而涂抹了盐水的小鼠则喜欢待在热板上，并经常“抱团取暖”。
从实验结果看，BCP和BCPO对大熊猫的吸引力，估计就来自其帮助动物“抗冷”的特性。然而，魏辅文团队决定刨根问底：BCP/BCPO的这个特性，到底从何而来？
感受温度的关键
动物的皮肤上密布着温度感受器，这些感受器会表达各种各样的受体。其中，对温度感受至关重要的温敏瞬时受体电位通道（thermosensitive transient receptor potential channel，简称thermo-TRP）会在环境中出现温度变化时，将温度变化转导为电信号，从而将外界温度“告知”动物的中枢神经系统。例如，当外界传来高于52℃的刺激时，TRPV2通道就会打开，从而激活相应的温度感受器，向中枢神经系统传输“烫”的信息。
左图：TRP通道家族的演化树。来源：Himmel & Cox, Proc. R. Soc. B
右图：温敏TRP受体的敏感温段。其中TRPV2对52℃以上温度敏感，而TRPM8对25℃以下温度敏感。来源：Kashio & Tominaga, Channels
大熊猫或许不熟悉高于52℃的刺激，但在-5~20℃的冬天，环境温度可能激活了大熊猫皮肤上的另一种TRP受体——TRPM8。这种受体对薄荷醇（menthol）和冰素（icilin）都有反应，并负责向大脑传达“冷”的信息。魏辅文团队认为，抑制TRPM8受体，可能就是BCP/BCPO对大熊猫吸引力的源头。功能性分析结果显示，这种猜测不无道理：BCP/BCPO确实会与大熊猫的TRPM8受体选择性互动，而其他TRP蛋白家族的受体则不受BCP/BCPO的青睐。
要想进一步研究TRPM8和BCP/BCPO互动的特殊性，研究团队需要尽可能清晰地记录在与BCP/BCPO互动时，TRPM8受体的电活动。经典的膜片钳（patch-clamp）技术提供了这样的机会。利用单通道膜片钳，研究人员可以记录单个离子通道在不同情况下的状态。他们先用薄荷醇激活了TRPM8受体，并随后分别加入了BCPO和BCP分子。不出意料，BCP和BCPO都能抑制TRPM8受体，部分抵消了薄荷醇对该受体的激活效应。不仅如此，这两种分子还能抑制直接用低温激活TRPM8的受体。
左图：BCPO和BCP都能部分抵消薄荷醇造成的TRPM8通道激活。
右图：BCPO能抵消低温诱导的TRPM8通道激活。
来源：Zhou et al., PNAS；翻译制图：罗丁豪
至此，魏辅文带领的研究团队终于攻破了大熊猫喜爱滚马粪的谜团：这是一种由寒冷激发的行为，其背后的机制是新鲜马粪中的BCP/BCPO对TRPM8受体的抑制作用。这横跨13年的故事，展现了科学研究中的一项重要原则。正如魏辅文等人在论文中所写，是通过将“机缘巧合”的发现，转化为对有趣问题的“理性分析”，他们才得以阐明大熊猫独特的HMR行为。