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大熊貓由葷轉素的心路歷程

大熊貓

Source: wikipedia

大熊貓(Aliuropoda melanoleuca)吃竹子,但是牠並不是從一開始就是吃素的。

大熊貓的口腔解剖構造(有力的上下顎與牙齒)以及短短的腸道長度,都說明了牠本來是吃肉的;其他的熊也都是吃肉的動物。那麼,大熊貓是怎麼轉葷為素的?要轉葷為素並不是那麼容易的事,雖然有力的上下顎與牙齒同樣可以用來吃草,但是肉食轉葷食還有一個難關:口味。

看過「歷險小恐龍」(The Land Before Time)續集的朋友,一定記得有個角色「Chomper」,牠是一隻暴龍(T. rex)。每次Chomper吃到草的時候,都會很誇張的吐出來。草真的這麼難吃嗎?

食不知味?

大家吃菜的時候,如果有認真比較過,應該會發現青菜通常少了肉的鮮味(umami)。鮮味來自於食物中解離出的胺基酸,由於肉類食品原本就含有大量的蛋白質,解離出來的胺基酸也較多,因此肉類食品的鮮味也比蔬菜要濃重。這也就是為何味素可以為食物添加鮮味,因為味素本身就是胺基酸(谷胺酸)。

除了胺基酸以外,核苷酸也是鮮味的來源。因為我們可以感受鮮味,所以轉葷為素的一開始總是百般不習慣,尤其是吃慣了大魚大肉的人,有些甚至完全不肯茹素。

那麼,大熊貓是如何轉葷為素的?當然不是發願(XD),究竟什麼原因(打擊?)讓牠不再吃肉已不可考,但化石證據發現,大熊貓大約在七百萬年前開始嘗試吃竹子,在200-240萬年前牠開始了99%的食物都是竹子的生涯。

吃過竹筍一定知道竹筍比蔬菜還清淡,為什麼大熊貓可以開始啃竹子,在2010年的「分子生物學演化期刊」(Mol. Biol. Evol.)找到了解答。

原來大熊貓在演化的過程中,牠感應鮮味的接受器基因之一Tas1r1發生了突變,造成這個基因完全無法產生有功能的蛋白質,於是大熊貓就不再能品嚐鮮味了。這個突變正好發生在牠轉換主食的過程中(大約420萬年前),加上多巴胺合成也出了問題,造成食慾獎勵機制也無法正確回饋,於是大熊貓就不再在乎有沒有鮮味了,反正吃起來都一樣。

Source: wikipedia

Source: wikipedia

大熊貓轉葷為素的第一個關鍵,就是失去了感應鮮味的能力。但是,食不知味也未必就要改行吃素啊?我們感冒的時候,偶而也會食不知味,但也不見得就會改吃素。這是第一個疑點。

另一個疑點是,大熊貓失去感應鮮味的能力,大約發生在420萬年前;但是牠在大約700萬年前就開始嘗試竹子,而且還吃不少。而直到200-240萬年前,大熊貓才開始幾乎只吃竹子。所以,大約有380萬年的時間,大熊貓還是吃得出鮮味的;而在失去嚐出鮮味的能力之後,也還有快兩百萬年的時間,牠並不光吃竹子。

熊貓吃竹子會開心嗎?

到底發生什麼事呢?科學家想到,我們有所謂的食慾獎勵機制(appetite-reward circuitry),主要是有賴於類鴉片(opioid)與多巴胺(dopamine)來啟動,是否大熊貓的食慾獎勵機制出了問題?

中國與日本科學家所組成的研究團隊,因此展開了一場「找基因」的研究。由於大熊貓的基因已經在2010年定序完成,因此經過序列比對,研究團隊找到了六個與多巴胺代謝有關的基因。深入研究這六個基因之後發現,其中一個,簡稱為COMT(catechol-o-methyltransferase),在大貓熊中竟然有突變!

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source: wiki

COMT與多巴胺的分解有關,負責將DOPAC(3,4-dihydroxyphenyl-acetic acid)分解為HVA(homovanillic acid)(見上圖)。研究團隊發現的突變,使得大熊貓的COMT少了四個胺基酸,也造成第四個α螺旋(α4 helix)消失。由於第四個α螺旋需要跟位於另外兩處的兩個胺基酸共同與COMT的受質SAM(S-adenosyl-L-methionine)接觸,少掉了這個螺旋,對COMT本身的酵素活性影響應該很大。

而進一步分析COMT以及其他與多巴胺分解相關的基因又發現,COMT基因的表現量可能不高,因為它的轉譯(translation)信號頗弱。轉譯信號(Kozak motif)位於基因的第一個密碼的周圍,是提供給核糖體辨認的信號;如果一個基因的轉譯信號弱,就代表能被轉譯出來(產生蛋白質)的機會較低。加上COMT基因裡面有微小RNA(microRNA)的辨認序列,會使得COMT的信息RNA(mRNA)被分解得更快。因此,研究團隊認為,所有這些證據指向:COMT在大熊貓體內表現量偏低。

由於COMT主要功能是分解多巴胺,COMT基因缺損與表現量偏低應該會造成多巴胺濃度上昇。但是,多巴胺濃度上昇究竟會造成食慾變好或是變壞?COMT基因缺損的小鼠,食慾是變得更好而不是變得更差;人類的COMT缺損產生的症狀則相當複雜。無論如何,應該要進一步檢驗大熊貓的體內的多巴胺濃度才是。

所以,究竟大熊貓為何轉葷為素呢?所有這些研究結果,包括失去感應鮮味的能力以及多巴胺代謝障礙,都只能回答一小部分的問題;或許竹子裡面有可以提高多巴胺的化合物,或許當地曾發生氣候變遷,造成在一段時間中,大熊貓只能吃竹子?這些問題都需要更進一步的研究去協助解答,而有些問題可能不太容易找到答案呢!

 

參考文獻

  1. Jianzhi Zhang et. al. 2010. Pseudogenization of the Umami Taste Receptor Gene Tas1r1 in the Giant Panda Coincided with its Dietary Switch to Bamboo. Mol. Biol. Evol. 27(12):2669-2673.
  2. Jin K, Xue C, Wu X, Qian J, Zhu Y, et al. (2011) Why Does the Giant Panda Eat Bamboo? A Comparative Analysis of Appetite-Reward-Related Genes among Mammals. PLoS ONE 6(7): e22602.

原文轉載自作者部落格 Miscellaneous 999 文章 (1)(2)

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