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腸道菌幫助熊貓分解竹子

陸子鈞
・2011/12/30 ・1087字 ・閱讀時間約 2 分鐘

大熊貓無法自己消化竹子,不過拜腸道菌所賜,即使牠的消化系統較適合消化肉類,還是能靠素食維生。

熊貓(Ailuropoda melanoleuca)大概是動物王國中,最挑食的一員。野生熊貓一天要吃掉超過12公斤的竹子,他們之所以要吃這麼多,是因為構成植物含有大量的纖維,缺乏卡路里,即使竹子營養成份有蛋白質、醣類、脂肪和其他元素。一篇在1982年發表,針對華盛頓動物園(Smithsonian National Zoological Park)中兩隻熊貓的研究,發現竹子中92%的纖維,及73%的半纖維,會通過消化道,在糞便中排出。

幾乎所有的草食動物都有辦法將纖維分解成醣類,舉牛和其他反芻動物為例,牠們都有複雜的消化系統,包括數個胃臟,充滿不同的微生物,植物反覆經過腸道,盡可能萃取出所有養分。不過熊貓是熊,屬於肉食動物家族,沒有像草食動物一樣能分解植物的消化液和腸胃。先前的研究也發現,熊貓的腸道菌相,近似黑熊、北極熊,還有其他肉食動物。

中國科學院(Institute of Zoology at the Chinese Academy of Sciences in Beijing)的研究員魏輔文和其他科學家,進一步探究生活在熊貓腸道的微生物。研究團隊從秦嶺及相嶺的山區,收集七隻野生及另外八隻圈養的熊貓糞便樣本。將樣本作DNA定序後,找到不同的菌種,還找出千百種細菌的基因。

野生熊貓和圈養熊貓有著不同的食性及生活模式-圈養熊貓的食物較多樣,還包括水果及牛奶-不過兩種熊貓有著類似的腸道菌相。魏輔文主持的研究團隊,找到一種過去未曾發現,在Clostridium細菌上的基因;這種基因和把纖維分解成醣類的酵素基因非常相似。研究成果發表在美國國家科學院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)。

魏輔文表示,這種細菌產生的酵素,能幫助熊貓從竹子中得到更多的能量。熊貓除了有強壯的下顎和牙齒能咀嚼竹子,多的拇指可供抓握,還有可以分解纖維的微生物,使牠們能夠生活在竹林中。

不過康乃爾大學的為生物學家Ruth Ley認為,和其他雜食性動物相比,熊貓能分解纖維的消化酵素還是太少,無法有效率地進食;微生物並不是支持熊貓能量所需的關鍵-一天有15小時在進食才是。

參考資料:

  1. Zhu, L., Wu, Q., Dai, J., Zhang, S. & Wei, F. Proc. Natl Acad. Sci. USA http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1017956108 (2011).
  2. Dierenfeld, E. S., Hintz, H. F., Robertson, J. B., van Soest, P. J. & Oftedal, O. T. J. Nutrition 112, 636-641 (1982). | ISI |
  3. Ley, R. E. et al. Science 320, 1647-1651 (2008). | Article | ISI | ChemPort |

資料來源:NatureNews: Microbes help giant pandas overcome meat-eating heritage [17 October 2011]

延伸資料:NatureNews: Genome reveals panda’s carnivorous side  [13 December 2009]

 

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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殭屍真菌的心智操控術!被附身的螞蟻變成「孢子釋放機」——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/25 ・1691字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

最多產、最能有創意地操控動物行為的,是一群住在昆蟲體內的真菌。這些「殭屍真菌」改變寄主行為的方式,得到明確的好處──真菌綁架一隻昆蟲,就能散播孢子,完成自己的生命週期。

研究最透徹的殭屍真菌是偏側蛇蟲草菌(Ophiocordyceps unilateralis),這種真菌的一生都繞著巨山蟻(carpenter ant)打轉。巨山蟻受真菌感染之後,會失去自己怕高的本能,拋下相對安全的巢,爬上最近的植物──這症狀稱為「登頂症」(summit disease)。在適當的時候,真菌會迫使巨山蟻用大顎鉗住那株植物、「死命一咬」,菌絲體從巨山蟻腳上長出來,把巨山蟻固定在植物表面。真菌接著消化巨山蟻的身體,從巨山蟻頭上發出菇柄,孢子撒向經過下方的巨山蟻身上。如果孢子錯失了目標,就會產生次生的黏性孢子,在作為引線的細絲上向外延伸。

受到蛇形蟲草(zombie fungus)感染的巨山蟻。圖/AntWiki by João P. M. Araújo

殭屍真菌極為精準地控制它們寄主昆蟲的行為。蛇形蟲草(Ophiocordyceps)會強迫螞蟻去溫度、溼度剛好的區域死命一咬,讓真菌結實──就在森林離地二十五公分高的地方。真菌利用太陽的方向來引導螞蟻,在中午時分同步感染螞蟻。螞蟻不會咬進葉背的任何老位置。百分之九十八的情況下,螞蟻會咬住主脈。

殭屍真菌如何控制寄主昆蟲的心智,一直令研究者大惑不解。二○一七年,真菌操控行為的一位頂尖專家大衛.休斯(David Hughes)帶領的一支團隊,在實驗室裡用蛇形蟲草感染了螞蟻。研究者在螞蟻死命一咬的那一刻,把螞蟻的身體保存起來,切成薄片,重建真菌住在螞蟻組織中的三維圖像。他們發現真菌變成螞蟻體內的一個假體器官,占據螞蟻身體的程度令人不安。受感染的螞蟻生物量之中,高達百分之四十是真菌。菌絲從頭到腳蜿蜒鑽過螞蟻的體腔,纏住螞蟻的肌纖維,透過互連的菌絲體網絡來協調螞蟻活動。然而,螞蟻的腦中居然沒有菌絲。休斯和他的團隊完全沒料到這情況。他們預期螞蟻的腦部會有真菌,才能那麼精細地控制螞蟻的行為。

結果真菌似乎是採用藥理學的方式。研究者懷疑,真菌雖然沒有實際存在於螞蟻腦部,但還是靠分泌化學物質,影響螞蟻的肌肉和中央神經系統,進而操控螞蟻的行動。但究竟是哪些化學物質,還不清楚。也不知道真菌能不能切斷螞蟻腦部和身體的連結,直接協調螞蟻的肌肉收縮。不過,蛇形蟲草和麥角菌是近親,瑞士化學家艾伯特.赫夫曼(Albert Hofmann)最初正是從麥角菌分離出用於製造 LSD 的化學物質,繼而做出一類化學物質,LSD 正是衍生物──這類化學物質稱為「麥角鹼」。在感染的螞蟻體內,負責產生這些生物鹼的蛇形蟲草基因組啟動了,表示這些基因組在操控螞蟻行為的過程中,可能扮演了某種角色。

雀麥上的麥角菌。圖/WIKIPEDIA by Claude De Brauer

不論這些真菌是怎麼辦到的,它們的干預以人類的任何標準來看,都十分驚人。經過幾十年的研究,投入數十億美元的經費,用藥物調控人類行為的能力還完全無法微調。比方說,抗精神疾病藥物無法針對特定的行為,其實只有鎮定效果。相較之下,蛇形蟲草百分之九十八的成功率,不只是讓螞蟻向上爬或是死命一咬(這百分之百會發生),而是咬到葉片特定的部位,並且是對真菌最理想的環境。不過公平起見,蛇形蟲草和許多殭屍真菌一樣,其實有很長的時間可以微調它們的做法。受感染的螞蟻行為有跡可循。螞蟻的死命一咬在葉脈上留下明顯的疤痕,依據化石化的疤痕,這種行為的起源可以追溯到距今四千八百萬年前的始新世(Eocene)。真菌很大部分的時間都在操控動物心智,可能自己也有心智。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

azothbooks_96
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