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動物的食譜，糞便知道
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食性研究其實是動物生態(tài)學的重要內(nèi)容之一，是了解動物與環(huán)境關(guān)系及捕食者與獵物關(guān)系的前提，同時也是構(gòu)建棲息地選擇和利用模型、探討取食對策和營養(yǎng)流動、評估物種生存狀況和生態(tài)系統(tǒng)功能等熱點問題的基礎。食性分析方法的準確性和精確性直接關(guān)系到食性相關(guān)理論的探索，同時也關(guān)乎食性結(jié)果應用于動物保護的實踐。研究者對食性相關(guān)問題的研究越來越深入，食性分析方法也在不斷改進和更新。傳統(tǒng)食性方法，大多基于形態(tài)學鑒定、光譜結(jié)構(gòu)差異或同位素原理，解決了很多與食性相關(guān)的生態(tài)學問題，但由于受到技術(shù)和適用范圍的限制，這些方法還存在一些不足【1】。
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我們雖然沒有時間和精力一直盯著他們觀察，很難直觀的看見他們吃了什么。不過隨著科學技術(shù)的發(fā)展，我們也不需要那么近距離的觀察，也不需要當場就看見，而只需要“撿屎”就能反映食物在消化系統(tǒng)的“簡史”。想知道便便是怎么出賣了“個人信息”的，我們得先了解一坨糞便中都包含哪些成分（圖2）。
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食物的殘渣很好理解，很多動物毛皮和一些很難消化的成分，很多動物的糞便中都會有寄生蟲的蟲卵，很多時候可以根據(jù)這個來判斷野外動物的疾病和健康狀態(tài)。另外還有很多代謝產(chǎn)物，大部分都是腸道微生物代謝產(chǎn)生的，目前研究比較火熱的腸道微生物也是和代謝相關(guān)的。最后當然還有最關(guān)鍵的信息，那就是DNA，因為糞便中會有動物的腸道上皮細胞（太用力估計會殘留的更多。。。）以及細菌，真菌等微生物，所以會有他們的DNA集合，但是由于糞便的化學成分非常復雜，DNA會很快產(chǎn)生降解，也就是說我們能通過提取得到的DNA都是比較碎的片段。但是這并不妨礙我們通過特定的DNA片段來檢測我們想要獲得的信息。
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在前面的一期文章中，我介紹了DNA 條形碼（假如給物種貼上條形碼【2】）的概念，就是利用一段特定的DNA片段就可以識別物種，所以我們根據(jù)糞便樣品中殘留的DNA，經(jīng)過PCR和測序，就可以知道里面存在什么物種，也就是說可以還原它們的食譜。具體來講基于高通量測序分析動物食性的基本流程是:提取食性樣品中食物殘渣的 DNA→選擇兼?zhèn)涓咄ㄓ眯院?/span> 高分辨率的 DNA 條形碼引物→PCR 擴增(引物可加相應的寡核苷酸標簽)→高通量擴增子測序→獲得 DNA 序列→生物信息學分析(序列篩選、比對、判定)→判斷食性樣品中各個 DNA 序列所對應的食物種類【1】。
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我們就拿雪豹作為一個例子來看看這種方法的研究結(jié)果。2009年，山水自然保護中心與北京大學自然保護與社會發(fā)展研究中心開始長期的雪豹物種及棲息地的研究和保護工作。撿拾雪豹的糞便樣品就成了他們工作中重要的組成部分，通過他們的研究，發(fā)現(xiàn)雪豹最常捕食的動物為巖羊、北山羊和旱獺。至于旱獺，則以其群聚數(shù)量多、行動緩慢極易捕捉，且肉質(zhì)鮮嫩肥美多汁獲得了雪豹主子的青睞，成功擠入雪豹主子的主食名單。唯一美中不足的是，旱獺有冬眠的習性，因此準確來說，旱獺屬于雪豹主子的“春夏秋特供”。除此之外，在食物匱乏的時期，雪豹會直接沖到山下的牧民家搶牦牛、綿羊和山羊吃。雖然食用量僅占總捕食量的4%左右，但也給它的牧民鄰居家造成了極大的經(jīng)濟損失，也因此遭到了的強烈抗議。這一部分目前占捕食總量的10%左右。而他們的最新研究成果中還發(fā)現(xiàn)除了肉類殘渣，檢測到了相當數(shù)量的檉柳科植物的殘骸，但豹主子為啥還要吃植物還有待研究，不知道是在吃主食食草動物的時候順便吃進嘴里的，還是也追趕個潮流平衡膳食往自己的食譜里加點粗纖維，防止“便秘”？這需要進一步的研究才會知道【3】。所以通過高通量測序的技術(shù)手段我們可以輕易獲得食物的信息，可以描繪出整個食物鏈的網(wǎng)絡，及其雪豹食物隨著季節(jié)的改變。這為雪豹的保護，解決人獸沖突問題供了基礎的依據(jù)。
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當然，這種通過DNA的方式檢測物種來源的方式并不是完美的，其中也存在很多問題，比如樣品的降解問題，污染問題，以及PCR的偏向性問題都會導致結(jié)果的不準確【4】。另外，如果選取的DNA條形碼精度沒那么高，可能會得到一些物種只能知道是屬于哪個科的或者是哪個屬的，不能確定到物種的級別。目前，世界上絕大多數(shù)動物的食性，現(xiàn)在還處于較為粗略的定性描述階段，隨著高通量測序技術(shù)成本降低，期待更多的動物學家利用該技術(shù)分析食性，整合食性結(jié)果去解釋一些更加復雜但又富有意義的問題，比如，探討熱帶草原動物的食物來源隨季風變化的變化；動物捕食和植物種子傳播的關(guān)系等等。相信通過高通量測序技術(shù)可以為我們提供更加廣闊的研究視野，對我們?nèi)祟惻c自然的相處關(guān)系有更加深刻的認識。
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動物的食譜，糞便知道
每天困擾我們的三大難題：早上吃什么，中午吃什么，晚上吃什么。還有鏟屎官們要擔心給自家的寵物吃什么的問題，不過不用擔心，購物網(wǎng)站種類齊全的貓糧狗糧隨你選，一鍵下單，主子不喜歡，沒問題咱就換唄！可是我們要想知道野生動物的食譜那就沒那么簡單了。比如你要研究野外的田鼠都吃什么，吃哪些農(nóng)作物，找個人蹲點守著，emm，好像不太可能，抓一只解剖來看看？好像還可以。不過要是研究比較珍稀的物種呢，他們的活動范圍很廣，行蹤又飄忽不定呢？比如像雪豹這種生活在無人罕至的地方的珍稀瀕危物種 （圖1）。傳統(tǒng)的觀察法就無能為力了。
?食性研究其實是動物生態(tài)學的重要內(nèi)容之一，是了解動物與環(huán)境關(guān)系及捕食者與獵物關(guān)系的前提，同時也是構(gòu)建棲息地選擇和利用模型、探討取食對策和營養(yǎng)流動、評估物種生存狀況和生態(tài)系統(tǒng)功能等熱點問題的基礎。食性分析方法的準確性和精確性直接關(guān)系到食性相關(guān)理論的探索，同時也關(guān)乎食性結(jié)果應用于動物保護的實踐。研究者對食性相關(guān)問題的研究越來越深入，食性分析方法也在不斷改進和更新。傳統(tǒng)食性方法，大多基于形態(tài)學鑒定、光譜結(jié)構(gòu)差異或同位素原理，解決了很多與食性相關(guān)的生態(tài)學問題，但由于受到技術(shù)和適用范圍的限制，這些方法還存在一些不足【1】。
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我們雖然沒有時間和精力一直盯著他們觀察，很難直觀的看見他們吃了什么。不過隨著科學技術(shù)的發(fā)展，我們也不需要那么近距離的觀察，也不需要當場就看見，而只需要“撿屎”就能反映食物在消化系統(tǒng)的“簡史”。想知道便便是怎么出賣了“個人信息”的，我們得先了解一坨糞便中都包含哪些成分（圖2）。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2. ?動物糞便的組成成分
?食物的殘渣很好理解，很多動物毛皮和一些很難消化的成分，很多動物的糞便中都會有寄生蟲的蟲卵，很多時候可以根據(jù)這個來判斷野外動物的疾病和健康狀態(tài)。另外還有很多代謝產(chǎn)物，大部分都是腸道微生物代謝產(chǎn)生的，目前研究比較火熱的腸道微生物也是和代謝相關(guān)的。最后當然還有最關(guān)鍵的信息，那就是DNA，因為糞便中會有動物的腸道上皮細胞（太用力估計會殘留的更多。。。）以及細菌，真菌等微生物，所以會有他們的DNA集合，但是由于糞便的化學成分非常復雜，DNA會很快產(chǎn)生降解，也就是說我們能通過提取得到的DNA都是比較碎的片段。但是這并不妨礙我們通過特定的DNA片段來檢測我們想要獲得的信息。
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在前面的一期文章中，我介紹了DNA 條形碼（假如給物種貼上條形碼【2】）的概念，就是利用一段特定的DNA片段就可以識別物種，所以我們根據(jù)糞便樣品中殘留的DNA，經(jīng)過PCR和測序，就可以知道里面存在什么物種，也就是說可以還原它們的食譜。具體來講基于高通量測序分析動物食性的基本流程是:提取食性樣品中食物殘渣的 DNA→選擇兼?zhèn)涓咄ㄓ眯院?/span> 高分辨率的 DNA 條形碼引物→PCR 擴增(引物可加相應的寡核苷酸標簽)→高通量擴增子測序→獲得 DNA 序列→生物信息學分析(序列篩選、比對、判定)→判斷食性樣品中各個 DNA 序列所對應的食物種類【1】。
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我們就拿雪豹作為一個例子來看看這種方法的研究結(jié)果。2009年，山水自然保護中心與北京大學自然保護與社會發(fā)展研究中心開始長期的雪豹物種及棲息地的研究和保護工作。撿拾雪豹的糞便樣品就成了他們工作中重要的組成部分，通過他們的研究，發(fā)現(xiàn)雪豹最常捕食的動物為巖羊、北山羊和旱獺。至于旱獺，則以其群聚數(shù)量多、行動緩慢極易捕捉，且肉質(zhì)鮮嫩肥美多汁獲得了雪豹主子的青睞，成功擠入雪豹主子的主食名單。唯一美中不足的是，旱獺有冬眠的習性，因此準確來說，旱獺屬于雪豹主子的“春夏秋特供”。除此之外，在食物匱乏的時期，雪豹會直接沖到山下的牧民家搶牦牛、綿羊和山羊吃。雖然食用量僅占總捕食量的4%左右，但也給它的牧民鄰居家造成了極大的經(jīng)濟損失，也因此遭到了的強烈抗議。這一部分目前占捕食總量的10%左右。而他們的最新研究成果中還發(fā)現(xiàn)除了肉類殘渣，檢測到了相當數(shù)量的檉柳科植物的殘骸，但豹主子為啥還要吃植物還有待研究，不知道是在吃主食食草動物的時候順便吃進嘴里的，還是也追趕個潮流平衡膳食往自己的食譜里加點粗纖維，防止“便秘”？這需要進一步的研究才會知道【3】。所以通過高通量測序的技術(shù)手段我們可以輕易獲得食物的信息，可以描繪出整個食物鏈的網(wǎng)絡，及其雪豹食物隨著季節(jié)的改變。這為雪豹的保護，解決人獸沖突問題供了基礎的依據(jù)。
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當然，這種通過DNA的方式檢測物種來源的方式并不是完美的，其中也存在很多問題，比如樣品的降解問題，污染問題，以及PCR的偏向性問題都會導致結(jié)果的不準確【4】。另外，如果選取的DNA條形碼精度沒那么高，可能會得到一些物種只能知道是屬于哪個科的或者是哪個屬的，不能確定到物種的級別。目前，世界上絕大多數(shù)動物的食性，現(xiàn)在還處于較為粗略的定性描述階段，隨著高通量測序技術(shù)成本降低，期待更多的動物學家利用該技術(shù)分析食性，整合食性結(jié)果去解釋一些更加復雜但又富有意義的問題，比如，探討熱帶草原動物的食物來源隨季風變化的變化；動物捕食和植物種子傳播的關(guān)系等等。相信通過高通量測序技術(shù)可以為我們提供更加廣闊的研究視野，對我們?nèi)祟惻c自然的相處關(guān)系有更加深刻的認識。
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參考文章：
- 劉剛, et al. "高通量測序技術(shù)在野生動物食性分析中的應用." 生態(tài)學報 38.9 (2018): 3347-3356.
- http://m.fulltimefluency.com/knowledge-detail/i-1294.html
- https://mp.weixin.qq.com/s/ZvtbKKFxwkrrCxnYed2nyw
- JORDAN M. Dietary analysis for mammals and birds: a review of field techniques and animal‐management applications [J]. International Zoo Yearbook, 2005, 39(1): 108-16.
聽說，打賞我的人最后都找到了真愛。
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