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科普:新解动物的抱团取暖 精选

已有 8952 次阅读 2018-7-29 11:14 |个人分类:科普随笔|系统分类:科普集锦| 科普, 布氏田鼠, 聚群, 抱团取暖

 

新解动物的抱团取暖

王德华

说明:本文是应邀为中科院之声写的一篇科普文章,主要围绕我们研究组最近发表的两篇关于动物的聚群行为(huddling)的论文,从生理学的角度理解动物的聚群行为。感谢学生们的修改和建议。

     

自然界中很多动物都是群体生活的,有些群体是动物随意聚集而成的,还有一些是具有复杂关系的社会性群体,虫鱼鸟兽都有。昆虫世界中的蜜蜂和蚂蚁都是以大家庭生活的,这个大家庭个体间亲缘关系密切,生活分工有序,每个个体在协作中受益。海洋里的鲑鱼,天空中的大雁,也是群体生活的,一起出行,一起猎食,一起迁徙。还有草原上的牛羊,非洲大草原上的狮子和大象,森林中的猴群,海洋中的鲸鱼,洞穴里的蝙蝠,等等,都是我们熟悉的群体生活的动物。

鸟类中最著名的群居生活的例子是南极的帝企鹅,如果没有集体生活,它们在严寒的冬季是不能完成生儿育女的繁殖过程的。哺乳动物中,生活在南非的狐獴(灰沼狸),其群居生活也是很有名的,灰沼狸的家庭也是分工明确,管理严格。个体一旦离开了群体就很难生存下去。

动物选择群体生活,一定是有好处的,当个体在群体中的好处超过其独自生活的好处,且抵消了群体生活带来的损失,动物就会选择群体生活。科学家发现集体生活确实有很多好处,如群体生活的动物觅食成功率高,这个也好理解,群体成员多,耳目多,更容易发现食物。群体生活可以共同防御天敌,会增加安全感,道理跟容易发现食物一样,由于群体大,耳目多,容易发现天敌,同时集体生活可以降低自己被捕食的几率。群体生活,可以共同保卫资源,共同抵制竞争和入侵。复杂的群体生活,需要一定的秩序,需要社会分工。分工明确的动物群体更有生活优势和竞争优势。

事情都是两方面的,既然有有利的一面,也就有不利的方面。如动物群体大,资源紧张的时候,为了食物、隐蔽场所、配偶等,个体间会容易产生争斗,内部冲突的机会也会增加。群体大了,还会增加疾病和寄生虫传播扩散的机会。另外群体大,集体活动也容易暴露目标,容易被天敌发现。

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帝企鹅 (图片来源于网络)

    

动物选择群体生活的目的有很多,在寒冷环境和寒冷的季节,对于鸟类和哺乳动物这些恒温动物,聚在一起可以抱团取暖,节约能量,共同渡过严冬。据统计,动物聚群的能量消耗可以减少8%到53%。

生活在南极的帝企鹅,在严冬季节繁殖。在繁殖场地由于不能获得食物,雌雄企鹅在配对期间需要耐受45天的饥饿。然后雄性企鹅单独承担孵化宝宝的责任,它还需要继续耐受65天的饥饿。所以帝企鹅能否繁殖成功,很大程度上取决于雄性企鹅的身体状况。

企鹅的聚群行为可以大大减少企鹅的热量散失,并维持一个相对较高和较稳定的体温,这对孵化过程是非常重要的。帝企鹅的孵化过程是很壮观的,成千上万只雄性企鹅聚在一起。聚群的效果是很明显的,它们紧紧聚群的时候使得环境温度可以达到37.5℃,接近动物的体温。

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栖息在内蒙古草原上的布氏田鼠

   

不过,抱团生活,就一定能“取到暖”么?最近,中科院动物所王德华研究组对内蒙古草原上生活的一种名字叫“布氏田鼠”(学名是 Lasiopodomys brandtii)的草食性啮齿动物的聚群行为进行了研究,有一些新的有趣的发现。

我们知道,小型恒温动物(如鸟类和哺乳动物),由于个体小,其身体的表面积相对于体积而言,相对较大,也就是说体表面积与体积的比值比较大。体表面积大,散热面积也就大,这样动物在寒冷的环境中,身体的热量散失就多,热量散失的速度就加快,这对于动物维持稳定的体温是非常不利的。在这个时候聚群行为就是取暖的一个很有效的方式。

田鼠的体温与我们人类的差不多,一般在37℃左右。我们把田鼠放在23℃(凉爽)和4℃(寒冷)环境中饲养,分为两组,一组独居的,没有机会聚群,一组群居的,能够聚群。实验结果与我们的预测比较符合,寒冷条件下动物会聚群,聚群后摄食量减少了29%,代谢率降低了36-37%,保温性能提高了39%。

不过,也有与我们预期不一致的结果。一般聚群后动物的体温(身体内部的温度)升高,但我们的实验中布氏田鼠的体温却下降了0.25℃到0.5℃,并且聚群后动物的活动性也增加了。我们用红外相机测定了田鼠的身体表面温度,聚群后动物的体表温度明显升高了。

抱团生活后动物的体温降低的现象,这还是第一次观察到。我们在研究中用了体内移植温度传感器的技术监测了动物身体内部温度的变化,可以观察到体温的细微变化。一种可能的解释是,聚群导致动物产生热量的能力降低,聚群后动物的警惕性等也会比较放松,动物可能通过一系列复杂的生理过程主动把体温降到了一个新的平衡点上。这样田鼠在面临寒冷环境的时候,不需要额外增加能量摄入和产热能力,就能够抵御严寒环境。

   

肠道微生物是近年来很热的一个领域。越来越多的研究也发现,肠道微生物对动物(包括人类)生理功能的影响和健康也越来越重要。环境温度变化、行为变化,都会对动物和人类的肠道微生物产生影响。

我们在田鼠的研究中发现,低温(如4℃)和聚群行为都会引起布氏田鼠盲肠中微生物数量的变化(丰富度)和微生物种类的变化(多样性)。令人惊奇的变化是,动物聚群以后,盲肠中与田鼠的炎性黏膜疾病相关的那些病原微生物的种类降低了,能够产生乙酸、丙酸和丁酸的微生物种类和数量增加了。而乙酸、丙酸和丁酸是短链脂肪酸,短链脂肪酸对于保护肠道和维持身体的健康状态是有利的。也就是说,动物的聚群行为使得动物肠道内有害的微生物减少了,有益的微生物增加了。肠道微生物种类和数量的这种变化,更加有利于动物的健康。

我们将寒冷环境中单独饲养的布氏田鼠盲肠的菌群,移植到凉爽环境中单独饲养的田鼠的体内后,动物的能量摄入水平和产生热量的能力都提高了,说明移植的微生物改变了动物的生理功能。有意思的是,如果移植寒冷环境中聚群的田鼠盲肠的菌群,对动物的能量摄入和产热能力没有影响。

所以,布氏田鼠在寒冷的环境中,肠道内微生物的种类组成和结构会发生改变。肠道微生物在生活过程中会产生一些代谢物质,这样就又会引起动物的能量摄入和体温调节的变化。聚群后,会使得田鼠的体温降低,能量消耗量降低。


https://ss2.baidu.com/6ONYsjip0QIZ8tyhnq/it/u=3736104776,3279161598&fm=173&app=25&f=JPEG?w=600&h=493&s=E3BB33C71C1642C64E08B5630300D073

布氏田鼠

   

可以想象,在内蒙古大草原上,在食物短缺的严冬里,布氏田鼠通过聚群行为,节省了能量消耗,减少了热量散失,增加了保温能力,从而提高了生存能力,保证了来年的繁殖过程。这些重要的生理功能的变化,肠道微生物在其中起了重要的作用。

动物的聚群行为还有很多奥秘没有解开。聚群的生态学和生理学效果与聚群的大小、环境温度、紧密程度等都有很大的关系。聚群行为有的紧密,有的松散。鱼类、两栖爬行动物等是变温动物,它们的聚群与鸟类和哺乳动物等恒温动物的聚群在机理上和效果上,可能有所不同。所以,要彻底揭开动物聚群行为的机理和奥秘,还需要我们做很多工作。

 

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稍微专业化的报道:

肠道菌群介导动物聚群行为节省能量的机制


社会性动物(包括人类)具有群居生活的习性。群居生活的益处是能够提高动物获得食物的可能性、缓解压力、降低被捕食风险,以及提高自身和群体的适合度。聚群行为(Huddling)是社会性动物在恶劣环境下为提高自身适合度进化出的一种合作适应性行为。社会性体温调节(Social   thermoregulation)假说认为聚群行为可以通过减少体表面积与体积之比率以减少热量散失而节约能量。动物生理生态学研究组从生理能量学角度揭示小型哺乳动物的聚群行为可通过降低代谢产热和降低体温从而降低动物对能量的需求(Sukhchuluun et   al., 2018, Frontiers in Physiology, 9:563)。该研究结果为聚群行为调节产热提供了生理学证据,对传统的社会性体温调节假说有了更深入细致的解释。 

宿主与肠道菌群是共同进化的。动物的生活方式可能会对其肠道菌群产生影响。我们进一步的研究发现,动物的聚群行为能够引起肠道菌群的丰富度和多样性升高,增加有益菌而降低有害菌的数量,提高代谢产物短链脂肪酸的含量,短链脂肪酸作为宿主的能量底物,从而降低能量需求;通过进行菌群移植也证实了肠道菌群能够介导宿主的能量和体温调节。该研究揭示了动物的聚群行为和肠道菌群调节内温动物体温和能量代谢的共同进化机制。

这项研究工作以“Huddling   remodels gut microbiota to reduce energy requirements in a small mammal species   during cold exposure”为题在线发表于Microbiome Zhang et al., 2018, Microbiome, 6:103)。


http://www.ioz.ac.cn/xwzx/kyjz/201806/W020180619311369125784.png


寒冷和聚群行为诱导动物肠道菌群发生改变,进而调控宿主的代谢和体温调节

 

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-41757-1126468.html

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