«Панди мінімізують енергетичні витрати, щоб обходитися бамбуковою дієтою»

Ріс. 1. Велика панда (Ailuropoda melanoleuca). Ці великі ссавці ведуть малорухливий спосіб життя і використовують інші адаптації, щоб обходитися малокалорійною бамбуковою дієтою. Фотографія з сайту zooclub.ru

Китайські вчені з’ясували, як пандам вдається обходитися скромним раціоном, що складається майже виключно з втечі бамбука. Виявилося, що панди витрачають значно менше енергії, ніж інші наземні тварини, завдяки уповільненому обміну речовин. Низькою швидкістю обміну панди зобов’язані поломці гена DUOX2, що бере участь у синтезі гормонів щитовидної залози. Крім цього, панди рухаються менше і повільніше, ніж інші ведмеді, а їх мозок, печінка і нирки менше порівняно з органами інших плацентарних тварин.

Великі панди — знамениті чорно-білі ведмеді, своєрідний символ Китаю, а також Всесвітнього фонду дикої природи. Ці симпатичні тварини вважаються дуже миролюбними не тільки тому, що схожі на плюшеві іграшки, але і через свою майже повністю вегетаріанську дієту. На відміну від інших ведмедів, панди харчуються переважно рослинами — втечами бамбука. Для зручності поводження з тонкими стеблями у панд навіть розвинувся «великий палець» — з видозміненої сесамоподібної кістки кома (рис. 2).

Ріс. 2. Щоб отримати зручну для хапання втечі пензель, панди пішли особливим шляхом. У них «великий палець» зроблений з видозміненої кісточки кома, тоді як у людей один з п’яти пальців просто протиставляється іншим. Зображення з сайтів pandafriends.ru і elvensou1.ru

Але у панд немає найголовнішого, що необхідно травоїдним тваринам, — довгого кишечника, завдяки якому з рослинності можна витягти максимум поживних речовин. Їх травний тракт такий же короткий, як і у інших ведмедів, які вживають більш поживну їжу тваринного походження. Тому метаболізм панд довгий час залишався для вчених загадковим: було незрозуміло, як при такій будові травної системи їм вдається вкластися в низький енергетичний бюджет, який можна отримати з вегетаріанської їжі. Вивчати панд важко, тому що ці тварини дуже рідкісні і чисельність їхніх популяцій продовжує скорочуватися. Проте китайським вченим нещодавно вдалося дослідити метаболізм декількох панд, які як мешкають у дикій природі, так і живуть у зоопарках.

Енергозатрати тварин можна оцінити, вимірюючи швидкість обміну речовин в їх організмі. Китайські вчені використовували для цього мічену воду: і атоми водню, і атоми кисню в ній були представлені нестандартними ізотопами. Спочатку дослідники виміряли, наскільки швидко певна кількість такої води виводиться з організму панд, що проживають у зоопарку. Для цього тваринам вводили невелику кількість міченої води, а потім регулярно брали аналізи крові, щоб оцінити, яка частка мічених атомів там залишилася. Швидкість обміну води свідчить про швидкість обміну речовин в цілому і дозволяє судити про енергетичний бюджет, необхідний для підтримки метаболізму. Таким же методом досліджували обмін речовин у панд, що живуть у дикій природі: в перший раз їх відловлювали, щоб ввести мічену воду, а другий — через кілька днів, щоб подивитися, скільки міченої води ще залишилося в організмі тварин.

Енергетичні бюджети панд, що проживають в диких умовах і в неволі, не відрізнялися між собою, але були значно нижче розрахованих таким же методом енерговитрат у інших наземних тварин. Панди в середньому витрачали лише 5,2 МДж на день (дані по восьми особинах: трьом диким і п’яти, що живуть у неволі), тобто 37,7% від значення, яке можна розрахувати для тварини їх маси на підставі отриманих раніше даних для інших тварин (13,8 МДж на день). Панди відставали навіть від таких економних тварин, як коали, єхидні і котячі лемури (69%, 66% і 52% відносно очікуваного значення енерговитрат для тварин з відповідною масою тіла), і йшли приблизно нарівні з трипалим лінивцем (36%). Єдині тварини, у яких енерговитрати були ще нижче очікуваних, — це австралійський срібнохвостий щур (Zyzomys argurus) і пустельний златокрот (Eremitalpa granti): 21% і 26% відповідно (рис. 3). Але ці тварини, ймовірно, впадали в анабіоз в той період, коли у них вимірювали швидкість обміну речовин, тому порівнювати їх результати з усіма іншими некоректно.

Ріс. 3. Відношення добових енерговитрат до маси тіла для різних наземних тварин (шкали — логарифмічні). Даним для панди відповідає червоний гурток. Видно, що по відношенню енерговитрат до маси тіла з пандою може зрівнятися тільки трипалий лінивець (Bv). Нижчі значення раніше були отримані для австралійського срібнохвостого щура (Za) і пустельного златокрота (En), але ці тварини під час вимірювань могли впадати в анабіоз, так що порівнювати їх з іншими некоректно. Графік з обговорюваної статті в Science

Виходить, що панди витрачають найменше енергії з усіх наземних тварин, залишаючись при цьому активними. Мабуть, їм доводиться обходитися такою невеликою кількістю енергії саме через живлення бамбуком, для якого не дуже підходить їхня травна система. По відношенню енерговитрат до маси тіла панди швидше походять не на ссавців, а на рептилій, які не витрачаються на підтримку постійної температури тіла. Але за рахунок чого панди ставлять такий рекорд енергетичної невибагливості?

Зображення, отримані термальною камерою, показали, що температура тіла у панд все-таки нижча, ніж у інших ссавців, хоча і далеко не така низька, як у тварин, що впали в сплячку або анабіоз (рис. 4). Підтримувати температуру пандам допомагає густий хутро. Хоча вони і живуть у теплому кліматі, без хутра на підтримку температури тіла йшло б значно більше ресурсів.

Ріс. 4. Знімки декількох ссавців, зроблені термальною камерою. Панда виглядає менш яскравою, а значить, і менш теплою, ніж інші тварини. Зображення з обговорюваної статті в Science

Крім цього, панди економлять енергію, рухаючись менше і повільніше, ніж інші ведмеді. Середня швидкість їх пересування склала 26,9 метрів на годину, і хоч з якоюсь видимою неозброєним оком швидкістю вони пересувалися не більше половини всього часу (а в неволі — і зовсім третина часу). У дикій природі панди дещо частіше займалися активною діяльністю, ніж у зоопарках, але назвати їх рухливими все одно було не можна.

Панди витрачають менше ресурсів і на підтримку найдорожчих в енергетичному плані органів — мозку, печінки і нирок. Ці органи у них менше, ніж можна було б очікувати виходячи з їх маси тіла і на підставі даних для інших плацентарних тварин. Маса головного мозку в середньому склала 82,5% від очікуваного, маса печінки — 62,8%, а нирок — 74,5%.

Інтенсивність обміну речовин регулюється гормонами щитоподібної залози. Вчені виміряли рівні таких гормонів — тироксину і трийодтиронина — у тих же панд, для яких розраховували енерговитрати. Рівні тироксину і трийодтиронина у панд склали 46,9 і 64% від очікуваного для плацентарних тварин з такою масою тіла. Вони були навіть нижче, ніж у бурого ведмедя, що впав у сплячку. Отже, пандам допомагає підтримувати низьку інтенсивність обміну речовин слабке напрацювання гормонів щитовидної залози. Вчені вирішили знайти гени, які в цьому задіяні. Для цього вони стали шукати мутації в генах шляху синтезу гормонів щитоподібної залози, які відрізняють панд від п’яти інших хижаків, а також миші і людини. Виявилася всього одна така мутація — в гені DUOX2. Цей ген кодує мембранний білок, що займається перетворенням води на перекис водню, яка потрібна на фінальному етапі синтезу тироксину і трийодтиронина. У панд у цьому гені передчасно виникав стоп-кодон, через що функціональний білок, мабуть, взагалі не утворювався. Оскільки цей фермент — не єдиний зайнятий в синтезі перекису, гормони щитоподібної залози у панд все-таки утворювалися, хоча і в значно менших кількостях, ніж у інших плацентарних тварин. Через це їх обмін речовин був достатньо повільним, щоб для його підтримки вистачало бамбука.

Тепер ми розуміємо, як пандам вдається бути вегетаріанцями при невідповідній для такої дієти будові кишківника. Їм допомагають відразу кілька пристосувань на різних рівнях — молекулярному, анатомічному і поведінковому. Панди багатьом жертвують, щоб обходитися такою низькокалорійною дієтою, як бамбук: вони менше і повільніше рухаються, їх мозок, печінка і нирки значно зменшилися і температура тіла не така висока, як у інших ссавців. Зате ці тварини зайняли вузьку нішу, на яку ніхто не претендує, і змогли стати рекордсменами в економічності метаболізму.

Джерело: N. Yonggang et al. Exceptionally low daily energy expenditure in the bamboo-eating giant panda // Science. 2015. V. 349. P. 171–174.

Юлія Кондратенко