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你见过冰激凌味的乳汁吗?千奇百怪的乳汁,意义远不止喂养后代

绘图:Marcos Chin

随着科学家们更充分地理解了乳汁的进化过程及其成分的多样性,哺乳动物的这一标志性特征或将被重新定义。

撰文 | Natalie Angier

编译 | 施怿

审校 | 吴非

大多数雌性苍蝇都采取一种低成本的育儿方式:在垃圾堆或粪便中产下许多种子大小的卵,这些卵孵化出的幼虫将自己照料自己。

雌性舌蝇则不然。它们会先在体内孕育幼虫,一次只有一只。9天后,当幼虫从子宫中诞生时,其体型几乎与母蝇相当。

“(对人类来说)这相当于生下一个18岁的孩子。”加州大学戴维斯分校研究舌蝇的昆虫学家Geoffrey Attardo说。

新生的舌蝇幼虫看起来像一枚手榴弹,移动时像弹簧,如果你用手使劲挤它,就会明白它如此丰满的原因——你会看到白色的幼虫就像是一大袋乳汁。

刚刚出生的舌蝇幼虫(图片来源:Geoffrey M Attardo)

Attardo说:“如果弄破幼虫的消化道,乳汁就会溢出来。”

无论是从营养学、生物化学还是免疫学的角度来讲,这种乳汁都十分精妙。它从母蝇的血液中流出,继而在子宫内被发育中的幼蝇贪婪吞下。

就这样,靠着母亲的慷慨馈赠,在成为一只臭名昭著、咬人一口就能传播致命昏睡病的舌蝇成虫之前,被喂肥的幼虫得以安全地在地下挖洞并孵化30天。

在最近对舌蝇乳汁的化学和遗传学分析中,Attardo及同事惊讶地发现,这种乳汁与哺乳动物乳腺的产物非常相似。“我本来期待着看到完全不同的东西,”他说,“但我们看到,在蛋白质种类上,这种乳汁与哺乳动物的乳汁有着惊人而又迷人的重叠。”

对舌蝇的最新研究只是关于乳汁的一个例子。研究人员最近在一系列意想不到的、没有乳腺的地方发现了发挥母乳作用的物质:无脊椎动物中的蜘蛛、蟑螂和埋葬甲虫;脊椎动物中的大白鲨、雄性帝企鹅和雌雄火烈鸟。

绘图:Marcos Chin

乳汁中的高蛋白

其他科学家追溯了哺乳动物哺乳行为的进化过程,并得出结论:哺乳行为的出现并不是为了方便喂养幼崽,而是为了帮助我们的卵生祖先更好地在干燥的陆地上使用有限的水。

还有一些科学家正试图从包含了全世界5500多种哺乳动物的样本中寻找并理解乳汁成分的差异。他们已经发现,一些奇特的哺乳动物的需求与它们的乳汁成分之间有着令人信服的一致性。

例如,美国史密森尼国家动物园的哺乳行为研究者Michael Power检测了九带犰狳的乳汁后,对其中的高浓度的钙、磷以及更高的蛋白质含量印象深刻。

九带犰狳(来源:National Wildlife Federation)

“蛋白质含量高得惊人,占比远超乳汁中的其他成分。”Power说。他是《乳汁:哺乳生物学》一书的作者之一。

矿物质含量高是有道理的。“犰狳会长出骨质的甲壳,”Power说,“所以犰狳幼崽需要大量的钙和磷。”

但是该如何解释乳汁中高含量的蛋白质呢?研究人员很快意识到,这和化学有关。如果直接向大多数哺乳动物的乳汁中加入大量的钙和磷,这些矿物质就会结合在一起形成不溶的磷酸盐化合物。

“这些物质会卡在乳腺里,永远无法到达幼崽体内。”Power说。那么解决方案是什么呢?加入额外剂量的酪蛋白,将矿物质结合成紧密、可用的纳米团簇。

“如果要提供高钙、高磷的乳汁,它必须同时也是高蛋白的,”Power说,“因为其中有很多蛋白质是运输钙、磷的载体。”

史密森尼学会的名誉研究员Olav Oftedal及同事曾经试图估算黑熊幼崽在巢穴中接受哺乳时乳汁的消耗速率。研究人员意外地在母熊的血液和乳汁中发现了用同位素标记的水样,而这些水样是他们在实验早期提供给幼崽的。

这些同位素只能通过一种方式进入母乳。“母熊在窝里哺乳,” Oftedal说,“她不吃不喝,但会吞下幼崽的排泄物,随后这些排泄物中的水又出现在乳汁中。”

代价高昂的哺乳期

生物学家认为,不应该随意使用“乳汁”这个词,一些哺乳动物学家将“乳汁”限定为哺乳动物特有的乳腺分泌出的液体。

但也有很多科学家认为,任何由亲代合成或高度加工,且其后代生存必需的物质,都可称之为乳汁。按照这个标准,仅仅是预消化的食物可能不算数,但如果父母向食丸中额外添加了某些必需成分,那么反刍的食物就可以被视为一种乳汁。

德国拜罗伊特大学的Sandra Steiger及其同事最近报道了一种双亲共同养育后代的葬甲Nicrophorus orbicollis,它身长1英寸(2.54厘米),长有美丽的橙色、黑色的条纹。甲虫父母会先吃一些腐肉,将腐肉预消化,当后代用前腿轻拍它的嘴时,就将这一小块腐肉送到求乞者的嘴里。

 

Nicrophorus orbicollis(图片来源:wikipedia)

“这种喂养方式就像是亲吻,” Steiger说,“看起来很不错。”但正如研究人员证实的那样,相比于喂食的肉,这种接触交流本身更重要:父母的口腔液体对小甲虫的生存也至关重要。

Steiger的研究团队证明,如果改为给小甲虫喂食液化的腐肉,这些小昆虫虽然能暂时养活自己,但几乎所有的幼虫都在蛹化之前死亡。只有混入亲代口腔液体喂食后,小甲虫才能茁壮成长。

研究人员尚未分析过这种巧克力色“甲虫奶”的成分,但Steiger猜测,这种乳汁为幼虫提供了肠道微生物、抗体、消化酶和其他消化腐肉必需的物质。

无论对哪个物种而言,哺乳都是昂贵的,它需要进化上的理由。火烈鸟是为数不多为幼鸟产奶的鸟类,产奶行为会使它们逐渐褪去身上所有的颜色——但至少这是一件平等主义的事。

雄雌火烈鸟共同筑巢,孵化一个鸟蛋。当蛋孵化时,亲鸟产出丰富的嗉囊乳,在长达九个月的时间里,火烈鸟幼鸟将以此为食。幼鸟乞食发出的声音会刺激亲鸟大脑释放催乳素——与帮助人类哺乳的催乳素是同一种。催乳素的释放反过来又会促使父母喉咙底部的嗉囊中的细胞膨胀并分泌神奇的乳汁。

来源:Marcos Chin

火烈鸟乳汁的蛋白质、脂肪含量比哺乳动物的乳汁更丰富,“具有白干酪的稠度”,英国埃克塞特大学的火烈鸟研究者Paul Rose说。

它还是亮粉色的。亲鸟在乳汁中加入了和火烈鸟羽毛颜色相同的类胡萝卜素,它还是一种抗氧化剂,这是促进幼鸟健康快速成长的理想物质。

几个月过去了。亲鸟必须逐步提高乳汁产量,以满足幼鸟不断增长的需求。当小火烈鸟接近成年,身体健壮、泛着红色时,它的父母看起来消瘦而憔悴,它们曾经紫红色的羽毛现在变成了白色。

“它们所有的能量,所有的粉色色素,都进入了嗉囊乳汁中,”Rose说,“喂养火烈鸟是一项非常困难的工作。”

如何解释这种喂养方式的必要性?为什么火烈鸟不能像许多其他鸟类那样,简单地以甲虫和苍蝇为食呢?Rose将这种做法归因于火烈鸟独特的觅食方式,以及为适应这种觅食方式必需的口器。

就像长须鲸一样,火烈鸟也是滤食性动物,它们独特而弯曲的喙就像精心制作的筛子。火烈鸟幼鸟的直喙变厚、变弯是需要时间的,而掌握滤食方式需要更长时间的练习。

必不可少的抗菌剂

只有在哺乳类中,所有的成员都哺育幼崽。然而演化生物学家现在相信,这种哺乳行为的起源可以追溯到3亿多年前,这比哺乳动物出现的时间早了1亿年。

目前认为,现代哺乳动物的祖先产一种多孔的薄壳蛋,现生的蜥蜴、蛇和单孔类哺乳动物(例如鸭嘴兽)都会产这种蛋。与拥有钙化硬壳的鸟蛋相比,薄壳蛋有被风干的危险,因此现代蛇和蜥蜴通常需要在相对潮湿的环境下产卵。

我们古老的祖先偶然发现了一个更自由的解决方案:把自己变成一个水罐,这样就可以自由选择下蛋的场所了。

“乳汁最初的功能可能是为放在干燥地表上的薄壳蛋提供水分。”爱达荷大学的哺乳动物专家Amy Skibiel说。在这个场景中,哺乳动物的祖先通过胸部的毛孔将液体滴到卵上;乳头出现的时间要晚得多。

薄壳蛋也有被微生物侵入的危险,遗传学研究表明,最早的薄壳蛋水合液中含有抗病原体成分。它不仅具有保湿的功能,还有清洁作用。那么为什么不在蛋孵化之后继续浇水,并通过自然选择,让这些液体进入幼崽的食物中呢?

一旦这种靠分泌来养育后代的方式在早期哺乳动物中固定下来,乳汁很快变得多样化,具体配方由需求、饮食和所属类群决定。

冠海豹在迅速缩小的浮冰上哺育幼仔,仅4天幼仔的体重就能翻倍。考虑到海豹乳汁的脂肪含量超过60%,是脂肪含量最高的哺乳动物乳汁,这也就不足为奇了。

当我在史密森尼国家动物园的世界级乳汁库里试闻了一系列奇异的乳汁之后,我发现,海豹乳汁还充斥着鱼的味道。在脂质天平的另一端,犀牛乳汁的脂肪含量仅为2%,无论是外观还是气味都像脱脂牛奶。

大象乳汁的含水量更低,我敢肯定我闻到了冰激凌的味道。狮子乳汁没有明显的气味,像大多数食肉动物的奶一样,含糖量低——肉食者天生就能有效地将蛋白质和脂肪转化成葡萄糖。

相比之下,人类的母乳非常甜。Skibiel在给孩子喂奶时品尝了自己的母乳,她说那种味道让她想起了哈密瓜。

人类母乳中糖的数量和种类超过了其他类人猿,Power说,对于如此丰富的糖,他提出了一个令人惊讶的原因:这些糖并不如一些人所说的那样用来构建我们的大脑,而是因为我们需要糖的抗菌能力来帮助我们应对农业革命后遇到的新病原体。

“以多种不同的方式使用动物的能力是人类成功的原因之一,”他说,“但这对整个系统而言是一个巨大的冲击。”幸运的是,我们的母乳能应付这个挑战。

原文链接:

https://www.nytimes.com/2019/02/11/science/milk-animals-evolution.html

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