猫科动物毛发同位素之谜：为何肉食性家猫（Felis catus）的δ15N值接近素食者

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Cryptic carnivores: why feline hair makes cats (Felis catus) look vegan

本研究通过稳定同位素分析揭示，家猫毛发δ15N值异常偏低的现象并非源于食物基底差异，而是由极低的营养判别因子（TDF=1.61±0.44‰）所致。该发现颠覆了传统同位素营养级推断模型，证实蛋白质质量（氨基酸组成匹配度）是影响氮同位素分馏的关键因素，对动物食性重建和生态系统研究具有重要方法论意义。

　　

引言

稳定同位素分析技术数十年来广泛应用于古食性研究、动物迁徙模式和营养信号解析领域。通过检测碳（δ13C）和氮（δ¹⁵N）稳定同位素比值，可揭示生物体组织中间化营养信息后的营养级位置。然而毛发同位素研究必须考虑饮食营养素的同位素分馏路径以及物种特异性营养判别因子（Trophic Discrimination Factor, TDF）。脊椎动物从饮食到毛发的TDF通常伴随显著的¹⁵N富集现象，平均值达3.1±1.3‰。值得注意的是，猫科动物家族成员多次被发现偏离此规律：老虎与雪豹毛发中δ¹⁵N值异常偏低，且其同位素特征与实际营养级不匹配。这些现象暗示猫科动物特有的生理生化过程可能影响氮同位素分馏机制。由于野生大型猫科动物样本获取困难且饮食控制复杂，其内在机制始终未明。家猫作为与野生猫科动物亲缘接近的专性肉食动物，在明确饮食条件下为探索此同位素异常现象提供了理想模型。本研究重点验证两种主要解释路径及其三种潜在机制：商业猫粮δ¹⁵N值低于人类饮食导致食物链基底差异的H1假设；猫类饮食与毛发间氮同位素分馏程度低于人类的H2假设。针对H2假设进一步检验两种子假设：季节性换毛期蛋白质限制降低氨基酸分解代谢的蛋白质数量假说；饮食与体蛋白氨基酸组成高度匹配导致同位素分馏减弱的蛋白质质量假说。

方法

研究样本涵盖35只室内饲养的家猫，主要来自维也纳地区，均喂食商业宠粮且无野外捕食机会。采集每只猫的背部针毛样本和部分个体的触须样本，同时收集饲主提供的商业宠粮及超市购买的干湿粮。平行研究收录653名奥地利志愿者的头皮头发样本（包含杂食者、素食者和纯素食者）及1006种超市食品样本（聚焦C3植物与动物制品）。所有样本经冷冻干燥和球磨均质化处理，头发样本用超纯水清洗后剪碎。采用元素分析-同位素比值质谱法（EA-IRMS）检测碳氮同位素组成，仪器精度达δ13C 0.08‰、δ¹⁵N 0.12‰。同位素结果以δ标记法表示，参照大气氮气（δ¹⁵N）和维也纳PDB标准（δ13C）。营养判别因子（Δ¹⁵N）按毛发与饮食δ¹⁵N差值计算，误差传递采用高斯模型。人类混合饮食δ¹⁵N值根据德国杂食者动物蛋白摄入比例（0.64）加权计算得出。统计学分析使用单因素/双因素方差检验与Tukey事后比较。

结果

人类饮食组δ¹⁵N值呈现显著梯度：杂食者（8.83±0.03‰）>素食者（8.24±0.05‰）>纯素食者（7.18±0.06‰）。猫毛δ¹⁵N值（6.63±0.13‰）显著低于人类杂食者，甚至略低于纯素食者，表明猫类Δ¹⁵N显著偏低。猫毛与触须δ¹⁵N无差异（6.45±0.37‰），否定季节性换毛的蛋白质限制假说。食物基底分析显示：猫粮与人类动物源性食品δ¹⁵N无差异（5.00±0.41‰ vs 4.88±0.12‰），但显著高于人类混合饮食（4.10±0.09‰）。猫类TDF均值（1.61±0.44‰）较人类（4.73±0.09‰）低3.12‰，相当于一个完整营养级差距。三文鱼占比敏感性分析表明，即使人类饮食包含15%水产，混合饮食δ¹⁵N仅升至4.54‰，无法解释观测差异。

讨论

研究结果否定H1假设（食物基底差异），支持H2假设（分馏机制差异）。蛋白质数量假说认为蛋白质过剩时氮排泄增加导致组织¹⁵N富集，但计算表明猫换毛期毛发生长仅消耗每日蛋白质摄入量的3%，不足以引发蛋白质限制。蛋白质质量假说则完美解释现象：猫类作为专性肉食动物，饮食氨基酸谱与体蛋白高度匹配，减少氨基酸回收合成需求，促使膳食氨基酸直接整合入角蛋白，抑制¹⁵N富集。猫类无法自主合成精氨酸的特性（人类毛发精氨酸含量5.8 mol%，猫毛6.1 mol%）进一步强化此效应。现有哺乳动物TDF研究佐证该机制：草食动物Δ¹⁵N（3.7±1.3‰）>杂食动物（2.8±1.0‰）>肉食动物（2.6±1.2‰）。反刍动物研究同样发现氮利用效率（ENU）与Δ¹⁵N负相关。不同研究中猫科动物Δ¹⁵N值波动（-0.3‰至4.6‰）可能反映饮食质量差异，野生个体捕食混合猎物时氨基酸匹配度下降导致分馏增强。碳同位素差异主要源于商业猫粮中C4植物成分，但本研究聚焦氮同位素对营养级指示的可靠性。

结论

家猫毛发δ¹⁵N值与纯素食者接近的本质是极低的营养判别因子（Δ¹⁵N），其核心驱动因素为饮食与体蛋白氨基酸组成的高度匹配。该发现强调蛋白质质量对同位素分馏的主导作用，警示基于圈养动物TDF推断野生食性可能产生偏差。未来需建立蛋白质消化率、氨基酸匹配度与Δ¹⁵N变化的量化关系，完善同位素食性重建模型。