甜马粪、酸鸟屎:动物粪便中隐藏着怎样的科学与历史?

世间万物皆有属于它的专属味道
人—动物—环境之间架构起一座“桥梁”。
图片秘鲁的“捡鸟粪工”,以捡鸟粪谋生
作为人与动物共有的最重要的生理感觉之一,味觉在很大程度上决定了对食物的选择,人类的祖先根据气味判断猎取到的肉类是否变质。
后来这一方法被扩展至瓜果蔬菜、鸡鱼肉蛋等几乎所有食物,成为人们判断食材可食用性的不二要素。
变质腐败的食物,会散发出不同的令人作呕的气味:哈喇味、腐臭味、酸味、霉味等,因食材而异。
对于蛋白质含量较高的食物,由于微生物的分解作用,使蛋白质中的硫与氢结合形成具有“臭鸡蛋味”的硫化氢。它是食物臭味的根本来源之一,另一则是硫醇。
图片
与腐臭食物“臭味相投”的粪便,同样是由于微生物的分解作用,将胃肠道中的食物分解生成硫化物、硫醇、吲哚等极具臭味的物质。虽然受到人类的嫌弃,但在某些动物的口鼻中,它们则是上乘之物。
在“吃屎”这事上,狗并不孤独
许多哺乳动物以粪便作为食物来源之一,包括我们的一些灵长类亲戚。在1983年出版的《迷雾中的大猩猩》一书中,作者戴安·福西写道:
“人们观察到各种年龄的大猩猩都在吃自己和其他动物的新鲜粪便,“在粪便接触地球之前,用一只手抓住粪便,然后,在咀嚼的时候,会津津有味地咂咂嘴。”
图片好一个重口味的画面
兔子和其他一些以植物为食的哺乳动物为获取所需的维生素B12,通常会在食物残渣被肠道微生物富集后“二次食用”,就像牛的反刍。
对兔子和老鼠的研究还发现,笼子里有它们排泄物往往会减少攻击行为,降低心率,并提供“积极、安慰”的效果。
实际上,研究动物粪便及其散发的挥发性化合物的科学家主要是为了找出如何减少动物养殖过程中的攻击行为。
图片
动物粪便的气味主要来自缺氧的消化系统下游的厌氧微生物。微生物以动物身体尚未消化和吸收的食物残渣为食,也以动物身体本身的“残渣”为食,主要是消化道内壁不断脱落和替换的细胞,以及起润滑保护作用的富含蛋白质的粘液。
动物下消化道的微生物密度是地球上任何已知生态位中最高的,因此微生物质量可以达到动物粪便的物理质量的一半。
所以那里发生了很多事情,所有这些活动都会产生挥发物——小到足以飞出源头并进入空气的分子。
含硫的硫化氢和甲硫醇在产量上总是走在最前面,因为动物肠道中通常有大量的硫,所有绿色植物都携带含硫的脂质,肠道黏液含有硫酸化的碳水化合物,厌氧菌利用它作为电子供体来产生能量。另一种蛋白质副产品——粪臭素,与硫化物相辅相成对动物死亡的,产生令人窒息的气味和功效。
图片
同样是粪便,就是味不同
一些动物排泄物有独特的组成和气味,可以追溯到特定的饮食或新陈代谢。
马粪没有许多人那么讨厌,甚至被18世纪的内科医生和自然哲学家乔治·凯恩描述为“甜的”,正是和马的消化系统有关。
马的肠道内丰富的微生物群落会迅速将进入胃肠道的植物性食物分解消化,而且只是部分消化,所以马的排泄物大部分是相对无味的纤维。挥发物主要是甲苯酚和苯酚,这两种物质在沥青和消毒剂中也能遇到,因此闻起来不太像粪便。
图片
相比之下,生而为反刍动物的牛,共有四个胃,前三个胃为食道变异,分别是瘤胃(草肚)、网胃(蜂巢胃)、瓣胃(重瓣胃、百叶),最后一个才是真胃——皱胃。
被称为反刍动物第一胃的瘤胃,是已知的降解纤维物质能力最强的天然发酵罐。在瘤胃中,非反刍动物胃肠道中有的菌种它有,非反刍动物没有的它也有,包括纤维降解菌、淀粉降解菌、半纤维降解菌、蛋白降解菌、脂肪降解菌等,以保证进入瘤胃的食糜可以充分发酵降解。
由于牛进食快而多,来不及消化,遂而有反刍瘤胃内容物的习惯,以便进行另一次咀嚼,从而最大限度地吸收营养。因此,牛的粪便中富含各种代谢挥发物,味道也稍显刺激。
图片
图片
杂食性动物猪从高蛋白动物材料中获得一些营养,它们产生的粪中富含支链酸、硫化物。出于某种原因,猪的肠道及其微生物群明显富含粪便气味的粪臭素,其中一些粪臭素是从肠道中运输出来的,并储存在全身的脂肪组织中,在那里它可以为猪肉的特殊“猪性”做出贡献。
鸟类粪便有一种独特的特别刺鼻的气味,可能是为了帮助保存水分,大多数鸟类将多余的氮专门转化为尿酸,尿酸的溶解性比尿素差得多,因此可以作为半固体糊状物与消化道废物一起排出体外。鸟屎本质上是屎和尿混合在一块,通常以氨和胺为主,还有乙酸和奶酪酸。
排着肚里的,看着地上的
鸟粪的大规模利用起始于古代秘鲁的盖丘亚人,他们在秘鲁海岸的岛屿上捡拾鸬鹚、鹈鹕和鲣鸟的粪便,其中富含氮和磷酸盐。
图片
氮磷含量之所以如此之高,是因为海鸟高蛋白的饮食和干燥的气候,使得粪便快速脱水,同时最大限度地减少尿酸转化为氨和胺,否则氨和胺会挥发。
经过了几个世纪,这些海鸟在岛上堆积了高达30米厚的鸟粪,被盖丘亚人开采了大约1500年,用于农业生产和贸易,并且曾在长达40年时间里,为秘鲁“躺着”带来财政总收入的一半收入!
图片
动物粪便的气味虽然令人生厌,但也象征着地球上大部分生命的生存危机。它们提醒我们物质和能量的不可避免的重组,正是这种重组让复杂的伟大游戏得以继续。
人类是唯一一种能够以前所未有的规模调动物质和能量的动物,从而在一定程度上指挥这地球上复杂的生态系统。
事实上,动物粪便的刺激性气味标志着它富含各种由碳、硫和氮等原子组成的分子,因此可作为其他生物的营养来源。
图片
几千年前,当早期农民发现这种价值时,他们使农业的长期成功成为可能,从而促进了文明的发展。人类对化学的掌握使得农业成功,以及文明的崛起。
我们石器时代的祖先一定非常熟悉各种动物排泄物的气味,猎人会像其他食肉动物一样利用这些气味来定位猎物。
大约3万年前,狗加入了人类社会。大约10000年前,第一批定居的农业居民开始驯养山羊、绵羊、牛和马,以利用它们的奶和肉、毛发和皮革以及它们的肌肉力量。
考古遗迹表明,动物的粪便被用作建筑材料和燃料,这些用途在当今世界上工业化程度较低的地方仍然存在,同时还进行熏蒸以减少蚊虫叮咬。排泄物的气味渗透了早期农民的生活。
图片
图片
在某个时候,早期农民还观察到,当粪便碰巧被踩进土壤时,它会促进农作物的生长——正如我们现在所知道的,因为它会取代作物从土壤中提取的养分,并对土壤的物理结构和生物多样性产生有益的影响。
考古学家发现,在希腊和中欧,粪便有组织地应用于农业生产至少可以追溯到7000年前。
这种做法缓慢地提高了农作物产量,因此代表了对土壤资源的长期投资,它很可能有助于激发土地管理、所有权和财产的早期想法。
图片
有机堆肥比新鲜粪便更温和、更温和、腐蚀性更小,通常是通过将粪便与稳定的秸秆和饲料残渣混合,并储存一段时间,使其浓度更低,以消除致病微生物而制成的。
添加低氮物质、暴露在空气中以及好氧微生物的代谢都有助于降低氨、胺和硫化物的水平,因此堆肥比新鲜粪便的味道淡了许多。
随着人类对肉类及乳制品的需求量逐年增加,今天的配方饲料通常比动物从自然植食性饮食中获得的氮要多,所以它们的粪便中富含最具味道的挥发性物质,如支链酸、甲酚、粪臭素、氨和胺。
图片
换句话说就是:现如今的动物粪便比以往的动物粪便更臭,而且可能会越来越臭。
集中动物饲养将大量动物限制和饲养在一个小区域内,并在过去几十年中主导了现代肉类和乳制品生产。在大型动物养殖场中产生了大量的排泄物,例如一头牛每天产生接近30千克的尿液和粪便,散发出的气味从千百米外就能闻到。
粪臭素也存在于香烟烟雾中,已知会损害肺部DNA。
由于养殖场经营管理者经常以尽可能低的成本处理粪便,将粪便倾倒在露天泻湖中或直接堆积在田地上,因此附近居民会受到挥发物的影响,附近的土壤和水也会受到严重污染。
正是因为集中动物饲养对人与环境具有危害性,所以科学家对动物粪便中的挥发性物质进行了深入的研究。化学家们疯狂但恰当地借用香水界的前香、中香、后香来描述粪便的味道。
图片
前香是氨和硫化氢,易挥发,持续时间短;中香有胺类,硫醇类和硫化物、醛类、醇类,酮类,持续时间较长;后香是短链直链和支链的酸、甲酚和其他酚类化合物以及粪臭素,能够持续存在较长时间。
在2006年的一项关于猪粪和牛粪的研究中,甲酚被确定为主要的令人不快的气味来源之一,在顺风十几公里的地方都能被检测到。
“地可使肥,多粪肥田”
作为农业大国的中国,有着悠久的农耕历史,也有着丰富的用肥养地的经验。后魏时期的《齐民要术》中讲到了“踏粪法”,明代的《宝坻劝农书》更是全面讲述了“蒸粪法”、“煨粪法”、“酿粪法”、“窖粪法”等有机肥制造方法。
图片
但在二百年前,人们对粪便的了解只停留在“知其用,不知其理”的层面。
从19世纪开始,化学家开始试图研究粪肥的哪些成分是必需的植物营养素;20世纪初,德国人弗里茨·哈伯和卡尔·博施发现了直接利用空气中的氮气制造氨盐的工业化合成方法,化肥工业的时代就这样开始了。
图片尿素的一种工业合成方法
化肥的施用大大提高了的农作物的产量,进而导致了人口的急剧增加。如今在世界范围内,合成肥料的使用比粪肥多五倍。
合成肥料的发明和成功可谓喜忧参半。它们帮助推动了文明的快速发展,但也是复杂的生态系统遭受严重破坏的根源,而正是这种破坏使人类社会快速发展成为可能。