科學(xué)研究：人類(lèi)站在食物鏈頂端，卻長(zhǎng)著最脆弱的牙齒

許多人都飽受口腔問(wèn)題的困擾，從齲齒、牙列不齊到智齒阻生，牙齒本是我們身體最堅(jiān)硬的一部分，卻也最容易出現(xiàn)問(wèn)題。反觀(guān)其他脊椎動(dòng)物，即使沒(méi)有精心進(jìn)行牙齒的日常養(yǎng)護(hù)，它們也很少患有牙科疾病。人類(lèi)的牙齒為何如此脆弱？
對(duì)許多年輕人來(lái)說(shuō)，拔掉智齒就像是成年儀式。然而從我的專(zhuān)業(yè)角度來(lái)看，這種“習(xí)俗”實(shí)在是錯(cuò)的離譜。我是一名牙齒人類(lèi)學(xué)家，同時(shí)也是一名古生物學(xué)家。在過(guò)去的30年余年里，我一直致力于研究現(xiàn)代人、人類(lèi)祖先以及其他脊椎動(dòng)物的牙齒。與現(xiàn)代人類(lèi)不同，大部分脊椎動(dòng)物都沒(méi)有牙列不齊或齲齒等牙齒疾病。人類(lèi)祖先也很少患牙周病或智齒阻生。
事實(shí)上，現(xiàn)代人的牙齒處于一個(gè)非常矛盾的狀態(tài)：牙齒是我們身體中最堅(jiān)硬的部分，但也無(wú)比脆弱；牙齒化石能保存幾百萬(wàn)年，而我們的牙齒卻不能陪伴我們一生；牙齒讓我們的祖先在生物圈中占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位，然而現(xiàn)代人的牙齒卻需要精心養(yǎng)護(hù)。這種矛盾基本上是在工業(yè)時(shí)代，才在現(xiàn)代人中出現(xiàn)的。對(duì)此，科學(xué)家的最佳解釋是，使我們的牙齒及頜骨演化至今的食物與現(xiàn)代飲食存在差異。古生物學(xué)家很早就明白，我們的牙齒有著悠久的演化歷史。而現(xiàn)在，臨床研究者和牙醫(yī)也開(kāi)始關(guān)注這一問(wèn)題。
悠久的演化史
演化生物學(xué)家常常會(huì)驚訝于人類(lèi)眼睛之復(fù)雜，認(rèn)為它是“奇跡般的設(shè)計(jì)”。但對(duì)我而言，人類(lèi)牙齒結(jié)構(gòu)的精妙之處遠(yuǎn)超眼睛。構(gòu)建牙齒的基本物質(zhì)，和食物所含的其實(shí)是同一類(lèi)。牙齒具有非凡的硬度和韌性，可以避免裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散。這得益于其外層和內(nèi)部的完美結(jié)合：牙齒外層是牙釉質(zhì)，幾乎完全由磷酸鈣構(gòu)成，非常堅(jiān)硬；牙齒內(nèi)部含有有機(jī)纖維，使牙齒足夠堅(jiān)韌。
不過(guò)，牙齒真正的神奇之處在于其微觀(guān)結(jié)構(gòu)。我們都知道，一根竹簽很容易折斷，但一把竹簽卻很牢固。牙釉質(zhì)中的微晶就像這些竹簽一樣，它們呈細(xì)長(zhǎng)的柱狀，每根只有人頭發(fā)的千分之一粗。許多微晶捆在一起，就會(huì)形成棒狀的釉柱。無(wú)數(shù)個(gè)釉柱平行排列，就組成了牙釉質(zhì)。經(jīng)計(jì)算，每平方毫米的牙釉質(zhì)中存在數(shù)萬(wàn)個(gè)釉柱，這些釉柱幾乎垂直于牙本質(zhì)，并且會(huì)扭動(dòng)、彎曲或交織，正是這種精巧的微觀(guān)構(gòu)造賦予了牙齒持久的強(qiáng)度。
這樣的設(shè)計(jì)不是突然出現(xiàn)的，牙齒已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)億年的演化。
在5億多年前的寒武紀(jì)，地球上出現(xiàn)了最早的脊椎動(dòng)物——無(wú)頜類(lèi)。這些最原始的魚(yú)類(lèi)沒(méi)有牙齒，但科學(xué)家在它們的頜部周?chē)l(fā)現(xiàn)了一些類(lèi)似牙齒的鱗板：每一片鱗板都分為內(nèi)外兩部分，有時(shí)表面還覆有堅(jiān)硬的礦化層，鱗板內(nèi)部則是通有血管和神經(jīng)的髓腔。很多古生物學(xué)家都認(rèn)為這些鱗片經(jīng)過(guò)自然選擇最終演化為牙齒。
第一批真正的牙齒出現(xiàn)在有頜類(lèi)中，它們出現(xiàn)的時(shí)間更晚。這些牙齒形態(tài)比較簡(jiǎn)單，大多長(zhǎng)得像尖刺一樣，使這些魚(yú)類(lèi)可以咬住獵物，甚至通過(guò)刮、撬、夾等各種方式捕食其他生物。例如棘魚(yú)類(lèi)（Acanthodians）在4.3億年前的志留紀(jì)就長(zhǎng)出了牙齒。不過(guò)它們不會(huì)掉牙或換牙，牙齒也缺少高度礦化的表層。
一旦牙齒就位，進(jìn)一步的變化隨之到來(lái)。在約4.15億年前的志留紀(jì)-泥盆紀(jì)界線(xiàn)，肉鰭魚(yú)類(lèi)（Sarcopterygians）首先出現(xiàn)了釉質(zhì)層。肉鰭魚(yú)是硬骨魚(yú)的一支，它們演化出了有骨骼和肌肉支撐的鰭。目前認(rèn)為，它們就是現(xiàn)代四足動(dòng)物（例如兩棲類(lèi)、爬行類(lèi)和哺乳類(lèi)等）的祖先。而同一時(shí)期的其他魚(yú)類(lèi)則缺少釉質(zhì)層，也缺少能編碼釉質(zhì)形成所需蛋白的基因。
在哺乳動(dòng)物的起源及其早期演化中，牙齒起到了非常重要的作用，它們能幫助維持恒溫所需的新陳代謝。在安靜狀態(tài)下，哺乳動(dòng)物消耗的能量是相同體型的爬行動(dòng)物（無(wú)法調(diào)節(jié)自身體溫）的10倍以上。為了補(bǔ)充能量，自然選擇的壓力就體現(xiàn)在了牙齒上。其他的脊椎動(dòng)物只需要用牙齒抓住并殺死獵物就夠了，而哺乳動(dòng)物則需要從每一餐中獲取更多的卡路里。為了做到這一點(diǎn)，它們必須充分咀嚼自己的食物。
哺乳動(dòng)物的牙齒操縱著咀嚼的過(guò)程。通過(guò)施加壓力，牙齒會(huì)固定住食物并致其破碎。為了充分地發(fā)揮咀嚼的作用，牙齒咬合需要精確到毫米級(jí)。為了便于咀嚼，早期哺乳動(dòng)物已經(jīng)喪失了換牙的能力。這也解釋了為什么大部分哺乳動(dòng)物與魚(yú)類(lèi)和爬行類(lèi)不同，即使老牙已經(jīng)磨平或者破損了，也不會(huì)持續(xù)生長(zhǎng)新牙。
釉柱也同樣是適應(yīng)咀嚼的特征之一。大部分研究認(rèn)為，釉柱的演化是為了增強(qiáng)牙齒咀嚼的強(qiáng)度。哺乳動(dòng)物牙齒的基本結(jié)構(gòu)——牙本質(zhì)的牙冠外包裹著釉柱層——早在三疊紀(jì)就出現(xiàn)了。包括人類(lèi)在內(nèi)的哺乳動(dòng)物的臼齒看似形態(tài)各異，但其實(shí)都只是同一模板的微調(diào)。
口腔菌群與齲齒
牙齒的演化史不僅解釋了它們?yōu)楹稳绱藦?qiáng)韌，也解釋了為何現(xiàn)代人的牙齒存在缺陷。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，牙齒的這種結(jié)構(gòu)是為了適應(yīng)特定的環(huán)境條件，包括受到的壓力、可能的磨損，以及口腔內(nèi)的某些化學(xué)物質(zhì)和細(xì)菌。這就導(dǎo)致口腔環(huán)境的任何變化，都會(huì)對(duì)毫無(wú)防備的牙齒造成損害?，F(xiàn)代人的飲食就造成了這樣一種情況，它與以往地球上所有生物都不同。我們的生理結(jié)構(gòu)并不能適應(yīng)我們的行為，這就導(dǎo)致現(xiàn)代人飽受齲齒、智齒阻生及其他牙頜問(wèn)題的困擾。
全球有數(shù)十億人受到了牙科相關(guān)疾病的困擾。然而在過(guò)去30余年間，我研究了成百上千塊牙齒化石以及現(xiàn)生動(dòng)物的牙齒，卻幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)任何牙科疾病的跡象。
為了了解現(xiàn)代人類(lèi)的牙齒為何如此容易生病，我們需要參考自然狀態(tài)下的口腔環(huán)境。健康的口腔中居住著數(shù)十億個(gè)微生物，其中細(xì)菌就多達(dá)700余種。其中大多數(shù)細(xì)菌是有益的，可以抵御疾病、幫助消化以及調(diào)節(jié)機(jī)體機(jī)能。不過(guò)也有一些細(xì)菌對(duì)牙齒是有害的，它們代謝產(chǎn)生的乳酸會(huì)破壞牙釉質(zhì)。通常情況下，它們的數(shù)量會(huì)受到有益菌的限制。這些細(xì)菌可以產(chǎn)生堿性物質(zhì)和抗菌蛋白，從而抑制有害菌的生長(zhǎng)。在過(guò)去幾億年間，牙齒一直維持著這種破壞與修補(bǔ)的平衡狀態(tài)。
這種平衡一旦被打破，就會(huì)誘發(fā)齲齒。比如，富含碳水化合物的飲食會(huì)利于產(chǎn)酸細(xì)菌的增殖，并導(dǎo)致口腔的pH值下降。在這種酸性環(huán)境下，有害細(xì)菌會(huì)更加猖狂，還會(huì)制約有益細(xì)菌的生存，從而進(jìn)一步降低環(huán)境pH值。這一連串的過(guò)程被臨床研究者稱(chēng)為“菌群失調(diào)”（dysbiosis）。常見(jiàn)的蔗糖尤其容易引起這種麻煩。利用蔗糖，有害細(xì)菌可以形成一層厚厚的牙菌斑，牢牢粘附在牙齒上。即使沒(méi)有食物來(lái)源，牙菌斑中儲(chǔ)存的能量也足夠它們消耗，這也就意味著牙齒會(huì)更持久地暴露于酸性物質(zhì)的攻擊
很早之前，考古學(xué)家就提出，在約1萬(wàn)年前的新石器時(shí)代，人們從采集轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞯纳罘绞胶妄x齒的出現(xiàn)存在聯(lián)系。這是因?yàn)樾←?、水稻和玉米富含可用于發(fā)酵的碳水化合物，正符合了產(chǎn)酸細(xì)菌的需求。而齲齒率的真正激增，出現(xiàn)在工業(yè)革命時(shí)期。我們的食物經(jīng)過(guò)了更精細(xì)的加工，蔗糖也廣泛出現(xiàn)于餐桌上。加工過(guò)的食物通常更柔軟，需要的咀嚼過(guò)程更少，無(wú)法磨平牙齒的小凹陷或縫隙，給牙菌斑提供了良好的生存空間。
不幸的是，由于牙齒的發(fā)育過(guò)程特殊，我們的牙釉質(zhì)不能像皮膚、骨頭一樣重新生長(zhǎng)。在牙釉質(zhì)形成過(guò)程中，成釉細(xì)胞（ameloblast，一種形成牙釉質(zhì)的細(xì)胞）會(huì)由牙齒內(nèi)部向外遷移，最終到達(dá)牙齒表面，遷移的痕跡就形成了釉柱。我們的牙釉質(zhì)之所以無(wú)法生長(zhǎng)，就是因?yàn)樵谘拦诎l(fā)育完整以后，這些成釉細(xì)胞就消失了。而產(chǎn)生牙本質(zhì)的成牙質(zhì)細(xì)胞（odontoblast）的遷移方向與成釉細(xì)胞完全相反，它們會(huì)向內(nèi)移動(dòng)最終到達(dá)牙髓腔。在個(gè)體的一生中，這些成牙質(zhì)細(xì)胞都可以繼續(xù)產(chǎn)生牙本質(zhì)，從而修復(fù)和替換磨損或受傷的組織。如果牙本質(zhì)遭到了更嚴(yán)重的傷害，新鮮的細(xì)胞會(huì)形成牙本質(zhì)層，以保護(hù)牙髓腔不受傷害。
然而齲洞卻可以突破自然防護(hù)感染牙髓腔，最終使牙齒完全壞掉。相比過(guò)去漫長(zhǎng)的生命演化歷程，工業(yè)革命后的幾個(gè)世紀(jì)短暫如白駒過(guò)隙，根本不足以讓我們的牙齒適應(yīng)如今高糖分、精加工的飲食結(jié)構(gòu)。
頜骨壓力的缺失
如今，口腔正畸也成為了一項(xiàng)普遍需求。約9成的人都至少存在輕微的牙列不齊或咬合錯(cuò)位的問(wèn)題，四分之三的人都存在無(wú)法正常萌出的智齒。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是因?yàn)槲覀兊难例X和頜骨并不匹配。其根本原因也和齲齒一樣，是現(xiàn)代人類(lèi)全新的飲食內(nèi)容破壞了口腔環(huán)境的平衡。
早在1920年，澳大利亞著名的口腔正畸醫(yī)生貝格（"Tick" Begg）就注意到了這種牙頜不匹配的現(xiàn)象。貝格認(rèn)為，自然狀態(tài)下相鄰牙齒間的磨損會(huì)給口腔騰出更多的空間。他相信頜骨的長(zhǎng)度在演化過(guò)程中已經(jīng)被“設(shè)計(jì)好”了。我們的牙齒本是為了研磨堅(jiān)硬的食物而生的，但現(xiàn)代柔軟、精加工的食物打破了牙齒尺寸和頜骨長(zhǎng)度間的平衡。
基于這樣的假設(shè)，貝格發(fā)明出一套矯正牙齒的方法，一直以來(lái)這一方法都被業(yè)界認(rèn)為是“金標(biāo)準(zhǔn)”。這種方法需要拔掉前臼齒（位于犬齒與臼齒之間）以騰出空間，再用金屬絲將其他牙齒箍起來(lái)，達(dá)到拉伸牙弓、讓空缺消失的效果。事實(shí)證明，貝格的方法的確有效，并能使患者受益終生。
貝格關(guān)于牙齒與頜骨之間不匹配的觀(guān)點(diǎn)是正確的，但是他搞錯(cuò)了一些細(xì)節(jié)。美國(guó)南伊利諾伊大學(xué)（Southern Illinois University）的人類(lèi)學(xué)家羅布·科魯奇尼（Rob Corruccini）在研究中指出，牙弓形態(tài)的關(guān)鍵不在于牙齒的磨損，而在于進(jìn)食時(shí)頜骨感受到的壓力。而且問(wèn)題也并非是現(xiàn)代人的牙齒沒(méi)有磨損，而是頜骨太小了。
科魯奇尼解釋道，自然條件下，嬰兒咀嚼食物時(shí)會(huì)給頜骨壓力并讓其生長(zhǎng)，最終牙齒的大小應(yīng)當(dāng)正好適合頜骨。當(dāng)頜骨在發(fā)育中沒(méi)有得到應(yīng)有的刺激時(shí)，前部的牙齒就會(huì)變得擁擠，并導(dǎo)致后部牙齒阻生。他對(duì)猴子做的實(shí)驗(yàn)也證明了這一理論，那些喂了更軟食物的猴子的頜骨較小，也更容易出現(xiàn)牙齒阻生。
根治口腔疾病
從演化的角度看，人類(lèi)生態(tài)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了我們的牙齒疾病。這一全新視角有利于研究者和臨床醫(yī)生從根本上解決口腔問(wèn)題。目前的治療手段會(huì)對(duì)牙冠進(jìn)行窩溝封閉，使用氟化物修補(bǔ)或強(qiáng)化牙釉質(zhì)，但是這些措施都不能從根本上調(diào)節(jié)菌群。一些具有殺菌效果的漱口水的確可以殺死引發(fā)齲齒的細(xì)菌，但它同樣也會(huì)殺死有益菌種。受到最近微生物組學(xué)治療方法的啟發(fā)，研究者已經(jīng)開(kāi)始嘗試改造牙菌斑的環(huán)境。我們即將迎來(lái)引入口腔益生菌、靶向抗菌藥物和微生物移植等新療法。
對(duì)于口腔正畸方案，我們也要考慮自然條件下的口腔環(huán)境。牙科醫(yī)生和正畸醫(yī)生開(kāi)始意識(shí)到，精加工的嬰兒食物改變了嬰兒面部和頜骨的應(yīng)力分布。咀嚼造成的壓力會(huì)激發(fā)兒童頜骨和面中部骨骼的正常發(fā)育，而以糊狀的嬰兒食物喂養(yǎng)孩子會(huì)導(dǎo)致這些部位長(zhǎng)期得不到充分發(fā)育。有時(shí)，這一問(wèn)題的影響比牙列不齊更為嚴(yán)重：一些專(zhuān)家提出這樣會(huì)導(dǎo)致氣道狹窄，并可能誘發(fā)睡眠呼吸暫停綜合征。
沒(méi)有人想讓蹣跚學(xué)步的孩子被太硬的食物噎到，但比起豌豆泥來(lái)說(shuō)，我們也許能找到更合適的食物幫助孩子斷奶。近幾年誕生了一門(mén)新的產(chǎn)業(yè)，專(zhuān)門(mén)致力于幫助孩子打開(kāi)氣道，促進(jìn)頜骨的正常發(fā)育，幫助牙齒自然排列。我們有一系列有效的口腔問(wèn)題治療方法，但是如果我們能像祖先一樣，用咀嚼強(qiáng)度更高的食物來(lái)喂養(yǎng)孩子，也許很多人就可以避免這些治療了。
作者：彼得·S·昂加爾，美國(guó)阿肯色大學(xué)（University of Arkansas）的古生物學(xué)家和人類(lèi)牙齒學(xué)家。他主要專(zhuān)注于現(xiàn)生及化石靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的食性和取食適應(yīng)性的研究。
翻譯：郭林，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所碩士研究生，研究方向?yàn)楣湃祟?lèi)學(xué)。
審校：趙凌霞，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所研究員，主要從事古人類(lèi)學(xué)領(lǐng)域的研究。
文章來(lái)源：環(huán)球科學(xué)


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