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站在食物链顶端，却长着最脆弱的牙齿：为什么我们的牙齿如此不堪一击？

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站在食物链顶端，却长着最脆弱的牙齿：为什么我们的牙齿如此不堪一击？
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许多人都饱受口腔问题的困扰 ， 从龋齿、牙列不齐到智齿阻生 ， 牙齿本是我们身体最坚硬的一部分 ， 却也最容易出现问题 。 反观其他脊椎动物 ， 即使没有精心进行牙齿的日常养护 ， 它们也很少患有牙科疾病 。 人类的牙齿为何如此脆弱？这很可能与现代人食谱的变化有关：我们的饮食更精细了 ， 但牙齿还没做好准备 。
撰文|彼得·S·昂加尔（PeterS.Ungar）
翻译|郭林
审校|赵凌霞
对许多年轻人来说 ， 拔掉智齿就像是成年仪式 。 然而从我的专业角度来看 ， 这种“习俗”实在是错的离谱 。 我是一名牙齿人类学家 ， 同时也是一名古生物学家 。 在过去的30年余年里 ， 我一直致力于研究现代人、人类祖先以及其他脊椎动物的牙齿 。 与现代人类不同 ， 大部分脊椎动物都没有牙列不齐或龋齿等牙齿疾病 。 人类祖先也很少患牙周病或智齿阻生 。
事实上 ， 现代人的牙齿处于一个非常矛盾的状态：牙齿是我们身体中最坚硬的部分 ， 但也无比脆弱；牙齿化石能保存几百万年 ， 而我们的牙齿却不能陪伴我们一生；牙齿让我们的祖先在生物圈中占据了优势地位 ， 然而现代人的牙齿却需要精心养护 。 这种矛盾基本上是在工业时代 ， 才在现代人中出现的 。 对此 ， 科学家的最佳解释是 ， 使我们的牙齿及颌骨演化至今的食物与现代饮食存在差异 。 古生物学家很早就明白 ， 我们的牙齿有着悠久的演化历史 。 而现在 ， 临床研究者和牙医也开始关注这一问题 。
悠久的演化史
演化生物学家常常会惊讶于人类眼睛之复杂 ， 认为它是“奇迹般的设计” 。 但对我而言 ， 人类牙齿结构的精妙之处远超眼睛 。 构建牙齿的基本物质 ， 和食物所含的其实是同一类 。 牙齿具有非凡的硬度和韧性 ， 可以避免裂纹的产生和扩散 。 这得益于其外层和内部的完美结合：牙齿外层是牙釉质 ， 几乎完全由磷酸钙构成 ， 非常坚硬；牙齿内部含有有机纤维 ， 使牙齿足够坚韧 。
不过 ， 牙齿真正的神奇之处在于其微观结构 。 我们都知道 ， 一根竹签很容易折断 ， 但一把竹签却很牢固 。 牙釉质中的微晶就像这些竹签一样 ， 它们呈细长的柱状 ， 每根只有人头发的千分之一粗 。 许多微晶捆在一起 ， 就会形成棒状的釉柱 。 无数个釉柱平行排列 ， 就组成了牙釉质 。 经计算 ， 每平方毫米的牙釉质中存在数万个釉柱 ， 这些釉柱几乎垂直于牙本质 ， 并且会扭动、弯曲或交织 ， 正是这种精巧的微观构造赋予了牙齿持久的强度 。
这样的设计不是突然出现的 ， 牙齿已经经历了数亿年的演化 。
在5亿多年前的寒武纪 ， 地球上出现了最早的脊椎动物——无颌类 。 这些最原始的鱼类没有牙齿 ， 但科学家在它们的颌部周围发现了一些类似牙齿的鳞板：每一片鳞板都分为内外两部分 ， 有时表面还覆有坚硬的矿化层 ， 鳞板内部则是通有血管和神经的髓腔 。 很多古生物学家都认为这些鳞片经过自然选择最终演化为牙齿 。
第一批真正的牙齿出现在有颌类中 ， 它们出现的时间更晚 。 这些牙齿形态比较简单 ， 大多长得像尖刺一样 ， 使这些鱼类可以咬住猎物 ， 甚至通过刮、撬、夹等各种方式捕食其他生物 。 例如棘鱼类（Acanthodians）在4.3亿年前的志留纪就长出了牙齿 。 不过它们不会掉牙或换牙 ， 牙齿也缺少高度矿化的表层 。
一旦牙齿就位 ， 进一步的变化随之到来 。 在约4.15亿年前的志留纪-泥盆纪界线 ， 肉鳍鱼类（Sarcopterygians）首先出现了釉质层 。 肉鳍鱼是硬骨鱼的一支 ， 它们演化出了有骨骼和肌肉支撑的鳍 。 目前认为 ， 它们就是现代四足动物（例如两栖类、爬行类和哺乳类等）的祖先 。 而同一时期的其他鱼类则缺少釉质层 ， 也缺少能编码釉质形成所需蛋白的基因 。
站在食物链顶端，却长着最脆弱的牙齿：为什么我们的牙齿如此不堪一击？
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在哺乳动物的起源及其早期演化中 ， 牙齿起到了非常重要的作用 ， 它们能帮助维持恒温所需的新陈代谢 。 在安静状态下 ， 哺乳动物消耗的能量是相同体型的爬行动物（无法调节自身体温）的10倍以上 。 为了补充能量 ， 自然选择的压力就体现在了牙齿上 。 其他的脊椎动物只需要用牙齿抓住并杀死猎物就够了 ， 而哺乳动物则需要从每一餐中获取更多的卡路里 。 为了做到这一点 ， 它们必须充分咀嚼自己的食物 。
哺乳动物的牙齿操纵着咀嚼的过程 。 通过施加压力 ， 牙齿会固定住食物并致其破碎 。 为了充分地发挥咀嚼的作用 ， 牙齿咬合需要精确到毫米级 。 为了便于咀嚼 ， 早期哺乳动物已经丧失了换牙的能力 。 这也解释了为什么大部分哺乳动物与鱼类和爬行类不同 ， 即使老牙已经磨平或者破损了 ， 也不会持续生长新牙 。
釉柱也同样是适应咀嚼的特征之一 。 大部分研究认为 ， 釉柱的演化是为了增强牙齿咀嚼的强度 。 哺乳动物牙齿的基本结构——牙本质的牙冠外包裹着釉柱层——早在三叠纪就出现了 。 包括人类在内的哺乳动物的臼齿看似形态各异 ， 但其实都只是同一模板的微调 。
口腔菌群与龋齿
【站在食物链顶端，却长着最脆弱的牙齿：为什么我们的牙齿如此不堪一击？】牙齿的演化史不仅解释了它们为何如此强韧 ， 也解释了为何现代人的牙齿存在缺陷 。 简单来说 ， 牙齿的这种结构是为了适应特定的环境条件 ， 包括受到的压力、可能的磨损 ， 以及口腔内的某些化学物质和细菌 。 这就导致口腔环境的任何变化 ， 都会对毫无防备的牙齿造成损害 。 现代人的饮食就造成了这样一种情况 ， 它与以往地球上所有生物都不同 。 我们的生理结构并不能适应我们的行为 ， 这就导致现代人饱受龋齿、智齿阻生及其他牙颌问题的困扰 。
全球有数十亿人受到了牙科相关疾病的困扰 。 然而在过去30余年间 ， 我研究了成百上千块牙齿化石以及现生动物的牙齿 ， 却几乎没有发现过任何牙科疾病的迹象 。
为了了解现代人类的牙齿为何如此容易生病 ， 我们需要参考自然状态下的口腔环境 。 健康的口腔中居住着数十亿个微生物 ， 其中细菌就多达700余种 。 其中大多数细菌是有益的 ， 可以抵御疾病、帮助消化以及调节机体机能 。 不过也有一些细菌对牙齿是有害的 ， 它们代谢产生的乳酸会破坏牙釉质 。 通常情况下 ， 它们的数量会受到有益菌的限制 。 这些细菌可以产生碱性物质和抗菌蛋白 ， 从而抑制有害菌的生长 。 在过去几亿年间 ， 牙齿一直维持着这种破坏与修补的平衡状态 。
这种平衡一旦被打破 ， 就会诱发龋齿 。 比如 ， 富含碳水化合物的饮食会利于产酸细菌的增殖 ， 并导致口腔的pH值下降 。 在这种酸性环境下 ， 有害细菌会更加猖狂 ， 还会制约有益细菌的生存 ， 从而进一步降低环境pH值 。 这一连串的过程被临床研究者称为“菌群失调”（dysbiosis） 。 常见的蔗糖尤其容易引起这种麻烦 。 利用蔗糖 ， 有害细菌可以形成一层厚厚的牙菌斑 ， 牢牢粘附在牙齿上 。 即使没有食物来源 ， 牙菌斑中储存的能量也足够它们消耗 ， 这也就意味着牙齿会更持久地暴露于酸性物质的攻击 。
很早之前 ， 考古学家就提出 ， 在约1万年前的新石器时代 ， 人们从采集转变为耕作的生活方式和龋齿的出现存在联系 。 这是因为小麦、水稻和玉米富含可用于发酵的碳水化合物 ， 正符合了产酸细菌的需求 。 而龋齿率的真正激增 ， 出现在工业革命时期 。 我们的食物经过了更精细的加工 ， 蔗糖也广泛出现于餐桌上 。 加工过的食物通常更柔软 ， 需要的咀嚼过程更少 ， 无法磨平牙齿的小凹陷或缝隙 ， 给牙菌斑提供了良好的生存空间 。
不幸的是 ， 由于牙齿的发育过程特殊 ， 我们的牙釉质不能像皮肤、骨头一样重新生长 。 在牙釉质形成过程中 ， 成釉细胞（ameloblast ， 一种形成牙釉质的细胞）会由牙齿内部向外迁移 ， 最终到达牙齿表面 ， 迁移的痕迹就形成了釉柱 。 我们的牙釉质之所以无法生长 ， 就是因为在牙冠发育完整以后 ， 这些成釉细胞就消失了 。 而产生牙本质的成牙质细胞（odontoblast）的迁移方向与成釉细胞完全相反 ， 它们会向内移动最终到达牙髓腔 。 在个体的一生中 ， 这些成牙质细胞都可以继续产生牙本质 ， 从而修复和替换磨损或受伤的组织 。 如果牙本质遭到了更严重的伤害 ， 新鲜的细胞会形成牙本质层 ， 以保护牙髓腔不受伤害 。
站在食物链顶端，却长着最脆弱的牙齿：为什么我们的牙齿如此不堪一击？
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然而龋洞却可以突破自然防护感染牙髓腔 ， 最终使牙齿完全坏掉 。 相比过去漫长的生命演化历程 ， 工业革命后的几个世纪短暂如白驹过隙 ， 根本不足以让我们的牙齿适应如今高糖分、精加工的饮食结构 。
颌骨压力的缺失
如今 ， 口腔正畸也成为了一项普遍需求 。 约9成的人都至少存在轻微的牙列不齐或咬合错位的问题 ， 四分之三的人都存在无法正常萌出的智齿 。 简单来说 ， 这是因为我们的牙齿和颌骨并不匹配 。 其根本原因也和龋齿一样 ， 是现代人类全新的饮食内容破坏了口腔环境的平衡 。
早在1920年 ， 澳大利亚著名的口腔正畸医生贝格（''Tick''Begg）就注意到了这种牙颌不匹配的现象 。 贝格认为 ， 自然状态下相邻牙齿间的磨损会给口腔腾出更多的空间 。 他相信颌骨的长度在演化过程中已经被“设计好”了 。 我们的牙齿本是为了研磨坚硬的食物而生的 ， 但现代柔软、精加工的食物打破了牙齿尺寸和颌骨长度间的平衡 。
基于这样的假设 ， 贝格发明出一套矫正牙齿的方法 ， 一直以来这一方法都被业界认为是“金标准” 。 这种方法需要拔掉前臼齿（位于犬齿与臼齿之间）以腾出空间 ， 再用金属丝将其他牙齿箍起来 ， 达到拉伸牙弓、让空缺消失的效果 。 事实证明 ， 贝格的方法的确有效 ， 并能使患者受益终生 。
贝格关于牙齿与颌骨之间不匹配的观点是正确的 ， 但是他搞错了一些细节 。 美国南伊利诺伊大学（SouthernIllinoisUniversity）的人类学家罗布·科鲁奇尼（RobCorruccini）在研究中指出 ， 牙弓形态的关键不在于牙齿的磨损 ， 而在于进食时颌骨感受到的压力 。 而且问题也并非是现代人的牙齿没有磨损 ， 而是颌骨太小了 。
科鲁奇尼解释道 ， 自然条件下 ， 婴儿咀嚼食物时会给颌骨压力并让其生长 ， 最终牙齿的大小应当正好适合颌骨 。 当颌骨在发育中没有得到应有的刺激时 ， 前部的牙齿就会变得拥挤 ， 并导致后部牙齿阻生 。 他对猴子做的实验也证明了这一理论 ， 那些喂了更软食物的猴子的颌骨较小 ， 也更容易出现牙齿阻生 。
根治口腔疾病
从演化的角度看 ， 人类生态的转变导致了我们的牙齿疾病 。 这一全新视角有利于研究者和临床医生从根本上解决口腔问题 。 目前的治疗手段会对牙冠进行窝沟封闭 ， 使用氟化物修补或强化牙釉质 ， 但是这些措施都不能从根本上调节菌群 。 一些具有杀菌效果的漱口水的确可以杀死引发龋齿的细菌 ， 但它同样也会杀死有益菌种 。 受到最近微生物组学治疗方法的启发 ， 研究者已经开始尝试改造牙菌斑的环境 。 我们即将迎来引入口腔益生菌、靶向抗菌药物和微生物移植等新疗法 。
对于口腔正畸方案 ， 我们也要考虑自然条件下的口腔环境 。 牙科医生和正畸医生开始意识到 ， 精加工的婴儿食物改变了婴儿面部和颌骨的应力分布 。 咀嚼造成的压力会激发儿童颌骨和面中部骨骼的正常发育 ， 而以糊状的婴儿食物喂养孩子会导致这些部位长期得不到充分发育 。 有时 ， 这一问题的影响比牙列不齐更为严重：一些专家提出这样会导致气道狭窄 ， 并可能诱发睡眠呼吸暂停综合征 。
没有人想让蹒跚学步的孩子被太硬的食物噎到 ， 但比起豌豆泥来说 ， 我们也许能找到更合适的食物帮助孩子断奶 。 近几年诞生了一门新的产业 ， 专门致力于帮助孩子打开气道 ， 促进颌骨的正常发育 ， 帮助牙齿自然排列 。 我们有一系列有效的口腔问题治疗方法 ， 但是如果我们能像祖先一样 ， 用咀嚼强度更高的食物来喂养孩子 ， 也许很多人就可以避免这些治疗了 。
本文作者：彼得·S·昂加尔是美国阿肯色大学（UniversityofArkansas）的古生物学家和人类牙齿学家 。 他主要专注于现生及化石灵长类动物的食性和取食适应性的研究 。
本文译者：郭林是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所硕士研究生 ， 研究方向为古人类学 。
本文审校：赵凌霞是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员 ， 主要从事古人类学领域的研究 。
来源：环球科学
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