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为什么我们的牙齿如此不堪一击?

来源:环球科学 作者:郭林 发布时间:2020-05-11 16:28:49 浏览次数: 【字体:

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?这篇节选自《环球科学》5月新刊的文章告诉我们,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。

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。

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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。

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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

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。

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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(Southern Illinois University)的人类学家罗布·科鲁奇尼(Rob Corruccini)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(University of Arkansas)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。


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