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为什么人类的牙齿如此脆弱?

2020-08-08 12:55   来源: 互联网

原始脊椎动物用锋利的牙齿统治着生物圈,但现代人却被口腔问题所困扰。我们的牙齿怎么了?

1. 拔掉智齿


我坐在牙科医院的大厅里等着女儿,现场让我想起了工厂的装配线 -- 一个接一个的病人,等着拔掉第三颗磨牙(俗称智齿)。离开时,他们头上戴着绷带,面颊上有冰袋,手上拿着抗生素和止痛药的处方,手术后的家庭护理预印指南,还有一件礼物 T 恤。


对许多年轻人来说,拔掉智齿就像一种成人仪式。然而,从我的职业角度来看,这种 "习俗" 是错误的。我是一名牙科人类学家和古生物学家。在过去的 30 多年里,我一直在研究现代人、人类祖先和其他脊椎动物的牙齿。与现代人不同,大多数脊椎动物不存在牙列不均匀或龋齿等牙科疾病。人类祖先也很少患牙周病或智齿阻塞。


事实上,现代牙齿处于一种非常矛盾的状态:牙齿是我们身体中最坚硬的部分,也是极其脆弱的部分;牙齿化石可以保存数百万年,但我们的牙齿不能伴随我们一生;牙齿赋予我们祖先在生物圈中的主导地位,但现代牙齿需要小心照顾。这种矛盾基本上是在工业时代,只有在现代人。对此最好的解释是,我们的牙齿和下颌的进化与食物密切相关,而古代饮食与现代饮食不同。古生物学家早就知道我们的牙齿有着悠久的进化历史。现在,临床研究人员和牙医开始关注这个问题。



二。漫长的进化史


进化生物学家常常对人眼的复杂性感到惊讶,认为它是一种 "神奇的设计"。但对我来说,人类牙齿的结构远比眼睛更精致。建造牙齿的基本物质实际上与食物所含的相同。人们在他们的生活中咀嚼数百万次,在这个过程中,我们的牙齿可以咬食物而不受伤害。牙齿具有非凡的硬度和韧性,可以避免裂纹的发生和扩散。这是由于外层和内部的完美结合:牙齿的外层是上釉的,几乎完全由磷酸钙组成,非常坚硬;牙齿含有有机纤维,使牙齿足够坚硬。工程师们常常从牙齿的结构中得到很多灵感。


但牙齿真正的神奇之处在于它们的微观结构。我们都知道竹竿很容易折断,但是竹棍是很坚固的。釉中的微晶就像这些竹条。它们都是细长的柱子,每一根都比人的头发厚 1 /1000。当许多微晶被绑在一起时,它们形成一个棒状的釉柱。不计其数的釉柱平行排列,形成釉。据计算,每平方毫米有数万根釉柱,几乎垂直于牙本质,扭曲、弯曲或交织在一起。正是这种细腻的显微结构赋予了牙齿持久的力量。


这种设计并不是突如其来的。牙齿已经进化了数亿年。近年来,古生物学、基因组学和发育生物学的新研究帮助科学家恢复了牙齿结构的进化。


5 亿多年前的寒武纪时期,地球上出现了最早的脊椎动物 -- 无颚物种。这些最原始的鱼类没有牙齿,但它们的后代很多都长着甲虫和鳞片状的尾巴。科学家在它们的颌骨周围发现了牙齿一样的鳞片:每个都分为内外两部分,有时还覆盖着一层坚硬的矿物层,在它的内部是一个有血管和神经的牙髓腔。一些原始鱼类的嘴边缘还长有小鳞片,有些还长有倒置的刺,这可能有助于它们捕食。 许多古生物学家认为,经过自然选择,这些鳞片最终进化成牙齿。 同时,鲨鱼盾鳞的结构与今天的牙齿结构非常相似,我们称之为牙元(齿突)结构。


第一颗真正的牙齿出现在颌骨上,后来又出现了。这些牙齿相对简单,大部分看起来像锋利的荆棘,这样这些鱼就可以咬猎物,甚至通过刮、撬、夹和其他方式捕食其他生物。例如,一种原始性的颌骨类动物,以鳍前的硬刺命名,与鲨鱼的祖先有关,在志留纪时期的 4.3 亿年前发育出牙齿。然而,它们不会失去或改变牙齿,牙齿缺乏高度矿化的表面。有些刺鱼的嘴唇和脸颊上有鳞片,在嘴唇附近,这些鳞片逐渐过渡到牙齿,这也有力地证明了鳞片与牙齿是同源的。虽然牙齿是原始的,但它们也是一个巨大的生存优势,最终,有牙齿的群体比没有牙齿的群体要好。


牙齿一旦就位,就会发生进一步的变化,例如牙齿的形状、数量、分布、替换方式,以及它们与下颌的连接方式。在距今约 4.15 亿年前的志留纪 - 泥盆纪边界,玻璃层首先出现在肉质鳍鱼(Sarcopterygians) 中。肉质鳍鱼是一种硬骨鱼,进化为芬兰人,由骨骼和肌肉支撑。目前,它们被认为是现代四足类(如两栖类、爬行动物和哺乳动物等)的祖先。上光层最初只分布在鱼翅鱼鳞板上,然后从这一表皮结构跃出口腔,在牙齿的外层形成牙釉质。其他在同一时期的鱼缺乏釉层和编码釉形成所需蛋白质的基因。



牙齿在哺乳动物的起源和早期进化中起着非常重要的作用,它们可以帮助维持维持恒定温度所需的新陈代谢。哺乳动物保持体温的能力有许多优点,例如能够在温度波动较大或气候寒冷的地区生存,保持较高的移动速度以占领更大的领土,并有更多的能量来喂养、避免猎人和照顾幼崽。然而,维持体温的能力也要付出代价。在安静的状态下,哺乳动物消耗的能量是同体型爬行动物的 10 倍以上(无法调节体温)。为了补充能量,自然选择的压力反映在牙齿上。其他脊椎动物只需要用牙齿捕捉和杀死猎物,而哺乳动物则需要从每餐中获得更多的卡路里。为了做到这一点,他们必须充分咀嚼自己的食物。


哺乳动物的牙齿控制着咀嚼的过程。通过施加压力,牙齿会抓住食物并将其折断。为了充分发挥咀嚼的作用,牙齿咬合需要精确到毫米级。为了便于咀嚼,早期哺乳动物失去了换牙的能力。这也解释了为什么大多数哺乳动物,与鱼类和爬行动物不同,即使旧牙齿被擦亮或损坏,也不会继续长出新的牙齿。


釉柱也是咀嚼的特征之一。大多数研究表明,釉柱的进化是为了增强咀嚼牙齿的强度。哺乳动物牙齿的基本结构 -- 由一层釉柱包裹的牙冠 -- 早在三叠纪就出现了。哺乳动物(包括人类)的磨牙看起来形状不同,但它们都是同一模板的微调。



3. 口腔菌群和龋齿


牙齿进化的历史不仅解释了为什么牙齿如此坚韧,也解释了为什么现代牙齿有缺陷。简单地说,牙齿的这种结构是为了适应特定的环境条件,包括压力、可能的磨损、以及口腔中的某些化学物质和细菌。这会导致口腔环境的任何变化,会对无防御能力的牙齿造成损害。这是由现代人的饮食造成的,这与过去地球上所有的生物不同。我们的生理结构不适应我们的行为,导致现代人患上龋齿、智齿和其他牙齿和颌骨问题。


全世界数十亿人患有牙科相关疾病。然而,在过去 30 年里,我研究了数以百计的牙齿化石和活动物的牙齿,但几乎没有发现牙科疾病的迹象。


要了解现代人的牙齿为什么如此容易生病,我们需要参考自然状态下的口腔环境。一个健康的口腔里有几十亿个微生物,有 700 多种细菌。这些细菌大多是有益的,可以抗病,帮助消化,调节身体机能。但是有些细菌对牙齿有害,像变形链球菌(Streptococcusmutans)和乳酸杆菌(Lactobacillus),它们代谢的乳酸会破坏牙釉质。 通常情况下,这些细菌在口腔中的密度很低,不足以对牙齿造成永久性伤害。 它们的数量会受到链球菌(链球菌)和血链球菌等有益细菌的限制。这些细菌产生碱性物质和抗菌蛋白,从而抑制有害细菌的生长。 此外,唾液还能缓冲乳酸的侵袭,并将你的牙齿包裹在钙和磷酸盐中,帮助其表面再矿化。 在过去的几十亿年里,牙齿保持着这种破坏和修复的平衡。


这种平衡一旦被打破,就会诱发龋齿。例如,富含碳水化合物的饮食会助长产酸细菌的增殖,导致口腔的酸碱度降低。在这种酸性环境中,变形链球菌等有害细菌会更加猖獗,同时也会限制有益细菌的生存,从而进一步降低环境的酸碱度。这一系列过程被临床研究者称为 "菌群失调"(dysbiosis),即口腔菌群的稳态被打破,有害细菌占据口腔微生物群的主导地位。 这时,唾液修复釉面的速度跟不上其损伤的速度,就形成了龋齿。普通糖尤其容易出现这种麻烦。 使用蔗糖,有害细菌可形成一层厚厚的牙菌斑,牢牢附着在牙齿上。 即使没有食物来源,牙菌斑中储存的能量也足够它们消耗,这意味着牙齿会更永久地暴露在酸的侵袭中。



没有人想让蹒跚学步的孩子吃太硬的食物,但我们或许能找到比豌豆泥更适合他们断奶的食物。近年来,一个新的产业诞生了,致力于帮助儿童打开气道,促进颌骨的正常发育,并帮助牙齿自然地排列。我们有一系列有效的治疗口腔问题的方法,但如果像我们的祖先一样,我们可以用咀嚼强度更大的食物喂养我们的孩子,很多人可能能够避免这些食物。



早在 1920 年,澳大利亚著名的正畸医生蒂克·贝格就注意到牙齿和下巴之间的不匹配。他发现,澳大利亚的土著人,他们生活在传统的方式,有更高水平的牙齿磨损比牙齿病人的欧洲血统。然而,这些土著人的牙弓形状是完美的,他们的前牙非常整齐,智齿能够正常发芽和发挥作用。伯格认为,在自然状态下,相邻牙齿之间的磨损会给口腔留出更多的空间。他认为下巴的长度是随着它的发展而设计的。我们的牙齿最初是用来磨硬食物的,但现代软而精致的食物打破了牙齿大小和下巴长度之间的平衡。


基于这一假设,Berg 发明了一套矫正牙齿的方法,这一直被业界视为 "金本位"。这种方法要求去除前磨牙(犬牙和磨牙之间),以腾出空间让剩下的牙齿用金属丝包裹起来,以达到伸展牙弓和使牙空隙消失的效果。在贝格想出这个方法之前,其他正畸医生曾试图用金属丝矫正扭曲的牙齿,但他们没有拔除前磨牙,导致本应矫正的牙齿发生更大的变形。Berg 的方法已经被证明是有效的,可以使病人的余生受益。贝格甚至建议孩子们嚼含碳化硅颗粒的口香糖,以便将来不需要做正畸手术。


伯格关于牙齿和下巴之间不匹配的看法是对的,但他错了一些细节。美国南伊利诺伊大学人类学家罗布·科鲁奇尼(Rob Coruccini) 在他的研究中指出,牙弓形状的关键不是牙齿的磨损,而是吃东西时对下颌的压力。问题不是现代牙齿没有磨损,而是下颌太小。


早在 1871 年,查尔斯达尔文(查尔斯达尔文)在 "人的起源"(The DescentofMan) 一书中提出,下巴的大小与压力有关。但科鲁奇尼第一次提供了确凿的证据。他刚开始在南伊利诺伊大学任教,附近肯塔基州农村的一名学生告诉他,那里的老人过去不得不吃嚼食,但现在年轻人可以吃精制食品了。进一步的研究表明,虽然很少有专业的牙科护理,但老年居民的牙齿咬合情况要好于年轻人。Coruccini 解释了食物硬度的差异。随后,科鲁奇尼寻找了其他一些研究样本,其中包括亚利桑那州的皮马皮马(Pima),他还没有从商店买到食物;在印度昌迪加尔,农村人吃粗糙的小米和硬质蔬菜,而城市居民则吃软面包和豆泥,作为比较。


科鲁奇尼解释说:" 在自然条件下,婴儿咀嚼食物,对下巴施加压力,让它生长,最后的牙齿应该适合下巴。当颌骨在发育过程中得不到应有的刺激时,前方的牙齿就会变得拥挤,导致后牙阻塞。他对猴子的实验也证明了这样的理论:喂食的食物越软,下巴越小,牙齿就更有可能被刺穿。



考古学家们一直认为,在大约一万年前的新石器时代,人们的生活方式从收藏到农业的转变与龋齿的出现有联系。这是因为小麦、大米和玉米富含碳水化合物,可用于发酵,满足产酸细菌的需要。例如,俄亥俄州立大学克拉克·拉森(ClarkLarsen) 的研究小组发现,在佐治亚州沿海广泛种植玉米之后,人类遗骸中龋齿的发病率增加了五倍多。当然,牙科疾病的流行与农业之间的关系并不那么简单。在不同的时期和地区,早期农民龋病的患病率差异很大。如果一些采猎者经常吃蜂蜜,他们的牙齿也会被龋齿覆盖。


真正的龋齿率是在工业革命时期出现的。我们的食物加工得更精细,而且人们在餐桌上广泛发现糖。加工过的食物通常比较柔软,咀嚼过程更少,不能把牙齿上的小凹陷或间隙弄平,为牙菌斑提供良好的生存空间。


不幸的是,由于牙齿的特殊发育,我们的釉不能长得像皮肤和骨头。这种限制自肉质鳍鱼的鳞片出现以来就一直存在。在釉质形成过程中,成釉细胞(成釉细胞)从牙齿内部迁移到牙齿表面,迁移的痕迹形成釉柱。我们的釉不能生长的原因是这些成釉细胞在皇冠完全发育后消失了。而成牙本质细胞的迁移方向与成釉细胞的迁移方向完全相反,成牙本质细胞向内移动,最终到达牙髓腔。在一个人的生命过程中,这些成牙本质细胞可以继续产生牙本质,从而修复和替换磨损或受伤的组织。如果牙本质受损更严重,新鲜细胞形成牙本质层,以保护牙髓腔不受伤害。


然而,龋齿可以突破牙髓洞的自然保护感染,最终使牙齿完全破碎。与过去漫长的生命进化相比,工业革命后的几个世纪都像白驹一样短,这根本不足以使我们的牙齿适应今天的高糖和精致的饮食。


4. 下巴压力不足


如今,正畸也已成为一种普遍的需求。大约 90% 的人至少有轻微的牙齿失调或失调,其中 3 / 4 的人有智齿无法正常发芽。简单地说,这是因为我们的牙齿和下颌不匹配。根本原因与龋病一样,这是现代人类破坏口腔环境平衡的新饮食内容。


5.根治口腔疾病


从进化的角度来看,人类生态的转变已导致我们的牙科疾病。这一新的观点有助于研究者和临床医生从根本上解决口腔问题。目前的处理将封冠,用氟化物修复或强化釉,但这些措施不能从根本上调节植物区系。一些杀菌漱口水确实杀死了导致龋齿的细菌,但它也杀死了我们进化来对付有害细菌的有益细菌。受最近微生物治疗的启发,研究人员开始尝试改变牙菌斑的环境。我们即将引进新的治疗方法,如口服益生菌、靶向抗生素和微生物移植。


在正畸治疗方案中,我们也应该考虑自然条件下的口腔环境。牙医和正畸师开始意识到,精制婴儿食品会改变婴儿面部和颌骨的应力分布。咀嚼引起的压力可以刺激儿童颌骨和中面部骨骼的正常发育,而给儿童喂食糊状婴儿食物会导致这些部位长期发育不足。在某些情况下,这一问题比牙列问题更严重:一些专家认为,咀嚼会导致气道狭窄,并可能导致睡眠呼吸暂停综合症。


责任编辑:萤莹香草钟
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