利維坦按:

你環視身邊的人,也許就會發現,牙齒完全沒有問題的似乎鳳毛麟角,而有問題的又各有不同:智齒、齲齒、牙齒畸形……如果和其他脊椎動物相比,我們牙齒的問題就更顯突出瞭。本文作者認為這一情況存在其實出現的很晚——工業時代的人身上才開始大量出現牙齒問題,而這可以歸咎於飲食結構的改變。也就是說,牙齒的進化跟不上大腦,因此才不適應現代飲食結構,導致出現很多問題。這使我想到另一個說法:人類經常腰酸背痛,是因為身體結構還不適應直立行走。不知真假。我坐在牙科診室外等我的女兒。現場就像一條流水線:病人接連進去,要求拔掉我們通常稱為智齒的第三顆磨牙,之後他們的頭上纏著繃帶出來,綁法適合冰袋包紮。每個人都拿著醫生贈送的T恤、早就印好的傢庭護理手冊,以及抗生素和止痛藥的處方。

如今,在美國,拔除智齒幾乎已經成為瞭一種傳統。但是,從我的角度來看,這種“傳統”的歷史並不悠久。我是一名牙齒人類學傢和進化生物學傢,並且花瞭30年的時間研究當代人的牙齒和化石人類以及無數其他物種的牙齒。

我們目前常常見到的齒科問題並不正常。不僅大多數其他脊椎動物沒有與我們相同的牙齒問題——他們很少有彎曲的牙齒或蛀牙;就連我們的化石前輩也沒有影響生活的智齒,更是幾乎沒有牙齦疾病。

確實,現代人的牙齒是一個矛盾體:它們是我們身體最堅硬的部分,卻非常脆弱。盡管在化石中,古人類的牙齒可以存在數百萬年,但我們的牙齒似乎無法在我們的嘴中待滿一輩子。牙齒使我們的祖先在有機世界上占有統治地位,但是今天,我們的牙齒卻需要特殊的日常護理。

這些矛盾是新近才出現的,換言之,隻是工業時代的當代人口才會有這些問題。最好的解釋是如今的飲食與我們長久以來進化的牙齒和頜骨並不匹配。古生物學傢早就知道,我們的牙齒植根於進化史中,現在,臨床研究人員和牙科醫生也開始註意這一事實。

古代起源

進化生物學傢常常感嘆,人類的眼睛就是大自然的“設計奇跡”。但對我來說,在進化史中,眼睛的進化成果不及牙齒。我們的牙齒在不破壞自身的情況下就能磨碎食物,在一生中,我們的牙齒咀嚼數百萬次,令人驚異的是,牙齒的構成成分和我們咀嚼的食物是一樣的。

工程師能從人類的牙齒結構中學習很多東西。人類牙齒卓越的強度來自於精巧的結構,賦予其硬度和韌性以抵抗裂紋的出現和擴散。兩種特性的結合是兩種成分的結合:搪瓷硬質外蓋幾乎完全由磷酸鈣制成,牙本質內層也具有使組織具有彈性的有機纖維。

不過,我們牙齒真正的魔力實際上在微觀尺度上。想象一下,那些幹的意大利面稍微一彎折就會脆斷。但是,如果有成千上萬個類似意大利面的線束呢?我們牙齒表面那些稱為微晶的搪瓷結構就像千萬個線束,每條線隻有人頭發的千分之一那麼粗。它們捆在一起形成琺瑯棒,稱為棱柱。這些棱柱以每平方毫米數萬個的密度僅僅結合在一起,形成牙釉質。它們彼此平行,從牙齒表面到內部的牙本質,在移動時蠕動,編織和扭曲,這種構造不僅優雅,更具有令人印象深刻的耐用性。

這種設計並非一朝一夕就出現。大自然在更新動物的牙齒上花瞭億萬年。來自古生物學、遺傳學和發育生物學的最新見解使研究人員能夠重建動物牙齒結構的演變進程。

最早的脊椎動物是在寒武紀出現超過五億年前的無顎魚類。這些最早的魚類沒有牙齒,但是它們的許多後代的鱗片狀尾巴和頭部由鱗片狀磷酸鈣構成。每塊鱗片都有牙本質的外表面,有時被更堅硬、更礦化的蓋子覆蓋,內部有一個容納血管和神經的牙髓腔。

一些魚的嘴被盤上的小塊狀或倒鉤狀的邊緣所包圍,這些塊狀或倒鉤可能有助於進食。大多數古生物學傢認為,這些鱗片最終進化為牙齒。實際上,當今鯊魚的鱗片與牙齒非常相似,因此我們將它們歸為一類,稱為齒狀體(odontodes)。發育生物學傢已經表明,在還是胚胎時,鯊魚的鱗片和牙齒以相同的方式發育,並且最近的分子證據證實它們受同一套基因控制。

然後是真正的牙齒,即顎狀的牙齒。這些牙齒大多是簡單的尖頭結構,可以用來捕獲和固定獵物,以及刮、撬、抓和夾住各種生物。例如,一些棘魚綱(Acanthodii,與祖鯊相關的已滅絕的多刺魚類)在大約4.3億年前的志留紀時期擁有牙齒。它們沒有覆蓋牙本質冠的超礦化帽,既沒有脫落也沒有被替換,但是它們仍然是牙齒。

有些物種的嘴唇和臉頰鱗片逐漸變成牙齒,這一進化過程持續發展。而即便是最早的牙齒,也讓有牙齒的物種迅速脫穎而出,讓它們在原始海洋中占據優勢。這也讓牙齒在海洋中迅速流行起來,因為有牙齒的物種很快就取得瞭統治地位。

當牙齒成為動物的標配後,隨之而來的是許多創新和改良——包括形狀,數量和分佈的變化,如何更換牙齒以及如何固定在頜骨上。牙釉質最早出現在大約4.15億年前,在志留紀和泥盆紀交替之際,出現在硬骨魚類的肉鰭魚(sarcopterygian)中。肉鰭魚和現代四足動物——不論是兩棲動物、爬行動物還是哺乳動物,都和這類魚有直接的關聯性。

肉鰭魚以成對的前鰭和後鰭聞名,骨骼和肌肉類似於四肢。但當時其他魚類的牙齒則缺乏牙釉質。琺瑯最初僅限於鱗片,這表明琺瑯像牙齒一樣,起源於皮膚結構,然後演化進入口腔。

牙齒在哺乳動物的起源和早期進化中起著舉足輕重的作用,因為它們在幫助哺乳動物保持體溫的過程中扮演著重要角色。動物能夠產生自己的體熱有很多優勢,例如使這些物種能夠生活在氣候涼爽以及溫差較大的地方;允許這些物種維持較高的運動速度以維持更大的領地;並為覓食、躲避天敵和照料後代提供耐力。但是恒溫也會帶來代價:哺乳動物在靜止時的能量消耗是類似大小的爬行動物的10倍。

為身體維持恒定溫度需要更多更有效地吸收食物中的熱量,壓力就落在瞭牙齒上。其他脊椎動物隻是用牙齒捕獲和殺死獵物,但哺乳動物的牙齒每嚼一口都必須為身體提供更多的卡路裡,為此,他們必須咀嚼。

哺乳動物的牙齒引導咀嚼運動,分散咀嚼力,並固定、保持和弄碎食物。為瞭使牙齒在咀嚼過程中正常工作,它們的相對表面必須在幾分之一毫米的誤差內對齊。對這種精確度的需求可以解釋為什麼——與魚類和爬行動物不同,大多數哺乳動物不會在整個生命過程中反復不斷地長出新牙齒來代替已經磨損或者折斷的牙齒——因為哺乳動物的祖先已經喪失瞭這種能力。

棱柱組成的牙釉質是哺乳動物牙齒進化的一部分。大多數研究人員認為,這一進化可以將牙齒強度提高到哺乳動物咀嚼所需的水平。這種棱柱組成的牙釉質是一次性獨立進化還是多次進化而來,在學界尚有爭議。但是無論如何,在三疊紀時期,基本的哺乳動物牙齒結構(由棱柱組成的牙釉質,並成為牙本質冠)已經普遍出現瞭。包括我們人類在內的各種形式的哺乳動物臼齒,僅是對這一基本結構的微調而已。

生來持久:人類的牙齒,就像其他哺乳動物得到牙齒一樣,由於有堅硬牙釉質和堅韌且柔軟的牙本質構成,變得異常健壯。從微觀角度來看,搪瓷硬質外蓋幾乎完全由磷酸鈣制成,細密的琺瑯質棱柱構成瞭我們的牙釉質,牙本質的韌性則很大程度上來自於組成它的纖維結構。© AXS Biomedical Animation Studio口腔環境的微生物不平衡

我們牙齒的進化歷史不僅解釋瞭為什麼它們如此堅固,也還解釋瞭為什麼在當代,它們存在不足。基本的邏輯是,牙齒結構的演化成果隻在特定環境條件下,是有用的。

就我們人類的牙齒而言,牙齒的演化成果包括口腔中的化學物質和細菌以及牙齒本身的勞損和磨損。因此,口腔環境的迅速改變會讓我們的牙齒措手不及。然而,我們的現代飲食習慣和我們的先輩大不相同,這種習慣是我們祖先從未有過的。我們的牙齒能力無法勝任這種變化,這也解釋瞭齲齒(蛀牙)、智齒和其他困擾我們的牙齒正畸問題。

齲齒是世界上最常見、最普遍的慢性疾病。它折磨著九成美國人和全球數十億人口。但是在過去的30年中,我研究瞭成千上萬種化石和活體動物的牙齒,卻幾乎看不到任何蛀牙。

要瞭解為什麼現代人的牙齒容易腐爛,我們需要考慮自然的口腔環境。健康的人類口腔中充滿著各種生物,種類多達700多種,數量多達數十億,其中大多數都是有益的,它們可以抗擊疾病,幫助消化並調節各種身體機能。但一小部分細菌對牙齒有害,例如變形鏈球菌和乳桿菌,它們用代謝過程中產生的乳酸攻擊牙釉質。但是這些細菌的濃度通常並不高,因此也不會給牙齒造成永久性損害。

它們的遠親——血紅蛋白鏈球菌群控制著它們的數量,這些細菌產生堿(提高pH值的化學物質)以及抑制有害菌生長的抗菌蛋白。唾液的分泌則可以緩沖牙齒的損傷,防止酸對牙齒的侵蝕,並在充滿鈣和磷酸鹽的環境中浸泡牙齒,使牙齒表面礦化。

脫鹽和再礦化之間的平衡已經存在瞭數億年,在整個哺乳動物的口腔微生物群落中,我們都發現瞭有益細菌和有害細菌。正如牛津大學的凱文·福斯特(Kevin Foster)和他的同事所說,我們不斷發展以維持一個穩定的微生物群落,以“將口腔生態系統穩定住”。

當牙釉質出現斷裂時,會導致齲齒。富含碳水化合物的飲食會讓產酸菌群壯大,從而降低口腔酸堿度。變形鏈球菌和其他有害細菌在它們喜歡的酸性環境中成長,它們開始淹沒有益細菌,進一步降低pH值。臨床研究人員將這一系列事件稱為營養不良,這意味著口腔環境的生態平衡遭到瞭破壞,其中少數有害菌種超過瞭通常在口腔微生物群落中占主導地位的有益菌種。

正因唾液不能足夠快地使牙釉質再礦化以保持健康,因此牙齒磨損和修復之間的平衡難以實現。蔗糖(普通糖)尤其是罪魁禍首。有害細菌會利用它形成粘稠的斑塊,將其粘結到牙齒上,並存儲能量以在兩餐之間為它們繼續提供能量,這意味著牙齒遭受酸侵害的時間更長。

長期以來,生物考古學傢一直認為,在新石器時代,齲齒與人們從狩獵、采集獲取食物的方式到耕作的轉變之間存在緊密聯系。人類獲取食物方式的轉變經歷瞭大約一萬年,而產酸細菌會消耗可發酵的碳水化合物,這種碳水化合物在人類廣泛種植的作物,例如小麥、大米和玉米中含量很高。

俄亥俄州立大學的克拉克·拉爾森(Clark Larsen)主持的牙科遺骸研究發現,隨著史前佐治亞州沿岸玉米農業的采用和傳播,齲齒的發病率增加瞭六倍以上。

但是,蛀牙與農業之間的聯系並不是那麼簡單。早期農民的齲齒率隨時間和空間的不同而變化,一些獵人和野外食物采集者的牙齒(例如那些富含蜂蜜的飲食)的牙齒也有很多蛀牙。

齲齒率的最大躍升來自工業革命,工業革命導致瞭蔗糖和高度加工食品的廣泛供應。近年來,研究人員對古代人類牙齒中牙垢中埋藏的細菌進行瞭遺傳研究,這些細菌記錄瞭隨之而來的微生物群落的轉變。

工業革命之後的加工食品更柔軟、更清潔,為齲齒帶來瞭完美的風暴:人們不需要大量的咀嚼以切割食物中的有機膜,這樣一來,食物雖然帶給牙齒的磨損雖然變少,但也讓有害菌群難以隨著咀嚼而離開牙齒表面,與之而來的後果是,在牙齒的角落和縫隙成瞭孳生有害菌群的庇護所。

不幸的是,由於牙釉質的形成方式,我們無法像皮膚和骨骼那樣使牙釉質再生。當牙釉質首先在肉鰭魚中出現時,就有瞭這種限制。成釉細胞從牙釉質內部向表面向外遷移,在其後留下搪瓷痕跡(即棱柱)。我們不能制造更多的牙釉質,因為制成冠狀物的細胞會脫落並丟失。

牙本質則不一樣。產生它的成牙本質細胞與成釉細胞背對背開始並向內遷移,最終進入牙髓腔。它們在人的一生中都會繼續產生牙本質,並且可以修復或替換磨損或受傷的組織。更嚴重的損傷則需要形成牙本質的新鮮細胞,使牙髓壁脫落並保護牙齒。

但是,隨著蛀牙的增長,齲齒會淹沒這些自然防禦力,從而感染牙髓,並從長遠來看會殺死牙齒。從進化的角度來看,面對幾個世紀人們飲食的迅速變化,以及隨之而來的口腔環境變化,牙齒還沒有完全適應。

追根溯源:上圖為我們的牙齒是數億年進化的結果。來自化石、基因的證據指出,我們的牙齒最初起源自魚類的鱗片。牙齒讓我們的祖先更容易地嚼碎食物。如今大多數人經歷的牙齒問題——不論是智齒問題還是齲齒問題,很大程度上都是我們現在的食物和數億年牙齒進化的結果不匹配造成的,我們現在常常吃的精加工、含糖量高的食物,也是很晚近才出現的。© Jen Christiansen缺少壓力

如今,牙齒畸形也是十分常見的疾病。每十個人中有九個人的牙齒至少會有稍微錯位或咬合不正,並且有四分之三的人,他們的智齒沒有足夠的空間來適當地露出來。簡單地說,我們的牙齒不適合我們的下巴。就像齲齒一樣,造成這一現象的原因是我們的祖先的牙齒從未遇到過的口腔環境的不平衡。

澳大利亞著名的牙齒矯正醫生雷蒙德·貝格(Raymond Begg)早在1920年代就意識到瞭這種不匹配。

他發現,生活在傳統生活方式中的澳大利亞原住民比歐洲移民的牙科患者更容易掉牙。原住民還擁有完美的牙弓——他們的前牙是筆直的,而他們的智齒已經完全暴露並正常運轉。貝格推斷,自然界希望相鄰牙齒之間的磨損能夠減少口腔中的空間需求。他認為,考慮到這一點,頜骨長度是通過進化“預先設定好的”。

因此,我們的牙齒實際上是為原始環境中的堅硬食物進化的,而到瞭現代,柔軟、清潔的飲食卻破壞瞭牙齒尺寸和下頜長度之間的平衡。所以,在口腔外科,為瞭讓我們的牙齒適應今天的口腔環境,都不得不依靠拔除牙齒。

按照這一邏輯,貝格提出瞭長期以來被奉為圭臬的牙齒正畸標準。貝格提出的方案包括:拔掉前磨牙、將金屬絲連接到剩餘牙齒上的托槽,在閉合間隙的同時將牙弓拉成一條線來創造更多空間。其他牙齒矯正醫生在使用貝格之前先用鋼絲將彎曲的牙齒拉直的方法,但他們不會拔出前磨牙,因此拉直的牙齒通常會恢復為彎曲的狀態。

最初,許多牙醫對通過拉伸健康牙齒以拉直牙弓的想法持反對態度,但貝格的技術行之有效,可以為患者終身提供幫助,並且牙齒也會不斷發展以支持它。貝格甚至建議兒童咀嚼含有磨料碳化矽粉的口香糖,以促使其牙齒磨爛,從而完全避免進行正畸治療。

貝格對於牙齒和頜骨之間不匹配的觀點是正確的,但是他弄錯瞭細節。據南伊利諾伊大學的人類學傢羅伯·科魯奇尼(Rob Corruccini)的觀點,人類口腔關鍵的變化不是磨蝕性環境,而是壓力環境,這意味著進食期間頜骨會受到機械應力。問題不是牙齒太大,而是下頜太小。

值得註意的是,查爾斯·達爾文(Charles Darwin)在1871年出版的《人的後裔》(The Descent of Man)中將壓力與下頜的大小聯系起來。但是科魯奇尼是最早提供確切證據的人之一。他剛開始在伊利諾伊州南部教書,當時來自附近肯塔基州農村的一名學生告訴他,在他的社區中,長輩們吃難嚼的食物長大,而他們的子孫後代飲食變得精致。後續研究表明,盡管幾乎沒有專業的牙齒保健服務,但老年人的咬合力比年輕人的要好。

科魯奇尼解釋瞭飲食一致性方面的差異。因此,牙齒差異不是遺傳而是環境。科魯奇尼繼續尋找其他案例,包括亞利桑那州的比馬鎮(Pima of Arizona),他對比瞭當地居在可以使用商店購買的食物前後牙齒的變化情況,以及印度昌迪加爾(Chandigarh)附近的農村居民和與城市居民牙齒的比較,當地農村居民的飲食習慣是糙米和堅韌的蔬菜面包以及土豆泥小扁豆。

科魯奇尼認為,牙齒的大小已經過預先編程,可以適應在成長過程中承受機械應力水平的下巴,這與兒童期自然飲食相符。隨後,當頜骨在發育過程中沒有得到所需的刺激時,牙齒在前端變得擁擠而在後部受到沖擊。他通過對猴子進行的實驗工作證實瞭這一假設,即那些喂養較軟飲食的猴子下顎較小且牙齒受到影響。

達爾文主義的牙醫

進化的觀點揭示瞭由於環境變化而導致的牙齒疾病。這個新的優勢開始幫助研究人員和臨床醫生解決牙科疾病的根本原因。密封劑可保護我們的牙冠,氟化物可增強和再礦化牙釉質;但是,這些措施無助於改變引起衰變的口腔狀況。抗菌漱口水可殺死引起蛀牙的細菌,但它們也可以殺死有益菌種。受微生物組療法最新創新的啟發,研究人員開始集中精力重塑牙菌斑群落。口服益生菌,靶向抗微生物藥和微生物群的移植即將出現。

在考慮治療正畸疾病時,我們還應牢記自然的口腔環境。牙醫和正畸醫生意識到,高度加工、軟化的食物可以改變臉部和顎部的機械應力。咀嚼壓力會刺激兒童的頜骨和臉中部正常生長。依靠這些食物會使人體的這些部位長期不發達。這種情況的影響遠不止於牙齒過於緊湊:一些專傢認為,牙齒過於緊湊所導致的呼吸道收縮,是睡眠呼吸暫停的主要原因——這意味著呼吸驟停和驟始。

沒有人希望幼兒在進食時會被噎著,但是也許當斷奶後,我們給孩子的食物除瞭豌豆泥可能還有更好的選擇。在過去的幾年中,已經出現瞭一個全新的行業,該行業專註於幹預頜骨的生長以打開氣道並按照自然原本的意圖來適應牙齒。但是,也許像我們遠古祖先那樣,如果從孩子還小的時候就給他們喂食需要劇烈咀嚼的食物,我們就可以免除其中許多人對這種幹預的需要。

文/Peter S. Ungar

譯/Adamache

校對/Adamache、兔子的凌波微步

原文/www.scientificamerican.com/article/why-we-have-so-many-problems-with-our-teeth/

本文基於創作共同協議(BY-NC),由Adamache在利維坦發佈

文章僅為作者觀點,未必代表利維坦立場