牙結石告訴我們人類的過去

在我們印象中，一樣東西要想變成化石，需要非常漫長的時間。但是，在你身上有一樣東西，在你還活著的時候，就在變為化石。

你想知道是什么嗎?好，請站在鏡子前，檢查一下你的下門牙的后表面。即使你是一個愛護牙齒的人，你可能還是會看到牙釉質與牙齦相接處有一條黃褐色的細線。這就是牙菌斑，即生長在牙齒表面的微生物層——或者更準確地說，是生長在舊牙菌斑表面的微生物層。如果不刷掉或刮掉，這層牙菌斑就會變硬，因為溶解在唾液中的礦物質會不斷沉淀到牙菌斑上，殺死微生物，并將其石化成牙結石(又叫牙垢)。

(資料圖)

對你和我來說，牙結石可能看起來相當惡心，但它已經成為考古學的熱門話題。它被認為是不同尋常的時間膠囊，一個信息的寶庫。在過去20年里，它已經揭示了我們祖先生活中一些令人驚訝的細節，幫助我們了解人類進化的一些深層次問題。

“時間膠囊”——牙結石

當我說牙菌斑在我們有生之年就在變成化石的時候，我并沒有夸大其詞。這個過程與其他化石的形成過程完全一樣。埋在地下的化石，是地下水中的礦物質滲透到生物尸體中并沉淀出來，將其變成化石的;而牙結石是溶解在唾液中的礦物質沉淀在牙菌斑上，通過將死去的微生物鈣化，變成化石的。

然而，與地下化石不同的是，牙結石的形成非常迅速：牙菌斑可以在短短兩周內就完全鈣化。這意味著，每兩周它就將一批口腔微生物變成化石。這樣，一層一層的被鈣化的微生物變成化石后，附著在牙齒上，形成牙結石。所以，如果不清除的話，牙結石里有大量有關我們一生中的口腔微生物組(生活在我們的口腔內，數量巨大而多樣的細菌、古細菌和真菌)的信息?？谇晃⑸锝M占牙結石體積的大約90%。此外，牙結石也捕獲其他東西，包括食物殘渣、病原體、我們自身的DNA和環境中的灰塵、煙霧顆粒。事實上，任何進入你口中的東西都可能最終被困于牙結石中。

牙結石中保存的信息，細節驚人。在一般化石中，生物體死亡后身體組織大量分解、消失，僅很少一部分能變成化石。而在牙結石中，由于它的鈣化方式，微生物和生物分子得到了極大的保存。你可以看到單個細菌真正凍結在“時間膠囊”中。一個人一生吃過哪些藥，都可以從牙結石中被探測出來。最近有人甚至提議，用牙結石來判斷某人是否得過新冠肺炎。

牙結石考古

牙結石作為一項考古學的工具，最早可追溯到1975年。當時在英國大英博物館工作的菲利普·阿米泰吉描述了一種從古代牛的牙結石中提取植物殘渣的方法，以了解它們的飲食。

自1980年代以來，這種方法又被用來了解我們祖先(現代智人)、尼安德特人和已滅絕的某些猿類的飲食。例如，一項研究發現，地中海東部的人在3700年前就開始吃香蕉和姜黃了。在古代，香蕉和姜黃原產于南亞，這揭示出生活在地中海東部和亞洲東南部的人，雖然相隔近萬里，但在很早的時候就有過實物的交流。

2021年，迄今最雄心勃勃的牙結石研究項目公布結果。一個國際研究團隊從我們人類、尼安德特人、黑猩猩、大猩猩和僧帽猴這5個物種的124個個體的牙結石中提取DNA進行了測序。這124個個體中，52個是我們這個物種(現代智人)的成員，從3萬年前的我們的祖先到當今的現代人;17個是尼安德特人;21個是黑猩猩;29個是大猩猩;5個是僧帽猴。該項研究的主要目的是追蹤靈長類動物口腔微生物組的進化。

研究人員原先預計，靈長類動物口腔微生物組會隨著物種的不同變化很大;但令他們驚訝的是，所有的標本顯示出強烈的相似性。這使得口腔與腸道非常不同。腸道微生物組因飲食、地域和物種的不同而存在著巨大的差異。但被調查的這5個物種的口腔微生物組中，都有一個由10種細菌組成的固定“核心團隊”。這一事實表明，所有靈長類動物都有一個共同的古老口腔微生物組，并在數百萬年的進化中得到了保存。

研究人員還發現，冰期歐洲的尼安德特人和現代智人的口腔微生物組幾乎完全相同。這與以前的研究一致，表明那個時期這兩個物種之間有廣泛的接觸和雜交。

解開人類飲食變化之謎

這項研究還可能有助于解決人類進化中一個長期存在的問題：我們的祖先是如何獲得容量如此大、能耗如此高的大腦的?1995年，有人提出一種假說，認為我們的祖先腦容量變大，是以縮小他們的內臟為代價換來的，因為維持內臟也需要消耗大量的能量。但是內臟，尤其是腸胃縮小之后，要想維持原先的熱量攝入，需要在飲食上有個根本的轉變，即需要攝入熱量更高的食物。然而，這種食物是什么，長期以來存在著爭議。一些人認為是肉類，另一些人認為是來自植物塊莖和球莖的淀粉。

后一種說法得到了DNA證據的支持。DNA證據顯示，人類基因組中有多個唾液淀粉酶的基因拷貝，而黑猩猩只有一個。拷貝越多，能合成的唾液淀粉酶就越多，消化碳水化合物的能力就越強。2016年的一項研究表明，人類唾液淀粉酶基因拷貝的增多，發生在大約60萬年前，在尼安德特人與我們祖先(現代智人)分道揚鑣之后。

然而，即使尼安德特人的唾液淀粉酶基因拷貝比我們少，但從尼安德特人的牙結石中提取的淀粉粒表明，碳水化合物在他們的飲食中也很重要。這又讓人重新困惑起來。

最近的研究為我們解答了這個謎。牙結石研究顯示，現代智人和尼安德特人的口腔中都有一種獨特的鏈球菌，而黑猩猩和大猩猩則沒有。這些鏈球菌專門把淀粉消化成葡萄糖，葡萄糖則可以被動物的腸道吸收。這就解釋了尼安德特人在唾液淀粉酶基因拷貝比我們少的情況下，為什么也能像我們一樣消化碳水化合物(當然，消化能力不及我們)。

但是，這又產生了一個新謎：一般來說，鏈球菌是不吃淀粉的，那么這種特殊的鏈球菌是如何獲得消化淀粉的能力的呢?是什么時候獲得的?要解開這個謎，還需要我們對靈長類動物的牙結石做更深入的研究。

牙結石的更多秘密

牙結石甚至可以為我們提供一個了解更遙遠過去的窗口。我們知道，DNA在環境中的半衰期大約只有6萬年(每過6萬年，有一半數量的DNA就分解了)，所以時間太久遠就無法保存。但有一些蛋白質卻可以保存非常長久。目前發現的最古老的牙結石附在一只1250萬年前的森林古猿的臼齒上。這個牙結石不太可能含有完整的DNA，但可能含有完整的蛋白質。提取、分析這些古代蛋白質，可以幫助我們了解我們更早的祖先的生活狀況。

與此同時，有人在研究其他哺乳動物的牙結石。所有哺乳動物，包括海洋哺乳動物的牙齒上都有牙結石，而且可能蘊含著豐富的信息。例如，有科學家最近分析了瑞典野生熊的牙結石。他們發現，其中一些含有耐藥細菌。這些熊沒有接觸過抗生素，甚至沒有生活在人類附近，所以它們牙結石中的耐藥細菌一定是從自然中來的。這樣，研究動物的牙結石可以幫助我們了解耐藥細菌在自然中的傳播。

最后，牙結石本身也是個謎。譬如，牙結石是一層一層的，每層厚度約為20~200微米。但這是怎么回事?這種規律性的分層對于我們意味著什么?我們迄今依然一無所知。搞清楚這一切，也許能告訴我們更多牙結石包含的信息。