我们的牙齿有很多问题

像拥挤和蛀牙这样的牙齿问题在今天的人们中很常见。但其他物种往往不会有这样的痛苦，我们的化石祖先也不会。

经过数亿年的进化，我们的牙齿已经进化到令人难以置信的坚固，并且能够精确地对齐，以便有效地咀嚼。他们开发了这些特性，以便在特定的口腔环境中发挥作用。

我们的牙病在很大程度上源于口腔环境的改变，这是由于引入了比我们祖先通常吃的更软、更含糖的食物而引起的。

我坐在口腔外科医生的办公室里等我的女儿。这一幕让人想起一条装配线。病人们一个接一个地进去，听天由命地拔掉了他们的第三颗磨牙，也就是通常所说的智齿。他们头上缠着特制冰袋的绷带离开了。每个人都带着一件礼物T恤，预先打印好的家庭护理说明，以及抗生素和止痛药的处方。

拔掉智齿几乎是当今美国年轻人的成年仪式。然而，从我的角度来看，这个传统有很大的问题。我是一名牙科人类学家和进化生物学家，我花了30年的时间研究活人和化石人类以及无数其他物种的牙齿。我们的牙齿问题不正常。大多数其他脊椎动物并不像我们一样有牙齿问题。他们很少有弯曲的牙齿或蛀牙。我们的化石祖先没有阻生智齿，而且似乎很少有人患过牙龈疾病。

的确，现代人的牙齿是一个深刻的矛盾。它们是我们身体最坚硬的部分，但也是极其脆弱的。虽然在化石记录中牙齿可以存活数百万年，但我们的牙齿在我们的嘴里似乎不可能持续一生。牙齿让我们的祖先统治了有机世界，但今天我们的牙齿需要特殊的日常护理来维持。这一矛盾是新的，主要局限于工业时代和当代人口。最好的解释是，今天的饮食与我们牙齿和下巴进化时的饮食不匹配。古生物学家早就知道，我们的牙齿深深植根于进化史。现在，临床研究人员和牙医也开始注意到这一点。

进化生物学家经常惊叹人类的眼睛是“设计的奇迹”。对我来说，眼睛在牙齿上什么也没有。我们的牙齿在一生中不会自行破碎食物--破碎次数高达数百万次--尽管它们是由与它们破碎的食物完全相同的原材料制成的。工程师们可以从牙齿中学到很多东西。它们非凡的力量来自于一种巧妙的结构，这种结构赋予它们抵抗裂纹开始和扩展的硬度和韧性。这两种特性都是两种成分共同作用的结果：坚硬的釉质外层几乎全部由磷酸钙制成，内层牙本质也有使组织柔韧的有机纤维。

然而，真正的魔力发生在微观尺度上。想象一下，一根干意大利面在弯曲时很容易折断。现在想象一下，成千上万的线束捆绑在一起。被称为微晶的釉质结构就像那些线束，每一股都是人类头发宽度的1000倍。它们捆绑在一起，形成称为棱柱的搪瓷棒。反过来，棱镜被包装在一起，每平方毫米有数万个棱镜，形成搪瓷帽。它们从牙齿表面到下面的牙本质相互平行，在移动过程中蠕动、编织和扭曲-这是一个优雅的配置，赋予了令人印象深刻的耐用性。

这个设计不是一夜之间出现的。几亿年来，大自然一直在修补牙齿。来自古生物学、遗传学和发育生物学的最新见解使研究人员能够重建其结构的进化。

最早的脊椎动物是5亿多年前寒武纪时期出现的无颌鱼类。这些最早的鱼没有牙齿，但它们的许多后代有一条鳞片状的尾巴和由牙齿状的磷酸钙制成的头甲。每个板都有一个牙本质的外表面，有时被一个更坚硬、更矿化的盖子覆盖，还有一个内部的髓腔，里面容纳着血管和神经。一些鱼的嘴巴被盘子围着，上面有小块瘤或倒钩，可能有助于进食。大多数古生物学家认为，这些鳞片最终被进化所利用，形成了牙齿。事实上，今天鲨鱼的鳞片与牙齿是如此相似，以至于我们把它们归为一类叫做齿形动物的结构。发育生物学家已经证明，鲨鱼的鳞片和牙齿在胚胎组织中的发育方式是一样的，最近的分子证据证实，它们是由同一组基因控制的。

最早的最终牙齿出现的时间较晚，还有下颚的鱼。这些大多是简单的尖头结构，可以用来捕捉和固定猎物，以及刮擦、撬动、抓住和夹住各种生物。例如，一些棘鱼-与祖先鲨鱼有亲缘关系的已灭绝的刺鱼-在大约4.3亿年前的志留纪拥有牙齿。它们没有覆盖牙本质牙冠的高矿化帽，它们既没有脱落，也没有更换，但它们仍然是牙齿。有些人的嘴唇和脸颊鳞片越靠近嘴巴就会逐渐变成牙齿，这是保证两个结构之间连续性的确凿证据。即使在它们最早的形式中，牙齿也一定给了它们的携带者一个优势，因为它们在原始海洋中迅速传播，而那些拥有它们的血统最终将那些没有它们的血统排挤在一边。

一旦牙齿就位，许多创新随之而来，包括它们的形状、数量和分布的变化，它们被替换的方式以及它们与颌骨的连接方式。搪瓷最早出现在大约4.15亿年前，靠近志留纪和泥盆纪之间的边界，属于一个被称为石棺的群体。这一类包括现代的四足动物(两栖动物、爬行动物和哺乳动物)和瓣鳍鱼类，它们最出名的是成对的前鳍和后鳍，其骨骼和肌肉与四肢的骨骼和肌肉相似。其他鱼类既没有釉质，也没有编码制造釉质所需蛋白质的一套基因。牙釉质最初仅限于鳞片，这表明和牙齿一样，牙釉质起源于皮肤结构，然后跳跃到口腔。

牙齿在哺乳动物的起源和早期进化中发挥了重要作用，因为它们支持温血(吸热)。自己产生热量有很多好处，例如可以生活在更凉爽的气候和温度变化更大的地方；可以保持更高的旅行速度以维持更大的领土；提供觅食、躲避捕食者和父母照顾的耐力。但恒温也是有代价的：哺乳动物在休息时消耗的能量是体型相似的爬行动物的10倍。为熔炉提供燃料的选择性压力落在了我们的牙齿上。其他脊椎动物用牙齿捕捉、遏制和杀死猎物。哺乳动物的牙齿必须从每一口咬出更多的卡路里。要做到这一点，它们必须咀嚼。

哺乳动物的牙齿指导咀嚼运动，指导和消散咀嚼力，以及定位、握持、折断和碎裂食物。为了让牙齿在咀嚼过程中正常工作，它们的相对表面必须对齐不到一毫米。对这种精确度的需求解释了为什么大多数哺乳动物不同于鱼类和爬行动物，当旧牙磨损或折断时，不会在一生中反复长出新牙。祖先哺乳动物失去了方便咀嚼的能力。

搪瓷棱镜是同一自适应组件的一部分。大多数研究人员认为，它们的进化是为了将牙齿强度提高到咀嚼所需的水平。棱柱是独立进化了一次还是几次仍存在争议，但无论如何，哺乳动物的基本牙齿结构-由棱柱状釉质覆盖的牙本质冠-在三叠纪时期就存在了。哺乳动物臼齿的各种形式，包括我们的，仅仅是对同一总体计划的微调。

我们牙齿的进化史不仅解释了它们为什么如此坚固，也解释了它们为什么会在今天变得不足。其基本思想是，结构的进化是为了在特定的环境条件范围内运作，就我们的牙齿而言，这些环境条件包括口腔中的化学物质和细菌，以及应变和磨损。因此，口腔环境的改变可以

龋病是世界上最常见、最普遍的慢性病。它困扰着十分之九的美国人和全球数十亿人。然而，在过去的30年里，我研究了数十万颗化石物种和活动物的牙齿，几乎没有看到任何蛀牙。

为了理解为什么现代人的牙齿如此容易腐烂，我们需要考虑一下自然的口腔环境。健康的口腔充满了生命，仅代表700种不同细菌的数十亿种微生物就栖息在这里。大多数都是有益的。它们与疾病抗争，帮助消化，调节各种身体功能。其他细菌对牙齿有害，如变形链球菌和乳杆菌。它们用新陈代谢过程中产生的乳酸攻击牙釉质。但这些细菌的浓度通常太低，不会造成永久性损害。它们的数量受到它们的近亲米蒂斯(Mitis)和血链球菌(Sanguinis)链球菌群的控制。这些细菌产生碱(提高pH的化学物质)，以及抑制有害物种生长的抗微生物蛋白。唾液可以缓冲牙齿免受酸侵蚀，并将它们浸泡在钙和磷酸盐中，使它们的表面重新矿化。脱矿和再矿化之间的平衡已经维持了数亿年，在哺乳动物目的口腔微生物群中都发现了有益和有害的细菌。正如牛津大学的凯文·福斯特(Kevin Foster)和他的同事们所说，我们进化是为了维持一个稳定的微生物群落，以“控制生态系统”。

链子断了就会导致龋齿。富含碳水化合物的饮食喂养产酸细菌，降低口腔pH值。变形链球菌和其他有害物种在它们产生的酸性环境中茁壮成长，它们开始吞噬有益的细菌，进一步降低PH值。这一连串的事件导致了临床研究人员所说的生物失调，平衡的转变，少数有害物种的竞争超过了那些通常主导口腔微生物群的物种。唾液无法以足够快的速度重新矿化牙釉质，从而打破了流失和修复之间的平衡。蔗糖--普通的糖--尤其有问题。有害细菌利用它形成一层厚厚的粘性菌斑，将它们绑定在牙齿上，并储存能量，在两餐之间喂养它们，这意味着牙齿遭受更长时间的酸攻击。

生物考古学家长期以来一直认为，龋齿与新石器时代过去1万年左右从觅食到耕作的转变之间存在联系，因为产酸细菌消耗大量存在于小麦、大米和玉米中的可发酵碳水化合物。例如，俄亥俄州立大学(Ohio State University)的克拉克·拉森(Clark Larsen)领导的关于牙齿残骸的研究发现，随着史前佐治亚州海岸玉米农业的采用和推广，龋齿发病率增加了6倍以上。然而，蛀牙和农业之间的联系并不那么简单。早期农民的龋患率随时间和空间的不同而不同，一些狩猎采集者的牙齿，比如那些吃蜂蜜丰富的人的牙齿，都布满了蛀牙。

龋患率最大的跃升来自工业革命，工业革命导致蔗糖和深加工食品的广泛供应。近年来，研究人员对埋藏在古牙牙垢中的细菌进行了基因研究，记录了微生物群落随后的转变。加工食品也更柔软、更清洁，为龋齿带来了完美的风暴：更少的咀嚼来切割有机薄膜，更少的饮食磨料来磨损牙菌斑细菌避难的牙齿的角落和缝隙。

不幸的是，由于我们牙帽的形成方式，我们不能像皮肤和骨骼那样再生牙釉质。这一限制是在牙釉质首次在裂鳍鱼类中进化时建立起来的。成釉细胞，也就是制造釉质的细胞，从牙帽的内部向外迁移到最终的表面，留下了釉质棱柱的痕迹。我们不能制造更多的釉质，因为当牙冠完成时，制造釉质的细胞就会脱落并丢失。牙本质是另一回事。产生它的成牙本质细胞开始与成釉细胞背靠背，然后向内迁移，最终进入牙髓室。它们在人的一生中继续产生牙本质，并能修复或替换磨损或受伤的组织。更严重的伤害需要形成牙本质的新鲜细胞来隔开牙髓室，保护牙齿。

然而，随着蛀牙的生长，龋齿可能会压倒这些天然防御系统，感染牙髓，最终杀死牙齿。从进化论的角度来看，几个世纪的时间只是昙花一现，我们的牙齿根本没有足够的时间来适应食糖和加工食品的引入给我们的口腔环境带来的变化。

正畸疾病也很流行。

著名的澳大利亚正畸医生“滴答”贝格早在20世纪20年代就认识到了这种不匹配。他发现，过着传统生活方式的原住民比他的欧洲血统的牙病患者更容易牙齿磨损。他们也有完美的牙弓-他们的门牙是直的，他们的智齿完全萌出并发挥作用。贝格推断，大自然希望相邻牙齿之间的磨损可以减少口腔对空间的需求。他认为，颌骨长度是进化为了考虑到这一点而“预先编程”的。因此，我们的牙齿在研磨环境中进化为坚硬的食物，而我们柔软、干净的饮食打破了牙齿大小和颌长之间的平衡。因此，口腔外科医生办公室的装配线就是这样的。不管是磨损还是拔牙，牙齿质量都得去掉。

考虑到这一逻辑，贝格制定了长期以来被认为是矫正牙齿的黄金标准。它包括拔除前前磨牙，在剩余牙齿的托槽上连接一根金属丝，并在关闭间隙的同时将牙弓拉成一条直线，以创造空间。在贝格之前，其他正畸医生已经用金属丝拉直了弯曲的牙齿，但他们没有拔除前磨牙，因此拉直的牙齿通常会恢复到歪斜的状态。许多牙医最初对拔除健康的牙齿以拉直牙弓的想法犹豫不决，但贝格的技术奏效了，持续了一生，并有进化来支持它。贝格甚至建议儿童咀嚼含有研磨性碳化硅粉尘的口香糖来磨损他们的牙齿，从而完全避免正畸治疗的需要。

贝格关于牙齿和下巴不匹配的说法是对的，但他把细节搞错了。根据南伊利诺伊大学的人类学家罗布·科鲁奇尼的说法，关键的变化不是磨料环境，而是应力环境，这意味着进食过程中颌骨受到的机械应力。牙齿也不是太大--下巴太小了。

值得一提的是，查尔斯·达尔文在他1871年出版的“人类的起源”一书中提出了压力和下巴大小之间的联系。但科鲁奇尼是最先提供确凿证据的人之一。他刚刚开始在南伊利诺伊州教书，一名来自附近肯塔基州农村的学生告诉他，在他所在的社区，老年人是以难咀嚼的食物长大的，而他们的子孙则有更精致的、加工过的饮食。后续研究表明，尽管几乎没有专业的牙科护理，但年长的居民比年轻的居民咬得更好。科鲁奇尼解释了饮食一致性方面的差异。因此，牙齿的差异不是遗传的，而是环境的。科鲁奇尼接着发现了许多其他的例子，包括亚利桑那州的皮马(Pima)在他们获得商店购买的食物之前和之后，以及印度昌迪加尔附近的农村居民，他们的饮食是粗糙的小米和坚硬的蔬菜，而城市居民吃的是软面包和扁豆泥。

科鲁奇尼推断，牙齿大小是预先设定的，以适应生长过程中受到机械应力水平影响的下巴，符合儿童时期的自然饮食。随后，当下颌在发育过程中得不到所需的刺激时，牙齿在前端变得拥挤，在后部受到阻挡。他通过对猴子的实验工作证实了这一假设，结果表明，那些食用较软饮食的猴子下巴较小，牙齿阻生。

从进化论的角度来看，我们的牙病是生态转变的结果。这一新的有利条件开始帮助研究人员和临床医生解决牙病的根本原因。密封剂保护我们的牙冠，氟化物强化牙釉质并使其重新矿化；然而，这些措施并不能改变导致龋齿的口腔条件。杀菌漱口水可以杀死导致蛀牙的细菌，但也会杀死进化出的能抑制有害细菌的有益菌株。受到最近微生物组疗法创新的启发，研究人员开始专注于重塑牙菌斑社区。口服益生菌、靶向抗菌素和微生物区系移植即将出现。

当我们考虑治疗正畸疾病时，我们也可以把自然的口腔环境放在心上。牙医和正畸医生正在意识到，经过深度加工、软化的食物可以改变面部和下巴的机械张力。咀嚼压力会刺激儿童下巴和面部中部的正常生长。吃这样的食物会使身体的这些部位长期发育不良。这种情况的影响不仅仅是牙齿拥挤：一些专家认为，由此导致的气道收缩是睡眠呼吸暂停的原因，在睡眠呼吸暂停中，呼吸反复停止和开始。

没有人希望蹒跚学步的孩子在吃东西的时候哽咽，但也许有比豌豆泥更好的方法来断奶我们的孩子。在过去的几年里，一个全新的行业

进化论的咬伤：牙齿、饮食和人类起源的故事。彼得·S·昂加。普林斯顿大学出版社，2017年。