咀嚼背后的科學(xué)

邵峰

2019年，科學(xué)家從一塊發(fā)現(xiàn)于丹麥的“口香糖”中提取出了生活在5700年前的古代人類DNA。這塊“口香糖”其實(shí)是樺樹膠。在當(dāng)時(shí)的斯堪的納維亞地區(qū)，人們會(huì)將收集到的樺樹膠進(jìn)行熬煮，得到瀝青狀物質(zhì)。這些黏稠的樹膠主要被用作黏合劑，但有些也被用于咀嚼。樺樹膠無法被消化，不能提供營(yíng)養(yǎng)，那么古人為什么還要嚼它？原因可能是樺樹膠中有一些抗細(xì)菌、真菌的成分，能降低口腔感染風(fēng)險(xiǎn)。也有可能是古人為了通過嚼樺樹膠緩解壓力，這與今天我們嚼口香糖的理由差不多。

動(dòng)物進(jìn)化出下頜并用牙齒咀嚼是進(jìn)化史上的一次重大事件，因?yàn)檫@標(biāo)志著動(dòng)物進(jìn)食能力上了一個(gè)新臺(tái)階。

5700年前的樺樹膠“口香糖”。

最早的牙齒

咀嚼離不開牙齒。科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為牙齒最早出現(xiàn)于牙形動(dòng)物身上。牙形動(dòng)物是已經(jīng)滅絕的動(dòng)物，最早出現(xiàn)于5.8億年前，長(zhǎng)得和今天的鰻魚很像，沒有上下頜。牙形刺是牙形動(dòng)物頭部的某個(gè)結(jié)構(gòu)形成的，其作用類似于牙齒，起捕獵、切割、研磨、過濾等作用。

19世紀(jì)中葉，古生物學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了牙形刺化石。起初，牙形刺被誤認(rèn)為是古代魚類的牙齒。2013年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)早期牙形動(dòng)物的牙形刺化石并沒有牙齒特有的牙釉質(zhì)成分，這表明牙形刺并不是真正的牙齒。

距今最早的牙齒化石來自一件3.8億年前的盾皮魚化石標(biāo)本。盾皮魚是已經(jīng)滅絕的早期魚類，全身覆蓋硬骨，是最早進(jìn)化出下頜的脊椎動(dòng)物。2012年，科學(xué)家在用“高分辨率X射線成像”設(shè)備檢查一件盾皮魚化石的口腔上部時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些復(fù)雜的小型牙齒。這些牙齒以螺旋形式排列在盾皮魚的口腔上部的骨板上，同時(shí)牙齒的咬合面中央還有許多針狀突起——這是牙本質(zhì)增生的結(jié)果，突起名為牙尖?？茖W(xué)家猜測(cè)盾皮魚牙齒的這種結(jié)構(gòu)主要是為了碾碎獵物堅(jiān)硬的外殼。更關(guān)鍵的是，這件盾皮魚化石的牙齒表面覆蓋有堅(jiān)硬的牙釉質(zhì)樣材料，而且不止一層，因此，這種結(jié)構(gòu)很有可能就是真正意義上的牙齒。

牙形動(dòng)物的牙形刺。

長(zhǎng)得像鰻魚的牙形動(dòng)物。

在盾皮魚口腔上部的骨板上，有一些很可能是牙齒的針狀突起。

牙齒可能是魚鱗變的

牙齒的形成和魚鱗有不解之緣。包括鯊魚在內(nèi)的軟骨魚體表覆蓋著細(xì)密的齒狀鱗片，名為盾鱗，也叫膚齒。在顯微鏡下可以發(fā)現(xiàn)，這些鱗片的結(jié)構(gòu)和牙齒結(jié)構(gòu)十分類似——鱗片有類似牙本質(zhì)的內(nèi)層，還有類似牙釉質(zhì)的硬鱗質(zhì)外層。其實(shí)，不僅僅是鯊魚，許多魚類的鱗片結(jié)構(gòu)都與牙齒的很相似。

科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)牙齒和魚鱗存在進(jìn)化關(guān)聯(lián)，問題是誰先出現(xiàn)呢？過去，一些科學(xué)家認(rèn)為牙齒是魚鱗演化來的，而另一些則認(rèn)為魚鱗是牙齒演化來的。那么誰對(duì)誰錯(cuò)？ 和鯊魚同屬軟骨魚的猬白鰩的皮膚表面也有盾鱗。2017年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)猬白鰩的盾鱗來自于形成牙齒的神經(jīng)嵴細(xì)胞。這個(gè)發(fā)現(xiàn)有力支持了一種關(guān)于牙齒形成的理論，即在魚類剛剛進(jìn)化出頜骨后，負(fù)責(zé)形成鱗片的神經(jīng)嵴細(xì)胞轉(zhuǎn)移到了魚類的頜骨中，并形成原始的牙齒。這樣看來，我們的牙齒最初很有可能是從魚鱗演化而來的。

鯊魚皮膚上的盾鱗和牙齒有極為相似的構(gòu)成。

像石臼一樣咀嚼

把蘋果嚼碎對(duì)健康人來說很簡(jiǎn)單，這是因?yàn)槲覀冇薪Y(jié)實(shí)的下頜骨。不過，對(duì)早期哺乳動(dòng)物來說，咀嚼是有一定難度的，因?yàn)樗鼈兊南骂M骨并不像我們一樣是整塊的，而是由左右兩個(gè)可以獨(dú)立活動(dòng)的下頜骨組成。

科學(xué)家對(duì)早期哺乳動(dòng)物的咀嚼模式一直很感興趣。雖然我們沒有辦法乘坐時(shí)光機(jī)器回到侏羅紀(jì)去看看早期哺乳動(dòng)物如何咀嚼美味的大甲蟲，但古生物學(xué)家依然可以通過研究同一演化支的動(dòng)物的行為，來還原已滅絕動(dòng)物的咀嚼模式。如果研究中這些動(dòng)物存在“同源性狀”，即它們的某個(gè)遺傳性狀能追溯到某個(gè)共同祖先，那么就可能還原出有說服力的結(jié)果。

2019年，科學(xué)家將目光瞄準(zhǔn)了短尾負(fù)鼠，它們和早期真獸下綱動(dòng)物（人類、牛、蝙蝠、刺猬、大象、狼等哺乳動(dòng)物都屬于真獸下綱）共享兩個(gè)“同源性狀”：兩者都有獨(dú)立的左右下頜骨，并且都有結(jié)構(gòu)類似的臼齒。

短尾負(fù)鼠的下頜骨和某些早期哺乳動(dòng)物一樣都是分開的。