牙结石告诉我们人类的过去

在我们印象中，一样东西要想变成化石，需要非常漫长的时间。但是，在你身上有一样东西，在你还活着的时候，就在变为化石。

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你想知道是什么吗?好，请站在镜子前，检查一下你的下门牙的后表面。即使你是一个爱护牙齿的人，你可能还是会看到牙釉质与牙龈相接处有一条黄褐色的细线。这就是牙菌斑，即生长在牙齿表面的微生物层——或者更准确地说，是生长在旧牙菌斑表面的微生物层。如果不刷掉或刮掉，这层牙菌斑就会变硬，因为溶解在唾液中的矿物质会不断沉淀到牙菌斑上，杀死微生物，并将其石化成牙结石(又叫牙垢)。

对你和我来说，牙结石可能看起来相当恶心，但它已经成为考古学的热门话题。它被认为是不同寻常的时间胶囊，一个信息的宝库。在过去20年里，它已经揭示了我们祖先生活中一些令人惊讶的细节，帮助我们了解人类进化的一些深层次问题。

“时间胶囊”——牙结石

当我说牙菌斑在我们有生之年就在变成化石的时候，我并没有夸大其词。这个过程与其他化石的形成过程完全一样。埋在地下的化石，是地下水中的矿物质渗透到生物尸体中并沉淀出来，将其变成化石的;而牙结石是溶解在唾液中的矿物质沉淀在牙菌斑上，通过将死去的微生物钙化，变成化石的。

然而，与地下化石不同的是，牙结石的形成非常迅速：牙菌斑可以在短短两周内就完全钙化。这意味着，每两周它就将一批口腔微生物变成化石。这样，一层一层的被钙化的微生物变成化石后，附着在牙齿上，形成牙结石。所以，如果不清除的话，牙结石里有大量有关我们一生中的口腔微生物组(生活在我们的口腔内，数量巨大而多样的细菌、古细菌和真菌)的信息。口腔微生物组占牙结石体积的大约90%。此外，牙结石也捕获其他东西，包括食物残渣、病原体、我们自身的DNA和环境中的灰尘、烟雾颗粒。事实上，任何进入你口中的东西都可能最终被困于牙结石中。

牙结石中保存的信息，细节惊人。在一般化石中，生物体死亡后身体组织大量分解、消失，仅很少一部分能变成化石。而在牙结石中，由于它的钙化方式，微生物和生物分子得到了极大的保存。你可以看到单个细菌真正冻结在“时间胶囊”中。一个人一生吃过哪些药，都可以从牙结石中被探测出来。最近有人甚至提议，用牙结石来判断某人是否得过新冠肺炎。

牙结石考古

牙结石作为一项考古学的工具，最早可追溯到1975年。当时在英国大英博物馆工作的菲利普·阿米泰吉描述了一种从古代牛的牙结石中提取植物残渣的方法，以了解它们的饮食。

自1980年代以来，这种方法又被用来了解我们祖先(现代智人)、尼安德特人和已灭绝的某些猿类的饮食。例如，一项研究发现，地中海东部的人在3700年前就开始吃香蕉和姜黄了。在古代，香蕉和姜黄原产于南亚，这揭示出生活在地中海东部和亚洲东南部的人，虽然相隔近万里，但在很早的时候就有过实物的交流。

2021年，迄今最雄心勃勃的牙结石研究项目公布结果。一个国际研究团队从我们人类、尼安德特人、黑猩猩、大猩猩和僧帽猴这5个物种的124个个体的牙结石中提取DNA进行了测序。这124个个体中，52个是我们这个物种(现代智人)的成员，从3万年前的我们的祖先到当今的现代人;17个是尼安德特人;21个是黑猩猩;29个是大猩猩;5个是僧帽猴。该项研究的主要目的是追踪灵长类动物口腔微生物组的进化。

研究人员原先预计，灵长类动物口腔微生物组会随着物种的不同变化很大;但令他们惊讶的是，所有的标本显示出强烈的相似性。这使得口腔与肠道非常不同。肠道微生物组因饮食、地域和物种的不同而存在着巨大的差异。但被调查的这5个物种的口腔微生物组中，都有一个由10种细菌组成的固定“核心团队”。这一事实表明，所有灵长类动物都有一个共同的古老口腔微生物组，并在数百万年的进化中得到了保存。

研究人员还发现，冰期欧洲的尼安德特人和现代智人的口腔微生物组几乎完全相同。这与以前的研究一致，表明那个时期这两个物种之间有广泛的接触和杂交。

解开人类饮食变化之谜

这项研究还可能有助于解决人类进化中一个长期存在的问题：我们的祖先是如何获得容量如此大、能耗如此高的大脑的?1995年，有人提出一种假说，认为我们的祖先脑容量变大，是以缩小他们的内脏为代价换来的，因为维持内脏也需要消耗大量的能量。但是内脏，尤其是肠胃缩小之后，要想维持原先的热量摄入，需要在饮食上有个根本的转变，即需要摄入热量更高的食物。然而，这种食物是什么，长期以来存在着争议。一些人认为是肉类，另一些人认为是来自植物块茎和球茎的淀粉。

后一种说法得到了DNA证据的支持。DNA证据显示，人类基因组中有多个唾液淀粉酶的基因拷贝，而黑猩猩只有一个。拷贝越多，能合成的唾液淀粉酶就越多，消化碳水化合物的能力就越强。2016年的一项研究表明，人类唾液淀粉酶基因拷贝的增多，发生在大约60万年前，在尼安德特人与我们祖先(现代智人)分道扬镳之后。

然而，即使尼安德特人的唾液淀粉酶基因拷贝比我们少，但从尼安德特人的牙结石中提取的淀粉粒表明，碳水化合物在他们的饮食中也很重要。这又让人重新困惑起来。

最近的研究为我们解答了这个谜。牙结石研究显示，现代智人和尼安德特人的口腔中都有一种独特的链球菌，而黑猩猩和大猩猩则没有。这些链球菌专门把淀粉消化成葡萄糖，葡萄糖则可以被动物的肠道吸收。这就解释了尼安德特人在唾液淀粉酶基因拷贝比我们少的情况下，为什么也能像我们一样消化碳水化合物(当然，消化能力不及我们)。

但是，这又产生了一个新谜：一般来说，链球菌是不吃淀粉的，那么这种特殊的链球菌是如何获得消化淀粉的能力的呢?是什么时候获得的?要解开这个谜，还需要我们对灵长类动物的牙结石做更深入的研究。

牙结石的更多秘密

牙结石甚至可以为我们提供一个了解更遥远过去的窗口。我们知道，DNA在环境中的半衰期大约只有6万年(每过6万年，有一半数量的DNA就分解了)，所以时间太久远就无法保存。但有一些蛋白质却可以保存非常长久。目前发现的最古老的牙结石附在一只1250万年前的森林古猿的臼齿上。这个牙结石不太可能含有完整的DNA，但可能含有完整的蛋白质。提取、分析这些古代蛋白质，可以帮助我们了解我们更早的祖先的生活状况。

与此同时，有人在研究其他哺乳动物的牙结石。所有哺乳动物，包括海洋哺乳动物的牙齿上都有牙结石，而且可能蕴含着丰富的信息。例如，有科学家最近分析了瑞典野生熊的牙结石。他们发现，其中一些含有耐药细菌。这些熊没有接触过抗生素，甚至没有生活在人类附近，所以它们牙结石中的耐药细菌一定是从自然中来的。这样，研究动物的牙结石可以帮助我们了解耐药细菌在自然中的传播。

最后，牙结石本身也是个谜。譬如，牙结石是一层一层的，每层厚度约为20~200微米。但这是怎么回事?这种规律性的分层对于我们意味着什么?我们迄今依然一无所知。搞清楚这一切，也许能告诉我们更多牙结石包含的信息。

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