为什么我们的牙齿有这么多问题

我坐在口腔外科医生的办公室里等我的女儿。眼前的景象让我想起了一条装配线。病人一个接一个地进去，听天由命地拔掉他们的第三磨牙，也就是俗称的智齿。他们离开时，头上缠着绷带，特制的冰袋紧紧地裹在头上。每个人都拿着一件赠送的T恤、预先印好的家庭护理说明，以及抗生素和止痛药的处方。

拔智齿几乎是当今美国年轻人的一种成人仪式。然而，从我的角度来看，这种传统有些非常不对劲的地方。我是一名牙齿人类学家和进化生物学家，花了30年时间研究现存和化石人类以及无数其他物种的牙齿。我们的牙齿问题是不正常的。大多数其他脊椎动物都没有我们同样的牙齿问题。它们很少有歪牙或蛀牙。我们的化石祖先没有阻生智齿，而且似乎也很少患牙龈疾病。

的确，现代人类的牙齿是一个深刻的矛盾体。它们是我们身体最坚硬的部分，但却又异常脆弱。尽管牙齿在化石记录中可以存在数百万年，但我们的牙齿似乎无法在我们的口腔中持续一生。牙齿使我们的祖先在有机世界中占据了统治地位，然而今天我们的牙齿需要特殊的日常护理才能维持。这种矛盾是新的，并且主要局限于工业时代和当代人口。最好的解释是，今天的饮食与我们的牙齿和下颚进化的饮食不匹配。古生物学家早就明白，我们的牙齿深深扎根于进化历史。现在，临床研究人员和牙科医生也开始注意到这一点。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。

远古起源

进化生物学家经常惊叹于人类的眼睛是“设计的奇迹”。对我来说，眼睛与牙齿相比，简直不值一提。我们的牙齿可以分解食物而自身不会被破坏——在一生中高达数百万次——而且它们做到这一点，尽管它们是由与它们分解的食物完全相同的原材料制成的。工程师们有很多东西要向牙齿学习。它们非凡的强度来自于一种巧妙的结构，这种结构赋予它们抵抗裂纹的产生和扩散的硬度和韧性。这两种特性都来自于两种成分的结合：一层几乎完全由磷酸钙制成的坚硬的外部牙釉质帽，以及一层内部的牙本质，牙本质也含有使组织具有弹性的有机纤维。

真正的魔力发生在微观尺度上。想象一下，一根干燥的意大利面条很容易被弯曲折断。现在想象一下数千根面条捆在一起。被称为微晶的牙釉质结构就像那些面条，每一根的宽度都是人类头发的千分之一。它们捆绑在一起形成称为牙釉质柱的杆状结构。反过来，牙釉质柱又被紧密地堆积在一起，每平方毫米有数万根，形成牙釉质帽。它们彼此平行地从牙齿表面延伸到下方的牙本质，弯曲、编织和扭曲着前进——这种优雅的结构赋予了牙齿令人印象深刻的耐用性。

这种设计并非一蹴而就。大自然已经对牙齿进行了数亿年的修补。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演变。

最早的脊椎动物是无颌鱼类，它们出现在超过5亿年前的寒武纪时期。这些最早的鱼类没有牙齿，但它们的许多后代都有鳞状尾巴和头部盔甲，这些盔甲由牙齿状的磷酸钙板组成。每个板都有一个牙本质外表面，有时覆盖着一层更坚硬、更矿化的帽，以及一个容纳血管和神经的内部牙髓腔。一些鱼类的嘴巴边缘镶嵌着带有小突起或倒钩的板，这些板可能有助于进食。大多数古生物学家认为，这些鳞片最终被进化所选择，形成了牙齿。事实上，今天鲨鱼的鳞片与牙齿非常相似，以至于我们将它们归为一类称为齿状体的结构。发育生物学家已经表明，鲨鱼的鳞片和牙齿从胚胎组织以相同的方式发育，最近的分子证据证实，它们受同一组基因控制。

最早确定的牙齿出现在稍晚的时候，与有颌鱼类一起出现。这些大多是简单的尖状结构，可以用来捕捉和固定猎物，以及刮、撬、抓和咬各种各样的生物。例如，一些棘鱼类——与古代鲨鱼相关的已灭绝的棘鱼——在大约4.3亿年前的志留纪时期就拥有了牙齿。它们的牙本质冠上没有超矿化的帽，它们既不脱落也不被替换，但它们仍然是牙齿。有些鱼的嘴唇和脸颊鳞片逐渐过渡到牙齿，越靠近嘴巴就越明显，这是两者结构连续性的确凿证据。即使在它们最早的形式中，牙齿也一定给它们的携带者带来了优势，因为它们迅速遍布原始海洋，并且那些拥有牙齿的谱系最终排挤了那些没有牙齿的谱系。

一旦牙齿到位，随之而来的是许多创新，包括牙齿形状、数量和分布的变化，牙齿替换方式的变化以及牙齿附着在下颚上的方式的变化。牙釉质最早出现在大约4.15亿年前，接近志留纪和泥盆纪的边界，在一个叫做肉鳍鱼类的群体中。这个群体包括现代四足动物（两栖动物、爬行动物和哺乳动物）和肉鳍鱼，肉鳍鱼最著名的是它们成对的前鳍和后鳍，其骨骼和肌肉类似于四肢中的骨骼和肌肉。其他鱼类既缺乏牙釉质，也缺乏编码制造牙釉质所需蛋白质的一系列基因。牙釉质最初仅限于鳞片，这表明与牙齿一样，牙釉质起源于皮肤结构，然后飞跃到口腔。

牙齿在哺乳动物的起源和早期进化中发挥了重要作用，因为它们在支持温血性（内温性）方面发挥了作用。产生自身体热有很多优点，例如能够生活在较凉爽的气候和温度变化更大的地方；允许维持更高的旅行速度以维持更大的领地；以及为觅食、躲避捕食者和亲代抚育提供耐力。但是内温性是有代价的：哺乳动物在休息时消耗的能量是同等大小的爬行动物的10倍。为熔炉提供燃料的选择压力落在了我们的牙齿上。其他脊椎动物用牙齿捕捉、控制和杀死猎物。哺乳动物的牙齿必须从每一口食物中榨取更多的热量。为了做到这一点，它们必须咀嚼。

哺乳动物的牙齿引导咀嚼运动；引导和分散咀嚼力；以及定位、保持、咬碎和分割食物。为了使牙齿在咀嚼过程中正常发挥作用，它们的相对表面必须在毫米级精度内对齐。对如此精度的需求解释了为什么与鱼类和爬行动物不同，大多数哺乳动物不会在旧牙齿磨损或断裂时终生反复长出新牙齿。古代哺乳动物失去了促进咀嚼的能力。

牙釉质柱是同一适应性方案的一部分。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。牙釉质柱是一次进化还是多次独立进化是一个有争议的问题，但在任何情况下，基本的哺乳动物牙齿结构——由棱柱形牙釉质覆盖的牙本质冠——在三叠纪时期就已就位。包括我们的臼齿在内的无数种哺乳动物臼齿形式，都是对同一总体计划的微调。

微生物失衡

我们牙齿的进化史不仅解释了为什么它们如此坚固，也解释了为什么它们今天会不足。基本思想是，结构进化是为了在特定的环境条件下运行，对于我们的牙齿而言，这些条件包括口腔中的化学物质和细菌，以及应力和磨损。由此可见，口腔环境的变化可能会使我们的牙齿措手不及。我们的现代饮食就是这种情况，它与地球生命史上的任何饮食都不同。由此造成的我们的生物学与我们的行为之间的不匹配解释了困扰我们的龋齿（蛀牙）、阻生智齿和其他正畸问题。

龋齿是世界上最常见和最普遍的慢性病。它困扰着超过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体动物的牙齿，几乎没有看到任何蛀牙。

为了理解为什么现代人类的牙齿如此容易腐烂，我们需要考虑自然的口腔环境。健康的口腔充满了生命，居住着数十亿微生物，仅细菌就代表了多达700个不同的物种。大多数是有益的。它们抵抗疾病，帮助消化并调节各种身体功能。其他细菌对牙齿有害，例如变形链球菌和乳杆菌。它们用代谢过程中产生的乳酸攻击牙釉质。但是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共生表亲——缓症链球菌和血链球菌组的控制。这些细菌产生碱（提高pH值的化学物质），以及抑制有害物种生长的抗菌蛋白。唾液缓冲牙齿免受酸性侵蚀，并在钙和磷酸盐中浸泡牙齿以使其表面再矿化。脱矿化和再矿化之间的平衡已经保持了数亿年，并且在整个哺乳动物纲的口腔微生物组中都发现了有益和有害细菌。正如牛津大学的凯文·福斯特及其同事所言，我们进化是为了维持一个稳定的微生物群落，以“将生态系统控制在一定范围内”。

当控制范围被打破时，就会发生龋齿。富含碳水化合物的饮食为产酸细菌提供食物，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，并且它们开始淹没有益细菌，进一步降低pH值。这一连串事件导致临床研究人员称之为菌群失调，即平衡发生变化，其中少数有害物种胜过通常主导口腔微生物组的物种。唾液无法足够快地再矿化牙釉质以跟上进度，损失与修复之间的平衡被打破。蔗糖——普通糖——尤其成问题。有害细菌利用它形成一层厚厚的粘性牙菌斑，将它们束缚在牙齿上，并储存能量，在两餐之间为它们提供食物，这意味着牙齿遭受更长时间的酸性侵蚀。

生物考古学家长期以来一直认为，龋齿与过去1万年左右的新石器时代从觅食到农业的转变之间存在联系，因为产酸细菌消耗可发酵的碳水化合物，而小麦、大米和玉米中富含可发酵的碳水化合物。例如，俄亥俄州立大学克拉克·拉尔森领导的对牙齿遗骸的研究发现，随着史前佐治亚海岸玉米农业的采用和传播，龋齿的发生率增加了六倍以上。然而，龋齿与农业之间的联系并非那么简单。龋齿率在早期农民中随着时间和空间的变化而变化，一些以富含蜂蜜的饮食为主的狩猎采集者的牙齿也布满蛀牙。

龋齿率的最大飞跃发生在工业革命时期，这导致蔗糖和高度加工食品的广泛普及。近年来，研究人员对古代牙齿上的牙垢中发现的细菌进行了基因研究，记录了随之而来的微生物群落的转变。加工食品也更软更干净，为龋齿创造了完美的风暴：减少咀嚼以切开有机薄膜，减少膳食研磨剂以磨掉牙齿中牙菌斑细菌藏身的角落和缝隙。

不幸的是，由于我们的牙冠形成方式，我们无法像再生皮肤和骨骼一样再生牙釉质。这种限制早在牙釉质在肉鳍鱼类中首次进化时就已确立。造釉细胞是制造牙釉质的细胞，它们从牙冠内部向最终表面向外迁移，留下牙釉质的痕迹——牙釉质柱。我们无法制造更多的牙釉质，因为制造牙釉质的细胞在牙冠完成后会脱落并丢失。牙本质是另一回事。产生牙本质的成牙本质细胞与造釉细胞背靠背开始，并向内迁移，最终排列在牙髓腔内。它们在一生的时间里不断产生牙本质，并且可以修复或替换磨损或受伤的组织。更严重的损伤需要形成牙本质的新鲜细胞来封闭牙髓腔并保护牙齿。

然而，随着蛀牙的生长，龋齿会压倒这些自然防御机制，感染牙髓，并最终杀死牙齿。从进化的角度来看，几个世纪只是一瞬间——远远不足以让我们的牙齿适应餐桌糖和加工食品的引入给我们的口腔环境带来的变化。

缺乏应力

如今，正畸疾病也达到了流行病的程度。十分之九的人的牙齿至少有轻微的错位或咬合不正，四分之三的人的智齿没有足够的空间正常萌出。简而言之，我们的牙齿与我们的下颚不匹配。与龋齿一样，最终的原因是我们的祖先的牙齿从未遇到过的口腔环境造成的不平衡。

著名的澳大利亚正畸医生“Tick” Begg早在20世纪20年代就认识到了这种不匹配。他发现，生活在传统生活方式中的原住民的牙齿磨损程度高于他的欧洲血统牙科患者。他们也拥有完美的牙弓——他们的前牙是直的，他们的智齿完全萌出并发挥作用。Begg认为，大自然期望相邻牙齿之间的磨损能够减少口腔中的空间需求。他认为下颚长度是由进化“预先编程”来考虑这一点的。因此，我们的牙齿进化是为了适应磨蚀性环境中的坚硬食物，而我们柔软、干净的饮食已经打破了牙齿尺寸和下颚长度之间的平衡。因此，口腔外科医生的办公室里出现了装配线。无论是通过磨损还是拔除，牙齿质量都必须减少。

考虑到这种逻辑，Begg开发了长期以来矫正牙齿的黄金标准。它包括通过拔除前磨牙来创造空间，将金属丝连接到剩余牙齿上的托槽上，并在闭合间隙的同时将牙弓拉直。其他正畸医生在Begg之前就使用金属丝来矫正歪牙，但他们没有拔除前磨牙，因此矫正后的牙齿通常会恢复到歪斜状态。许多牙医最初对拔除健康牙齿以矫正牙弓的想法犹豫不决，但Begg的技术奏效了，效果持续一生，并且有进化论的支持。Begg甚至建议儿童咀嚼含有磨蚀性碳化硅粉尘的口香糖来磨损他们的牙齿，从而避免完全需要正畸治疗。

Begg对牙齿和下颚之间的不匹配是正确的，但他弄错了细节。根据南伊利诺伊大学人类学家罗布·科鲁奇尼的说法，关键的变化不是磨蚀性环境，而是应力环境，即下颚在进食过程中经历的机械应力。牙齿不是太大——而是下颚太小。

值得注意的是，查尔斯·达尔文在他1871年的著作《人类的由来》中将应力和下颚尺寸联系起来。但科鲁奇尼是最早提供确凿证据的人之一。他刚开始在南伊利诺伊州任教时，一位来自附近肯塔基州农村的学生告诉他，在他的社区里，老年人吃的是难以咀嚼的食物，而他们的子女和孙子女则吃更精细的加工饮食。后续研究表明，尽管几乎没有专业的牙科护理，但老年居民的咬合比年轻人更好。科鲁奇尼用饮食一致性来解释这种差异。因此，牙齿的差异不是遗传性的，而是环境性的。科鲁奇尼继续发现了许多其他例子，包括亚利桑那州的皮马人在获得商店购买的食品之前和之后的情况，以及印度昌迪加尔附近的农村居民，他们的饮食包括粗糙的粟米和坚韧的蔬菜，而城市居民则吃软面包和土豆泥。

科鲁奇尼认为，牙齿尺寸是预先编程的，以适应在生长过程中受到与自然童年饮食一致的机械应力水平的下颚。随后，当下颚在发育过程中没有获得所需的刺激时，牙齿就会在前部变得拥挤，在后部变得阻生。他通过对猴子的实验工作证实了这一假设，表明喂食较软饮食的猴子下颚较小，牙齿阻生。

达尔文牙科

进化的视角揭示了我们的牙齿疾病是生态转变的后果。这种新的视角开始帮助研究人员和临床医生解决牙齿疾病的根本原因。密封剂可以保护我们的牙冠，氟化物可以增强和再矿化牙釉质；然而，这些措施都无助于改变口腔中导致腐烂的条件。防腐漱口水会杀死引起蛀牙的细菌，但它们也会杀死进化来控制有害细菌的有益菌株。受微生物组疗法最新创新的启发，研究人员开始专注于重塑牙菌斑群落。口腔益生菌、靶向抗菌剂和微生物群移植即将问世。

当我们考虑治疗正畸疾病时，我们也可以牢记自然的口腔环境。牙医和正畸医生正在意识到，高度加工的软化食品会改变面部和下颚的机械应力。咀嚼应力刺激儿童下颚和面部中部的正常生长。长期食用此类食物会导致身体这些部位长期发育不足。这种情况的影响不仅限于牙齿拥挤：一些专家认为，由此导致的气道收缩是导致睡眠呼吸暂停的原因，在这种情况下，呼吸会反复停止和开始。

没有人希望幼儿在进食时被噎住，但也许对于断奶期的幼儿来说，有比土豆泥更好的选择。在过去的几年里，一个全新的产业发展起来，专注于扩大下颚以打开气道并使牙齿像自然最初设计的那样适合。有效的治疗方法包括从可移动的腭扩张器和其他生长引导器具到手术。但也许如果我们从小就给孩子们喂食需要用力咀嚼的食物，就像我们的古代祖先那样，我们就可以让他们中的许多人免于进行此类干预。