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咀嚼背后的科学

咀嚼背后的科学

邵峰

2019年,科学家从一块发现于丹麦的“口香糖”中提取出了生活在5700年前的古代人类DNA。这块“口香糖”其实是桦树胶。在当时的斯堪的纳维亚地区,人们会将收集到的桦树胶进行熬煮,得到沥青状物质。这些黏稠的树胶主要被用作黏合剂,但有些也被用于咀嚼。桦树胶无法被消化,不能提供营养,那么古人为什么还要嚼它?原因可能是桦树胶中有一些抗细菌、真菌的成分,能降低口腔感染风险。也有可能是古人为了通过嚼桦树胶缓解压力,这与今天我们嚼口香糖的理由差不多。

动物进化出下颌并用牙齿咀嚼是进化史上的一次重大事件,因为这标志着动物进食能力上了一个新台阶。

5700年前的桦树胶“口香糖”。

最早的牙齿

咀嚼离不开牙齿。科学家曾经认为牙齿最早出现于牙形动物身上。牙形动物是已经灭绝的动物,最早出现于5.8亿年前,长得和今天的鳗鱼很像,没有上下颌。牙形刺是牙形动物头部的某个结构形成的,其作用类似于牙齿,起捕猎、切割、研磨、过滤等作用。

19世纪中叶,古生物学家首次发现了牙形刺化石。起初,牙形刺被误认为是古代鱼类的牙齿。2013年,科学家发现早期牙形动物的牙形刺化石并没有牙齿特有的牙釉质成分,这表明牙形刺并不是真正的牙齿。

距今最早的牙齿化石来自一件3.8亿年前的盾皮鱼化石标本。盾皮鱼是已经灭绝的早期鱼类,全身覆盖硬骨,是最早进化出下颌的脊椎动物。2012年,科学家在用“高分辨率X射线成像”设备检查一件盾皮鱼化石的口腔上部时,发现了一些复杂的小型牙齿。这些牙齿以螺旋形式排列在盾皮鱼的口腔上部的骨板上,同时牙齿的咬合面中央还有许多针状突起——这是牙本质增生的结果,突起名为牙尖。科学家猜测盾皮鱼牙齿的这种结构主要是为了碾碎猎物坚硬的外壳。更关键的是,这件盾皮鱼化石的牙齿表面覆盖有坚硬的牙釉质样材料,而且不止一层,因此,这种结构很有可能就是真正意义上的牙齿。

牙形动物的牙形刺。

长得像鳗鱼的牙形动物。

在盾皮鱼口腔上部的骨板上,有一些很可能是牙齿的针状突起。

牙齿可能是鱼鳞变的

牙齿的形成和鱼鳞有不解之缘。包括鲨鱼在内的软骨鱼体表覆盖着细密的齿状鳞片,名为盾鳞,也叫肤齿。在显微镜下可以发现,这些鳞片的结构和牙齿结构十分类似——鳞片有类似牙本质的内层,还有类似牙釉质的硬鳞质外层。其实,不仅仅是鲨鱼,许多鱼类的鳞片结构都与牙齿的很相似。

科学家很早就发现牙齿和鱼鳞存在进化关联,问题是谁先出现呢?过去,一些科学家认为牙齿是鱼鳞演化来的,而另一些则认为鱼鳞是牙齿演化来的。那么谁对谁错? 和鲨鱼同属软骨鱼的猬白鳐的皮肤表面也有盾鳞。2017年,科学家发现猬白鳐的盾鳞来自于形成牙齿的神经嵴细胞。这个发现有力支持了一种关于牙齿形成的理论,即在鱼类刚刚进化出颌骨后,负责形成鳞片的神经嵴细胞转移到了鱼类的颌骨中,并形成原始的牙齿。这样看来,我们的牙齿最初很有可能是从鱼鳞演化而来的。

鯊鱼皮肤上的盾鳞和牙齿有极为相似的构成。

像石臼一样咀嚼

把苹果嚼碎对健康人来说很简单,这是因为我们有结实的下颌骨。不过,对早期哺乳动物来说,咀嚼是有一定难度的,因为它们的下颌骨并不像我们一样是整块的,而是由左右两个可以独立活动的下颌骨组成。

科学家对早期哺乳动物的咀嚼模式一直很感兴趣。虽然我们没有办法乘坐时光机器回到侏罗纪去看看早期哺乳动物如何咀嚼美味的大甲虫,但古生物学家依然可以通过研究同一演化支的动物的行为,来还原已灭绝动物的咀嚼模式。如果研究中这些动物存在“同源性状”,即它们的某个遗传性状能追溯到某个共同祖先,那么就可能还原出有说服力的结果。

2019年,科学家将目光瞄准了短尾负鼠,它们和早期真兽下纲动物(人类、牛、蝙蝠、刺猬、大象、狼等哺乳动物都属于真兽下纲)共享两个“同源性状”:两者都有独立的左右下颌骨,并且都有结构类似的臼齿。

短尾负鼠的下颌骨和某些早期哺乳动物一样都是分开的。

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