咀嚼背后的科學

邵峰

2019年，科學家從一塊發現于丹麥的“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”其實是樺樹膠。在當時的斯堪的納維亞地區，人們會將收集到的樺樹膠進行熬煮，得到瀝青狀物質。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，不能提供營養，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菌、真菌的成分，能降低口腔感染風險。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。

動物進化出下頜并用牙齒咀嚼是進化史上的一次重大事件，因為這標志著動物進食能力上了一個新臺階。

5700年前的樺樹膠“口香糖”。

最早的牙齒

咀嚼離不開牙齒。科學家曾經認為牙齒最早出現于牙形動物身上。牙形動物是已經滅絕的動物，最早出現于5.8億年前，長得和今天的鰻魚很像，沒有上下頜。牙形刺是牙形動物頭部的某個結構形成的，其作用類似于牙齒，起捕獵、切割、研磨、過濾等作用。

19世紀中葉，古生物學家首次發現了牙形刺化石。起初，牙形刺被誤認為是古代魚類的牙齒。2013年，科學家發現早期牙形動物的牙形刺化石并沒有牙齒特有的牙釉質成分，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本。盾皮魚是已經滅絕的早期魚類，全身覆蓋硬骨，是最早進化出下頜的脊椎動物。2012年，科學家在用“高分辨率X射線成像”設備檢查一件盾皮魚化石的口腔上部時，發現了一些復雜的小型牙齒。這些牙齒以螺旋形式排列在盾皮魚的口腔上部的骨板上，同時牙齒的咬合面中央還有許多針狀突起——這是牙本質增生的結果，突起名為牙尖。科學家猜測盾皮魚牙齒的這種結構主要是為了碾碎獵物堅硬的外殼。更關鍵的是，這件盾皮魚化石的牙齒表面覆蓋有堅硬的牙釉質樣材料，而且不止一層，因此，這種結構很有可能就是真正意義上的牙齒。

牙形動物的牙形刺。

長得像鰻魚的牙形動物。

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。包括鯊魚在內的軟骨魚體表覆蓋著細密的齒狀鱗片，名為盾鱗，也叫膚齒。在顯微鏡下可以發現，這些鱗片的結構和牙齒結構十分類似——鱗片有類似牙本質的內層，還有類似牙釉質的硬鱗質外層。其實，不僅僅是鯊魚，許多魚類的鱗片結構都與牙齒的很相似。

科學家很早就發現牙齒和魚鱗存在進化關聯，問題是誰先出現呢？過去，一些科學家認為牙齒是魚鱗演化來的，而另一些則認為魚鱗是牙齒演化來的。那么誰對誰錯？ 和鯊魚同屬軟骨魚的猬白鰩的皮膚表面也有盾鱗。2017年，科學家發現猬白鰩的盾鱗來自于形成牙齒的神經嵴細胞。這個發現有力支持了一種關于牙齒形成的理論，即在魚類剛剛進化出頜骨后，負責形成鱗片的神經嵴細胞轉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成。

像石臼一樣咀嚼

把蘋果嚼碎對健康人來說很簡單，這是因為我們有結實的下頜骨。不過，對早期哺乳動物來說，咀嚼是有一定難度的，因為它們的下頜骨并不像我們一樣是整塊的，而是由左右兩個可以獨立活動的下頜骨組成。

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

2019年，科學家將目光瞄準了短尾負鼠，它們和早期真獸下綱動物（人類、牛、蝙蝠、刺猬、大象、狼等哺乳動物都屬于真獸下綱）共享兩個“同源性狀”：兩者都有獨立的左右下頜骨，并且都有結構類似的臼齒。

短尾負鼠的下頜骨和某些早期哺乳動物一樣都是分開的。