咀嚼背后的科学

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。

科学家用X射线视频成像和CT扫描记录下了短尾负鼠在进食颗粒食物和蠕虫时颅骨的活动过程,并创建出电脑三维动画。科学家发现,当短尾负鼠的口腔闭合时,它们的下颌骨并非简单地上下运动,而是下方臼齿以接近圆周运动的模式反复挤压上方臼齿。在这过程中,上方臼齿的作用就像臼,下方臼齿的作用则像杵。科学家将短尾负鼠这种独特的咀嚼模式命名为“旋转研磨行程”。

那么,早期真兽下纲动物是不是也像短尾负鼠一样旋转咀嚼呢?科学家分析了大量哺乳动物的下颌和牙齿化石,并最终发现杵臼旋转研磨行程最初出现于岐兽身上,并遗传给了负鼠等一些现代哺乳动物。岐兽属于已经灭绝的古哺乳动物,可能是今天兽亚纲动物的共同祖先。岐兽和负鼠一样,其臼齿的研磨表面积都很大,同时两个下颌骨上都長有一个骨质突出结构,上面连接着控制下颌做独立旋转运动的肌肉。在进化过程中,一些哺乳动物的两个下颌骨开始融合,牙齿也开始改变形状,因此它们逐渐放弃了旋转研磨咀嚼模式,并开始演化出其他咀嚼模式。

短尾负鼠的“旋转研磨行程”咀嚼模式就像石臼的工作模式。

横向咀嚼

包括人类在内的哺乳动物咀嚼食物的方式对生存十分重要,因为如果不是这种咀嚼方式和下颚构造,早期哺乳动物已经在大灭绝事件中灭绝了,也就不可能有今天的人类。

6500万年前,地球上发生了惨烈的“白垩纪—第三纪灭绝事件”,导致地球上包括恐龙在内90%的物种灭绝。气温下降和食物来源减少导致大量动物因缺乏食物死去。哺乳动物的祖先——合弓纲动物虽然也在这次灭绝事件中大量死去,但其中一部分活了下来,部分原因是这些合弓纲动物不是那么挑食:它们宽大的臼齿和独特的下颌骨构造让它们能够通过横向咀嚼研磨食物。这样一来,早期哺乳动物不仅能更高效地吸收食物营养,还能够进食坚硬的植物。与只能吃特定食物的动物相比,食物选择更多的动物有更大概率在极端环境中生存。

早期哺乳动物的横向咀嚼模式在今天也能看到,比如牛嚼草。在咀嚼草叶或反刍物时,牛下颌门齿和上颚的齿板(牛的上颚没有门齿,只有齿板)接触,下颚臼齿和上颚臼齿接触。除上下运动外,牛的上下颚还会进行左右横向运动。一些动物(例如鳄鱼等爬行动物)的上下颚只能进行上下运动。而横向运动的介入通过提高下颚运动的扭矩而提高了研磨作用(大变小)和剪切作用(长变短)的效率。事实上,下颚在咀嚼时的横向运动在人类、鹿、袋鼠等许多现代哺乳动物身上依然能够见到。当我们咀嚼食物时,我们的下颚也会做横向运动,只不过幅度没有牛那么夸张。

横向咀嚼帮助某些合弓纲动物在大灭绝事件中幸存下来。

横向咀嚼大大提高了哺乳动物对食物的消化吸收率。

咀嚼时大脑中发生了什么?

咀嚼看起来很简单,但咀嚼时大脑中发生的活动却很复杂。当食物被门牙切割成小块并进入口腔后,咀嚼行为正式开始。此时大脑会通过分布在上颚、齿根等区域的感觉神经元感知食物的位置、大小、软硬、黏稠度等信息,并根据这些信息调整肌肉的发力程度和收缩频率,以及下颚张开的角度。

大脑中的感觉神经元会接收这些信号并传递给中枢模式发生器(产生动物节律运动的神经网络),使该发生器产生节律性神经激发,从而控制肌肉产生有节律的运动。不仅是咀嚼,动物的呼吸和行走等节律运动都受中枢模式发生器的控制。节律运动与其他类型运动的最大区别是一旦开始就不需要意识参与。在中枢模式发生器的控制下,口腔不同的肌肉群控制咀嚼的速度、幅度和力量等变量。

感觉神经元还会将收集到的信息传递给大脑皮质。大脑皮质随时监控这些来自口腔的信息,预测食物什么时候会被咽下,并在恰当的时机关闭气道,让食物顺利进入食道。

在咀嚼时,大脑会收集口腔中关于食物的各种信息,并指挥肌肉进行相应的节律性咀嚼运动。

学习和维持咀嚼能力

让孩子学会咀嚼食物的合理方式,可以培养他们健康的饮食习惯。每一口吃少量食物并充分咀嚼至少30次是比较合理的。少量食物有更大的表面积—体积比,因此能与唾液中的酶类有更大的接触面积。并且,咀嚼的次数越多,不但食物越容易被吸收,而且也越容易产生饱腹感。

断奶后的儿童需要不断学习如何咀嚼各种质地的食物,同时适应口腔中发生的快速变化:0~4岁这个阶段的儿童口腔体积会翻倍,同时咀嚼肌变得越来越发达。给儿童吃不同质地的食物可以帮助他们学习咀嚼。

学习咀嚼的好处很多。首先,充分咀嚼食物并吞咽有助于引发饱腹感,可以避免儿童过量进食。其次,进食质地较硬的食物能促进儿童口腔骨骼和肌肉生长,为恒牙生长留出更多空间。最后,发育早期过程中接触更多质地的食物的儿童具有更好的咀嚼能力,更容易接受水果和蔬菜,这是健康饮食习惯的基石。

咀嚼各种质地的食物对儿童成长和发育有诸多好处。

随着人逐渐衰老,咀嚼能力也随之衰退:牙齿健康程度恶化、味觉敏感性下降、咀嚼肌退化、唾液分泌量减少……各种衰老导致的问题不但导致老年人的咀嚼效率下降,破坏进食乐趣,而且导致营养摄入量减少。维持咀嚼能力可减轻这些危害。咀嚼能够刺激大脑的记忆中枢——海马体,使海马体血流量增加,让人维持良好的记忆力。因此,老年人可以通过保持口腔卫生和合理佩戴假牙等方式,尽可能维持咀嚼能力。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:08。
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