人類的口腔里藏著一部進(jìn)化史

唐鳳

生活在我們口腔內(nèi)成千上萬種的微生物，在人類健康中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但人們對(duì)它們的進(jìn)化知之甚少。

一個(gè)由德國馬普學(xué)會(huì)人類歷史科學(xué)研究所科學(xué)家領(lǐng)銜的多學(xué)科國際研究小組，調(diào)查了非洲原始人口腔微生物的進(jìn)化歷史，并得出關(guān)于早期人類行為以及微生物群進(jìn)化的新見解，相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。這是迄今為止對(duì)古老口腔微生物群規(guī)模最大的一項(xiàng)研究。來自13個(gè)國家41個(gè)機(jī)構(gòu)的研究人員，分析了120多個(gè)代表靈長(zhǎng)類和人類進(jìn)化關(guān)鍵點(diǎn)的個(gè)體的牙垢。

口中細(xì)菌不“簡(jiǎn)單”

口腔微生物群是人類體內(nèi)最多樣化的微生物群落之一，目前有超過600種分類。口腔包含至少6種不同的生境，但牙齒生物膜包括上和下牙齦菌斑，是最多樣化的。目前，與之相關(guān)的齲齒和牙周炎等牙科疾病對(duì)人體造成了不小的健康負(fù)擔(dān)，而且口腔微生物還與口腔外疾病有關(guān)。

科學(xué)家知道大約70%的口腔細(xì)菌的基因組成。美國福賽斯口腔研究院等機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期饑餓或“世界末日”的實(shí)驗(yàn)中，屬于腸桿菌科的3種密切相關(guān)的細(xì)菌比其他口腔細(xì)菌都活得長(zhǎng)。該菌群的許多菌種都會(huì)在醫(yī)院引起感染。

例如，一些克雷伯氏菌比良性“鄰居”在唾液混合物中存活時(shí)間更長(zhǎng)，而醫(yī)院多次耐抗生素克雷伯氏菌的致命暴發(fā)都可以追溯到醫(yī)院的水槽和排水道。這些結(jié)果有助于解釋某些危險(xiǎn)細(xì)菌是如何在無菌的醫(yī)院環(huán)境中存活并感染病人的。

此外，研究人員認(rèn)為，口腔健康在預(yù)防癌癥方面可能有重要作用。瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院的研究人員在《腸道》上發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，囊性胰腺腫瘤中是否存在口腔細(xì)菌，與腫瘤嚴(yán)重程度有關(guān)。

研究人員對(duì)在胰腺中發(fā)現(xiàn)口腔細(xì)菌感到驚訝，該結(jié)果有助于重新評(píng)價(jià)細(xì)菌在胰腺囊腫發(fā)展中的作用，有望提高胰腺癌的診斷和治療水平。

除了健康影響，這些微生物還能告訴人們古老的歷史故事。

在人的一生中，牙齒生物膜會(huì)自然地反復(fù)鈣化，形成牙石，這是口腔微生物群的一種長(zhǎng)期、穩(wěn)定的記錄。之前，考古學(xué)已經(jīng)證明牙石可以保存5萬年前的真實(shí)口腔細(xì)菌元基因組。

最古老的口腔微生物

此次，研究人員分析了過去10萬年間人類和尼安德特人的口腔生物膜，并與黑猩猩、大猩猩和吼猴進(jìn)行了比較。

但研究幾十萬年前的DNA是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作，就像考古學(xué)家要粘起破碎的罐子一樣，必須先將破碎的遠(yuǎn)古基因組碎片拼湊在一起，重建過去的完整圖景。

研究人員開發(fā)了新的工具和計(jì)算方法分析數(shù)十億個(gè)DNA片段，并確認(rèn)保存在牙齒化石中早已死亡的細(xì)菌群落。利用這些新工具，研究人員重建了塞爾維亞Pesturina洞穴的尼安德特人10萬年前的口腔微生物組，這是成功重建的最古老的口腔微生物組。

該論文主要作者、馬普學(xué)會(huì)人類歷史科學(xué)研究所的詹姆斯·費(fèi)洛斯·耶茨說：“口腔微生物組的細(xì)菌DNA保存時(shí)間至少是之前認(rèn)為的兩倍。”

在化石中，研究人員發(fā)現(xiàn)了10組細(xì)菌，它們是靈長(zhǎng)類口腔微生物組的成員，存在了4000多萬年，至今仍在人類及其靈長(zhǎng)類親屬之間共享。

雖然這些細(xì)菌數(shù)量驚人，但人們對(duì)它們的研究很少，甚至連種類名稱都沒有。福賽斯口腔研究院高級(jí)研究員弗洛伊德·德赫斯特說：“許多最重要的類群特征被描述得很差，我們?nèi)栽诹私膺@些群落的新成員，相關(guān)結(jié)果為我們提供了新的目標(biāo)菌種鑒定?！?/p>

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)人類和尼安德特人的口腔微生物群特別相似，但兩者之間仍有一些區(qū)別，而這些差異記錄了遠(yuǎn)古人類的進(jìn)化故事。

馬普學(xué)會(huì)人類歷史科學(xué)研究所博士后研究員伊琳娜·維爾斯科說：“口腔細(xì)菌為重建數(shù)萬年前人類和尼安德特人的互動(dòng)提供了一個(gè)意想不到的機(jī)會(huì)。人類和微生物進(jìn)化生物學(xué)的交集令人著迷?！?/p>

講述過去的故事

當(dāng)研究人員仔細(xì)觀察這些差異時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)生活在冰河時(shí)代的歐洲遠(yuǎn)古人類與尼安德特人共享了一些菌株。由于口腔微生物群通常是在兒童早期從照顧者那里獲得的，這種共享反映了早期人類與尼安德特人的聯(lián)姻和子女養(yǎng)育的情況。這也已經(jīng)被在人類基因組中發(fā)現(xiàn)的尼安德特人的DNA所證明。

但1.4萬年前之后，類似尼安德特人的口腔菌株就不再存在于人類身上了，而這一時(shí)期正是上一個(gè)冰河時(shí)代末期歐洲人口發(fā)生大量更替的時(shí)期。

此外，令研究人員感到驚訝的是，現(xiàn)代人和尼安德特人身上都存在的鏈球菌亞群，似乎在人類的早期進(jìn)化中特別適應(yīng)了消耗淀粉。這表明，早在農(nóng)業(yè)出現(xiàn)之前，甚至在現(xiàn)代人類進(jìn)化之前，淀粉類食物就在人類飲食中變得很重要。

淀粉類食物，如植物根、塊莖和種子，都是豐富的能量來源。之前有研究認(rèn)為，向食用淀粉類食物的轉(zhuǎn)變，可能幫助我們的祖先長(zhǎng)出了人類特有的巨大大腦。

“我們發(fā)現(xiàn)淀粉酶結(jié)合是一種明顯的同源特異性特征，這表明在人類進(jìn)化早期，微生物共同適應(yīng)了富含淀粉的飲食?！毖芯咳藛T在論文中寫道。

“重建最古老祖先的食譜是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，但口腔細(xì)菌可能為理解人類早期飲食變化提供了重要線索。”該研究的首席高級(jí)作者、哈佛大學(xué)和馬普學(xué)會(huì)人類歷史科學(xué)研究所聯(lián)合教授克里斯蒂娜·沃內(nèi)爾說，“細(xì)菌基因組的進(jìn)化速度比人類基因組快得多，是微生物組成為人類遙遠(yuǎn)和近期進(jìn)化歷史中重大事件的一個(gè)特別敏感的指標(biāo)。”

“該研究表明，將現(xiàn)代人類微生物組的進(jìn)化研究與野生靈長(zhǎng)類和古代人的宏基因組數(shù)據(jù)相結(jié)合，為了解人類口腔微生物組的祖先狀態(tài)、微生物與宿主關(guān)系，以及現(xiàn)代人和尼安德特人進(jìn)化中的重大事件提供了有價(jià)值的見解?！毖芯咳藛T寫道。

在我們牙齒上生長(zhǎng)的、每天都要小心刷掉的細(xì)菌斑，不是沒有故事的“小不點(diǎn)”。