47 顆牙齒「年輪」,懷孕、患病、坐牢史的忠實檔案!或將重塑人類生活史演化研究

牙齒就像年輪,是人類永久、忠實的生物檔案。

當地時間 2020 年 3 月 25 日,自然出版集團旗下刊物《科學報告》(Scientific Reports)在線發表了紐約大學靈長類動物學系、人類學系、牙醫學院分子病理學系和生物材料系的一組研究人員題為 Parturitions, menopause and other physiological stressors are recorded in dental cementum microstructure(牙骨質微結構反映的分娩、絕經等生理應激源)的論文。

雷鋒網瞭解到,研究人員通過檢測近 50 顆人類牙齒,發現疾病史和年齡等信息會對牙根上的“牙骨質帶”產生永久性改變,這說明牙齒能反映人一生的不同生理階段,或能用於研究人類生活史的演化。

47 颗牙齿「年轮」,怀孕、患病、坐牢史的忠实档案!或将重塑人类生活史演化研究

牙齒:人類生活史演變的研究工具

人類生活史正在經歷不尋常的演變,不同於原始人,現代人的一些生活史特徵發生了改變,甚至出現了新的特徵。

對此,研究人員已經提出了許多理論進行解釋。然而,由於古人類化石記錄較為零碎,可檢測、推斷現代生活史事件時間的方法也較為缺乏,大多數理論都難以檢驗。

不過,早在幾十年前,科學家就在人體內找到了一個最合適的研究工具——牙齒

牙齒由增量組織(incremental tissues)形成,包括骨、釉質、牙本質和牙骨質在內的礦化組織保留了與重複生理週期相關的增量結構,這其實就有點像樹木的年輪了。

在生態學中,有一門學科叫做「樹木年代學」,即一門以樹木年輪生長特性為依據,研究環境對年輪生長影響的一門學科,在世界上很多國家已經成為極為重要的定年方法,在氣候與環境研究中也受到愈來愈廣泛的重視。

那麼,類比樹木年代學,牙齒是不是也可以用來探究人類生活史呢?

答案是“可以”——影響正常基質形成的生理應激源使得牙齒組織中出現異常生長線,而這些“異常”恰恰與諸如出生、斷奶、營養不良、疾病、氣候和生活方式改變等事件相關,因此也是研究人員的重要線索。

不難發現,人類的牙齒承載著許多重要信息(比如牙齒髮育的模式、速度及某些人類生活史數據),牙齒不僅關乎口腔醫學,也是闡述人類起源和演化的重要研究手段,而且目前關於人類生活史演變的大部分知識也都是來自科學家對牙齒遺骸的研究。

雷鋒網瞭解到,在研究過程中,研究人員用到了組織學方法

所謂組織學,是指研究正常人體微細結構及其相關功能的學科,屬於醫學科學中解剖學的一個分支。通俗來講,組織學就是藉助顯微鏡觀察人體結構。

隨著組織學技術的進步,2 個具體研究分支——牙齒年代學和骨骼年代學(分別研究牙齒和骨骼中的生長層)也應運而生、迅速發展。

從牙釉質、牙本質到牙骨質

論文指出,在利用牙齒進行的人類學研究中,最為重要的兩個研究切入點便是牙釉質和牙本質:

  • 牙釉質:也叫琺琅質,是人體骨質中最堅硬的部分,包繞在牙冠表面,呈乳白色;

  • 牙本質:構成牙齒的主體的硬組織,顏色淡黃,大約含 30% 的有機物和水,70% 無機物,硬度低於牙釉質。

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但問題在於,上述二者的分泌在牙齒形成時便停止。因此,雖然它們對於推斷斷奶年齡和妊娠期是有用的,但並不能用於研究之後的生活史事件。

因此,目前我們要想知道人類斷奶後的生活史事件的具體發生時間,都是基於已被證明影響生活史或與其相關的信息(例如體重和腦的大小)。

也就是說,沒有直接可行的方法能從礦化組織推斷生殖事件(RE)年齡及生殖後壽命(PRLS)的長度

基於這一考慮,紐約大學研究團隊轉向了對牙骨質的分析——牙骨質在正常情況下只是逐漸增加,不發生吸收現象,添加的方式也是成層沉積,所以為層板樣結構。

下圖從左至右為整個牙齒的截面,圖 A 紅框部分的放大版本,圖 B 紅框部分的放大版本。在圖 C 中,左邊是牙本質,被牙骨質覆蓋,圖 C 可見三個不同的牙骨質帶。

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對 47 顆牙齒進行組織形態學分析

研究團隊作出假設:

  1. 牙骨質微結構記錄了生理應激事件:生物體礦物質體內平衡的變化決定了牙骨質微觀結構的變化,當用偏振光顯微鏡研究時,可以通過材料雙折射的變化來檢測牙骨質微觀結構的變化;

  2. 牙齒攜帶了與應激源相關的相同組織形態信號:由於脫細胞外纖維牙骨質(覆蓋釉質的牙骨質)的分泌速率在整個生命期間大致恆定,因此通過建立總牙骨質厚度與連續帶厚度間的比例關係,對組織形成期間發生的顯著生理事件計時是可行的。

具體而言,研究人員對 15 個個體的 47 顆牙齒進行了組織形態學分析,旨在通過對牙骨質的分析鑑定人類牙骨質中的分娩、生育力停止和其他生理應激的標記物,並推斷壓力事件(如 RE、絕經和 PRLS)的個體年齡。

與此同時,研究團隊提到了一個概念「應激源」(stressor),即向機體提出適應要求,並可引起應對反應、穩態失衡的客觀變化的環境事件或情境,簡單來講就是刺激物。

經檢驗,研究人員發現,所有經歷過分娩和絕經的女性的牙齒都留下了相關事件的“痕跡”。此外,包括患系統疾病、有過監禁經歷在內的其他壓力事件也是可以通過牙齒檢測到的。

同時,生理應激源(如妊娠、絕經、坐牢、疾病、搬家等)的已知年齡和推斷年齡之間有很強的正相關(R 平方 = 0.92;p

47 颗牙齿「年轮」,怀孕、患病、坐牢史的忠实档案!或将重塑人类生活史演化研究

下圖是通過各自的 4 顆牙齒對 2 個個體在經歷相關事件時的預測年齡。左右圖中的 2 條黑色虛線分別代表 M15-02 的兩次分娩和 M38-09 的搬家和坐牢經歷。

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不難看出,同一個體的不同牙齒反映出的經歷相關事件的年齡趨於一致,這也就是說,通過牙齒來判定個體的壓力事件發生時間,是一種可靠的衡量方式。正如論文第一作者所說:

這些“年輪”是一個人的生理壓力時間的忠實檔案,從懷孕、疾病到坐牢都留下了獨特的永久印記。

https://www.nature.com/articles/s41598-020-62177-7

雷鋒網


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