生活科普:無淀粉,不“大”腦:你嘴里的進(jìn)化史
發(fā)布時(shí)間:2021-05-12
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本文轉(zhuǎn)自中國(guó)科學(xué)報(bào)

  作者|唐鳳

  古語云“病從口入”,其實(shí)除了飲食衛(wèi)生,口腔里的小小“原住民”一樣不容忽視。

  生活在我們嘴里的成千上萬種微生物,不僅與健康息息相關(guān),甚至還是人類進(jìn)化史的“記錄者”,但人們對(duì)它們的進(jìn)化知之甚少。

  5月11日,在發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》的一項(xiàng)新研究中,一個(gè)由德國(guó)馬普學(xué)會(huì)人類歷史科學(xué)研究所領(lǐng)銜的多學(xué)科國(guó)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)于早期人類行為及微生物群進(jìn)化的新見解。

  《中國(guó)科學(xué)報(bào)》從該所獲悉,這是迄今為止對(duì)古老口腔微生物群最大規(guī)模的一項(xiàng)研究。來自13個(gè)國(guó)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)個(gè)體的牙垢。

  小細(xì)菌不“簡(jiǎn)單”

  口腔微生物群是人體內(nèi)最多樣化的微生物群落之一,目前估計(jì)有600多種分類。

  而且,口腔包含至少6種不同的生境,但牙齒生物膜,包括上下牙齦菌斑,是最具多樣性并且在臨床上是最重要的。

  目前,與之相關(guān)的齲齒和牙周炎等牙科疾病造成了不小的健康負(fù)擔(dān),而口腔微生物還與口腔外的其他疾病有關(guān)。

  科學(xué)家已經(jīng)知道大約70%的口腔細(xì)菌基因組成。美國(guó)福賽斯研究所等機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn),在長(zhǎng)期饑餓實(shí)驗(yàn)中,3種腸桿菌科相關(guān)細(xì)菌比其他所有口腔細(xì)菌都活得長(zhǎng)。該菌群的許多菌種已知都會(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。

  相關(guān)論文2019年刊登于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。

  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。瑞典卡羅林斯卡學(xué)院研究人員在《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,從而有望提高胰腺癌的診斷和治療水平。

  然而除了健康影響,這些微生物還能告訴人們更古老的歷史故事。

  在人的一生中,牙齒生物膜會(huì)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)定記錄。之前,考古學(xué)研究已經(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)家要黏合破碎的罐子一樣,研究人員也必須將遠(yuǎn)古基因組碎片拼湊在一起,以便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,用于分析數(shù)十億DNA片段,并確認(rèn)了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10萬年前的尼安德特人的口腔微生物組,這是成功重建的最古老口腔微生物組。

  該論文主要作者、馬普學(xué)會(huì)人類歷史科學(xué)研究所的James Fellows Yates告訴記者:“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?!?/font>

  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,一些已存在了4000多萬年,至今仍在人類及其靈長(zhǎng)類“親屬”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,有些甚至連種名都沒有。

  福賽斯研究所高級(jí)研究員Floyd Dewhirst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)果為我們提供了進(jìn)行完整鑒定的新目標(biāo)菌種。”

  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小區(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Irina Velsko告訴記者:“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?!?/font>

  講述過去的故事

  當(dāng)研究人員仔細(xì)觀察這些差異后,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,這種共享可能反映了早期人類與尼安德特人曾聯(lián)姻并共同養(yǎng)育子女。這也已經(jīng)被在人類基因組中發(fā)現(xiàn)的尼安德特人DNA所證明。

  但在大約1.4萬年前,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)代人進(jìn)化之前,淀粉類食物在人類飲食中就很重要了。

  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,向淀粉類食物的轉(zhuǎn)變,可能幫助人類祖先長(zhǎng)出了特有的巨大大腦。

  “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,表明在人類進(jìn)化早期,微生物也適應(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?!?/font>

  該研究首席高級(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 Christina Warinner說,“細(xì)菌基因組的進(jìn)化速度比人類基因組快得多,這使我們的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)?!?/font>

  “該研究表明,將現(xiàn)代人微生物組的進(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,為了解人類祖先口腔微生物組的狀態(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。”研究人員寫道。

  在我們牙齒上生長(zhǎng)、每天都要小心刷掉的不起眼的細(xì)菌斑,并不是沒有故事的小不點(diǎn)。


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