無澱粉，不“大”腦：你嘴裏的進化史
本文轉自中國科學報
作者|唐鳳
古語云“病從口入”，其實除了飲食衛生，口腔裏的小小“原住民”一樣不容忽視。
生活在我們嘴裏的成千上萬種微生物，不僅與健康息息相關，甚至還是人類進化史的“記錄者”，但人們對它們的進化知之甚少。
5月11日，在發表於美國《國家科學院院刊》的一項新研究中，一個由德國馬普學會人類歷史科學研究所領銜的多學科國際研究小組，調查了非洲原始人口腔微生物的進化歷史，並得出關於早期人類行爲及微生物羣進化的新見解。
《中國科學報》從該所獲悉，這是迄今爲止對古老口腔微生物羣最大規模的一項研究。來自13個國家41個機構的研究人員，分析了120多個代表靈長類和人類進化關鍵點個體的牙垢。
小細菌不“簡單”
口腔微生物羣是人體內最多樣化的微生物羣落之一，目前估計有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，是最具多樣性並且在臨牀上是最重要的。
目前，與之相關的齲齒和牙周炎等牙科疾病造成了不小的健康負擔，而口腔微生物還與口腔外的其他疾病有關。
科學家已經知道大約70%的口腔細菌基因組成。美國福賽斯研究所等機構的研究人員發現，在長期飢餓實驗中，3種腸桿菌科相關細菌比其他所有口腔細菌都活得長。該菌羣的許多菌種已知都會在醫院引起感染。
例如，一些克雷伯氏菌比良性“鄰居”在唾液混合物中存活時間更長，而多次耐抗生素克雷伯氏菌的致命暴發都可以追溯到醫院水槽和排水道。
這些結果有助於解釋某些危險細菌是如何在無菌的醫院環境中存活並感染病人的。
相關論文2019年刊登於美國《國家科學院院刊》。
此外，研究人員認爲，口腔健康在預防癌症方面可能有重要作用。瑞典卡羅林斯卡學院研究人員在《腸道》上發表的一項研究表明，囊性胰腺腫瘤中是否存在口腔細菌，與腫瘤嚴重程度有關。
研究人員對在胰腺中發現口腔細菌感到驚訝，該結果有助於重新評價細菌在胰腺囊腫發展中的作用，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，牙齒生物膜會反覆鈣化形成牙石，這是口腔微生物羣的一種長期、穩定記錄。之前，考古學研究已經證明，牙石可以保存5萬年前的真實口腔細菌元基因組。
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，並與黑猩猩、大猩猩和吼猴進行了比較。
但研究幾十萬年前的DNA是一項極具挑戰性的工作，就像考古學家要黏合破碎的罐子一樣，研究人員也必須將遠古基因組碎片拼湊在一起，以便重建過去的完整圖景。
研究人員開發了新的工具和計算方法，用於分析數十億DNA片段，並確認了保存在牙齒化石中早已死亡的細菌羣落。
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、馬普學會人類歷史科學研究所的James Fellows Yates告訴記者：“口腔微生物組的細菌DNA保存時間至少是之前認爲的兩倍。”
在化石中，研究人員發現了10組細菌，它們是靈長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類“親屬”間共享。
雖然這些細菌數量驚人，但人們對它們的研究很少，有些甚至連種名都沒有。
福賽斯研究所高級研究員Floyd Dewhirst說：“許多最重要的類羣特徵被描述得很差，我們仍在瞭解這些羣落的新成員，相關結果爲我們提供了進行完整鑑定的新目標菌種。”
此外，研究人員發現人類和尼安德特人的口腔微生物羣特別相似，但兩者之間仍有一些小區別，而這些差異記錄了遠古人類的進化故事。
馬普學會人類歷史科學研究所博士後研究員Irina Velsko告訴記者：“口腔細菌爲重建數萬年前人類和尼安德特人的互動提供了一個意想不到的機會。人類和微生物進化生物學的交集令人着迷。”
講述過去的故事
當研究人員仔細觀察這些差異後，他們發現，生活在冰河時代的歐洲遠古人類與尼安德特人共享一些菌株。
由於口腔微生物羣通常是在兒童早期從照顧者那裏獲得的，這種共享可能反映了早期人類與尼安德特人曾聯姻並共同養育子女。這也已經被在人類基因組中發現的尼安德特人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於人類身上了，而這正是上一個冰河時代末期，歐洲人口發生大量更替的時期。
此外，令研究人員感到驚訝的是，現代人和尼安德特人身上都存在的鏈球菌亞羣，似乎在人的早期進化中特別適應了消耗澱粉。
這表明，早在農業出現之前，甚至在現代人進化之前，澱粉類食物在人類飲食中就很重要了。
澱粉類食物，如植物根、塊莖和種子，都是豐富的能量來源。之前有研究認爲，向澱粉類食物的轉變，可能幫助人類祖先長出了特有的巨大大腦。
“我們發現澱粉酶結合是一種明顯的同源特異性特徵，表明在人類進化早期，微生物也適應了富含澱粉的飲食。”研究人員在論文中寫道。
“重建最古老祖先的食譜是一項艱鉅的挑戰，但口腔細菌可能爲理解人類早期飲食變化提供了重要線索。”
該研究首席高級作者、哈佛大學和馬普學會人類歷史科學研究所聯合教授 Christina Warinner說，“細菌基因組的進化速度比人類基因組快得多，這使我們的微生物組成爲人類遙遠和近期進化歷史中重大事件的一個特別敏感的指標。”
“該研究表明，將現代人微生物組的進化研究與野生靈長類和古代人的宏基因組數據相結合，爲了解人類祖先口腔微生物組的狀態、微生物與宿主關係，以及現代人和尼安德特人進化中的重大事件提供了有價值的見解。”研究人員寫道。
在我們牙齒上生長、每天都要小心刷掉的不起眼的細菌斑，並不是沒有故事的小不點。
相關論文信息：
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2021655118
https：//doi.org/10.1073/pnas.1820594116
http://dx.doi.org/10.1136/gutjnl-2018-317458
