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Science:牙齿化石中含有大量的古生代微生物

Science:牙齿化石中含有大量的古生代微生物

剔牙。一位寻找古生代 DNA 的研究人员从一颗在秘鲁发现的、 1000 年以前的牙齿上将牙结石剔除下来,以便进行检测。

在牙刷尚未出现之前,磷酸钙、食物残渣和残渣内的微生物会在牙齿的外周形成一层厚厚的、肉眼可见的“壳”,经常会造成牙龈损伤。牙结石(或称为牙垢)至今仍困扰着大多数人,而牙医则使用金属剔牙工具和研磨剂来清除牙结石。诺曼市俄克拉荷马大学(University of Oklahoma)的人类学家Christina Warinner 说:“它是一种弯弯曲曲的(围绕在牙齿外周的)焦糖色水泥状物质。”“它令人感到恶心。”

但是对于那些研究古生代 DNA 的科学家而言,牙结石也是一大宝藏。近期在伦敦召开的一次大会上,研究者们指出,留存在古生代牙结石中的微生物 DNA 与人类粪化石(变成化石的或被保存下来的排泄物)中的微生物 DNA 一样,都记载着数百或数千年前死亡的个体体内细菌群落的信息。澳大利亚阿德莱德大学(University of Adelaide)的微生物学家 Laura Weyrich 在今年年初合作发表了一篇有关牙齿化石中牙结石 DNA 的论文(Science, 22 February, p. 896);他认为它(即牙结石)是目前尚未开发的、可用于古生代 DNA 研究的最大资源。他们只是了解了一些皮毛而已。

微生物群落是指存在于人类口腔、肠道和其它组织中的、数量庞大的细菌;人们逐渐认识到微生物群落是人类健康和疾病的重要因素之一。研究者们希望能够了解人类几千年的文明是如何改变这种肉眼不可见的生态系统的——不论这种改变是有益的还是有害的。而古生代样本则向我们提供了一扇探索历史的窗户。诺曼市俄克拉荷马大学的分子人类学家 Cecil Lewis 提议道:“通过更好地了解自然情况下的(微生物群落)状态,我们就能够更全面地了解我们现今所对抗的文明病。”

研究者们已经获得了一系列引人注目的研究成果了。 Warinner 在大会上指出,她对古人类的牙结石进行研究后发现,那些与抗菌性四环素的耐药性相关的、广泛存在于现代人类牙结石样本中的基因在远古时代却是十分罕见的。 Lewis 在今年年初的报道中指出,在墨西哥某处所发现的、 1400 年以前的古生代粪化石内存在着螺旋菌的 DNA ,这种细菌在大多数现代人类的肠道中难以找到,但是最近却在非洲与南美洲的偏远农村人群中发现了这种细菌的存在。 Lewis 说:“我们在两个相隔甚远的大洲中发现了这种螺旋菌,唯一的共性是它们都存在于农村人群中——其中一个人群来自于 1400 年以前。”“我们现在就可以提出一个问题——‘这些细菌为什么会在哪儿呢?’”

保存完好的人类粪化石非常罕见,并且容易被污染。而另一方面,牙结石几乎普遍存在于古代人类的牙齿上。研究者们希望能够通过对牙结石的薄层进行剖析,以观察微生物群落在人的一生之中是如何变化的,但是牙结石中含有各种各样的基因,研究者们可能会不知所措。 Warinner 说:“在一些样本中,古生代牙结石中 DNA 的浓度与新鲜人类肝脏中 DNA 浓度一样高。”为了处理如此多的生物材料,她与 Lewis 正联手在俄克拉荷马州创建一个特殊的、“高生物量”的古生代 DNA 实验室。

所有古生代 DNA 都会面临着被污染的问题,让人十分担忧。哥本哈根大学(University of Copenhagen)资深的古生代 DNA 研究员 Eske Willerslev 指出,研究古生代牙结石是“一种很好的方式,但并非完美无缺。”

为了将环境中的微生物与牙结石中的微生物区分开来, Weyrich 在紫外线下对化石样本进行了15分钟的“煎炸”,随后将化石样本放在漂白粉中浸泡了5分钟,以杀死化石外周的所有微生物。随后研究者们在无菌条件下将化石样本磨成粉末,并进行测序。

研究者们也可以将古生代样本中所发现的微生物 DNA 与已知微生物群落(例如肠道菌群)的 DNA 序列库进行比对。 Lewis 说:“如果你将古生代样本与土壤样本和水样本进行比较,并且古生代样本的情况与肠道中的情况相似,那么这就是一个很好的征兆。”

Warinner 将牙齿化石中牙本质内部(人类死亡后牙本质内部会暴露在环境之中)的微生物和周围几毫米远处的、保存完好的牙结石壳上的微生物进行了比较;她在伦敦的演讲中也描述了比较的结果。 Warinner 说:“它们截然不同。”牙结石“样本在很大程度上类似于人类的口腔微生物样本……而我们的牙本质样本则类似于地下水、土壤与落叶层之类的物质。”

直到现在,考古学家与博物馆管理员们通常会将牙结石移除,以便于更好地研究人体骨架中的牙齿部分;他们未对牙结石进行分析就将其丢弃。德国莱比锡市马克斯普朗克考古进化人类学研究所(Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology)的 Amanda Henry 说:“它(即牙结石)总是妨碍我们的工作。”她希望考古学家与博物馆管理员们现在就能够收起他们的剔牙工具。“我们完全没有意识到它(即牙结石)所包含的信息量如此庞大。”

原文检索:

Andrew Curry. Fossilized Teeth Offer Mouthful on Ancient Microbiome. Science 13 December 2013; DOI: 10.1126/science.342.6164.1303

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