吃肉和农业兴起让牙齿釉质纳米晶体排列更杂乱

本文研究了牙齿釉质纳米结构如何响应饮食变化而演化。釉质覆盖牙冠，是人体最坚硬的组织，由50–70纳米宽、数微米长的羟基磷灰石纳米晶体构成；这些晶体平行排列成约5微米宽的釉柱，釉柱呈波浪状交错（称为“交叉排列”），能偏转裂纹、增强抗断裂能力。过去对釉质晶体取向的理解很有限。本研究利用一种名为“纳米尺度偏振辅助大角度晶体取向分析法”（PELICAN）的新技术，系统测量了来自9个灵长类物种（含人类及多种猿猴）、跨越1780万年演化史的12颗牙齿样本中釉质纳米晶体的取向偏差角（即相邻晶体c轴之间的夹角）。结果发现：偏差角大小与食物硬度显著相关——以坚硬种子为食的非洲白眉猴（Cercocebus atys）偏差角最大（平均7.2°），而主要吃软水果的黑猩猩（Pan troglodytes）最小（仅1.3°），相差近6倍。在人类演化历程中，偏差角也随三次重大饮食转变而上升：约200–150万年前开始食肉后，偏差角从粗壮南方古猿（Paranthropus boisei）的2.1°升至直立人（Homo erectus）的3.1°；约1.2万年前进入农业时代后，前农业时期现代人（4万年前）的偏差角仅2.5°，而农业时期英国古人（约1550年前和700年前）升至约4.7°；但近250年的工业革命并未带来进一步升高。这说明釉质不仅通过增厚、改变形状等宏观方式适应饮食，还在纳米尺度通过调控晶体取向来提升韧性——偏差角增大可使裂纹更易偏转、不易扩展，从而增强抗损伤能力。该发现为仿生材料设计提供了新思路：引入微小但可控的晶体取向偏差，有望提升材料的综合力学性能。