Forschungsprojekte in der Paläontologie:

Zahnschmelz, ein aufschlussreiches Baumaterial

Von Wighart v. Koenigswald, Bonn.

Wenn man beim Zahnarzt leidet, kann man sich kaum verstellen, dass im Zahnschmelz eine der großartigen Erfolgsstories in der Entwicklungsgeschichte der Säugetiere verborgen ist. Denn die Funktion der Zähne ist bei den meisten Wirbeltieren entscheidend für die Nahrungs- und Energieaufnahme und die Zahn-Qualität wird insbesondere von den physikalischen Eigenschaften des Schmelzes bestimmt. Es ist bemerkenswert, dass sich die verschiedenen Säugetiergruppen in der Mikrostruktur ihres Zahnschmelzes unterscheiden und eine lange Evolution erkennen lassen. Den Paläontologen begeistert dieses Baumaterial aus Hydroxyapatit, weil seine Primärstruktur im Fossilbericht meist gut erhalten ist und sich eindeutig von diagenetischen Veränderungen abgrenzen lässt. Viele wichtige Informationen zur Phylogenie und zur Biomechanik lassen sich in der Mikrostruktur des Schmelzes ablesen.

Bei den Reptilien kann man beobachten, dass sich die Kristallite (Aggregationen von kleinsten Apatitkristallen) zu größeren Modulen zusammenschließen. Es gibt eine ganze Reihe unterschiedlicher Module, die die einzelnen Gruppen charakterisieren. Bei den Säugetieren werden die Module traditionell als Prismen bezeichnet, die trotz ihres geringen Durchmessers von 3-6 μm nichts mit kristallographischen Prismen zu tun haben. Zwischen den Prismen gibt es weitere Apatitkristallite, die als Kittsubstanz oder besser als Interprismatische Matrix bezeichnet werden. Damit sind die Bauelemente bestimmt, aber in ihrer räumlichen Anordnung liegt die große Chance zur Differenzierung. Im primitiven Zustand liegen beide Bauelemente parallel zueinander, sind aber im Zahn so ausgerichtet, dass der Abrieb minimiert wird. Die Haltbarkeit der Zähne ist eine Voraussetzung der Erfolgsgeschichte der Säugetiere, aber Zähne sind nicht nur durch Abrieb gefährdet. Mit zunehmendem Kaudruck steigen auch die Zugspannungen, und damit droht der Schmelz zu zerreißen. In der Natur werden gerne Sperrholzstrukturen dort eingesetzt, wo es um Bruchsicherung geht.

Der Fossilbereicht zeigt, dass die ursprüngliche Säugetiergruppe der Multituberculata es schon im ausgehenden Mesozoikum versteht, eine Sperrholzstruktur zu erfinden, indem die Kristallite der Interprismatischen Matrix im Winkel zu den Prismen angeordnet wurden. Der gleichen Strategie folgen die Beuteltiere mit kleineren Modifizierungen. Das ist auch für Großformen wie Diprotodon oder die Riesenkängurus ausreichend.

Die plazentalen Säugetiere finden diesen erfolgreichen Weg offensichtlich nicht auf Anhieb. Sobald die Körpergröße bei ihnen wenige Kilogramm überschreitet, entwickeln sie eine eigenständige Sperrholzstruktur.

Die Prismen werden in Lagen angeordnet und die Prismen benachbarter Lagen überkreuzen sich in einem Winkel von annähernd 90°. Diese sogenannten Hunter-Schreger-Bänder finden sich bei fast allen größeren Säugetieren und lassen sich wegen der lichtoptischen Eigenschaften der Prismen schon unter dem Binokular erkennen. Obwohl die Nagetiere sehr klein sind, haben sie die gleiche Struktur für ihre Schneidezähne entwickelt. Damit sind aber die Möglichkeiten noch keineswegs ausgeschöpft, denn das Bauelement der Interprismatischen Matrix kann noch genutzt werden. Bei einigen Gruppen, etwa den Elefanten und höheren Primaten wird sie in die Prismen einbezogen, wodurch diese dann einen komplizierten Querschnitt erhalten. Welchen mechanischen Nutzen das hat, ist nicht direkt erkennbar. Die andere Möglichkeit ist, die Kristallite der Interprismatischen Matrix rechtwinklig zu den beiden Richtungen der Prismen in den jeweiligen Lagen der Hunter-Schreger-Bänder anzuordnen. Damit entsteht eine durch Fasern in allen drei Raumrichtungen verfestigte Struktur, die Zugspannungen aus allen Richtungen abfangen kann. Auch hier sind die Nagetiere wieder Weltmeister in der Präzision dieser Struktur.

Bruchsichere Schmelztypen brauchen nicht zugleich besonders abriebsfest zu sein. Offensichtlich gibt es keinen Schmelztyp, der beide Qualitäten vereinigt. Die Natur hat einen einfachen, aber wirkungsvollen Kompromiss gefunden. Verschiedene Schmelztypen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften werden als Verbundwerkstoff kombiniert.

Derartige Strukturen müsste man nachbauen können, und dann auch noch im laufenden Betrieb, wie etwa in den immer wachsenden Schneidezähnen der Nagetiere. Kaum vorstellbar, was das für Auswirkungen z.B. auf den vielseitigen Bohrbetrieb haben würde.

Die Evolution dieser Struktur braucht nicht theoretisch erschlossen zu werden, sondern kann unter strenger stratigraphischer Kontrolle am Fossilmaterial in einem Raum-Zeit-Schema nachvollzogen werden. Dabei gibt es durchaus Überraschungen. Besondere Strukturen, die charakteristisch für bestimmte Gruppen erscheinen, sind u.U. keineswegs nur einmal entstanden, sondern traten in den eng verwandten Linien zu unterschiedlichen Zeiten und damit parallel auf. Solche Erkenntnisse sind wichtige Beiträge zu den Mechanismen der Evolution.

Voraussetzung für das sich jetzt langsam abzeichnende Gesamtbild sind breitangelegte Untersuchungen, die einen Überblick über die vorhandene Vielfalt der Strukturen ermöglichen. Diese Übersichtsstudien wurden in den vergangenen beiden Jahrzehnten von einer Gruppe von Wirbeltierpaläontologen, meist aus Deutschland, durchgeführt (etwa Reptilien: M. Sander; Beuteltiere: F. Goin, W.v.Koenigswald; Raubtiere: C. Stefen; Huftiere: H.-U. Pfretzschner; Nagetiere: D. Kalthoff, W. v. Koenigswald, T. Martin, T. Mörs). Daneben stehen natürlich viele Detailuntersuchungen, wo besonders interessante Strukturen gefunden wurden, oder wo die systematische Stellung eines Taxons besondere Fragen aufwirft. In den Schneidezähnen einer - allerdings großen- Nagetiergruppe sind 15 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten unterschiedlicher Schmelztypen beobachtet worden. Die meisten- und kompliziertesten davon sind jedoch nur fossil belegt.

Natürlich muss man sich fragen, wozu das alles dienen soll. Sicher ist die praktische Umsetzung der Biostrukturen in technische Fabrikate vorerst nicht möglich, aber es erweitert den Blick auf andere Möglichkeiten. Mit dem Zahnschmelz, dessen Struktur rein genetisch bestimmt ist, kommt man den Spielregeln der Evolution auf die Sprünge und kann damit - wenn auch nur in einem beschränkten Ausschnitt - Biodiversität verstehen lernen.

Adresse des Autor: Prof. Dr. Wighart v. Koenigswald, Institut für Paläontologie, Nussallee 8. D-53115 Bonn,
email: koenigswald@uni-bonn.de