Der Zahnfee hier funktioniert nicht: Die Struktur des Zahnschmelzes von Krokodilen und ihren prähistorischen Vorfahren

Sie betreten einen Flur mit gedämpftem Licht, in dem Ihnen bedürftige Seelen begegnen, gequält von Schmerz und Leiden. Doch hier wird es ihnen keine Ruhe geben, denn hinter jeder Tür wartet noch mehr Qual und Angst, die alle Zellen ihres Körpers erfüllen und alle Gedanken durchdringen. Sie nähern sich einer der Türen, hinter der höllisches Kratzen und Brummen zu hören ist, das bis in die Knochen geht. Ihren restlichen Mut zusammennehmend, strecken Sie die vom Grauen kalte Hand zur Türklinke aus, als plötzlich jemand von hinten Ihre Schulter berührt, und Sie zucken vor Überraschung zusammen und drehen sich um. "Der Arzt wird in ein paar Minuten frei. Setzen Sie sich, wir rufen Sie", teilt Ihnen die sanfte Stimme der Krankenschwester mit. Offensichtlich stellen sich einige Menschen den Besuch beim Zahnarzt genau so vor und haben ein äußerst negatives Bild von diesen "Sadisten" in weißen Kitteln. Aber heute werden wir nicht über Zahnarztangst sprechen, sondern über Krokodile. Ja, genau über diese, genauer gesagt über ihre Zähnchen, die keiner zahnärztlichen Behandlung bedürfen.

Wissenschaftler der Universität von Missouri (USA) haben eine Untersuchung der Zähne von Krokodilen durchgeführt, die interessante Eigenschaften des Schmelzes dieser perfekten Jäger gezeigt hat, die auf ihre Kiefer angewiesen sind. Was haben die Wissenschaftler herausgefunden? Wie unterscheiden sich die Zähne moderner Krokodile von ihren prähistorischen Verwandten und welchen Nutzen hat diese Forschung? Darum werden wir im Bericht der Forschungsgruppe erfahren.

Basis der Forschung

Für die meisten Wirbeltiere sind Zähne ein unverzichtbares Attribut zur Nahrungsaufnahme und -verwertung (Ameisenbären ausgenommen). Einige Raubtiere verlassen sich bei der Jagd auf Geschwindigkeit (Geparden), andere auf das Kollektiv (Löwen), und für einige spielt die Stärke ihres Bisses eine große Rolle. Das gilt auch für Krokodile, die sich ihren Opfern im Wasser nähern und sie mit ihren kräftigen Kiefern packen. Damit das Opfer nicht entkommen kann, muss der Griff stark sein, was zu hohen Kräften auf die Knochenstruktur führt. Um die negativen Auswirkungen ihrer kräftigen Bisse auszugleichen, verfügen Krokodile über einen sekundären knöchernen Gaumen, der fest mit dem Schädel verbunden ist.

Anschauliche Demonstration des Schließens und Öffnens des Kiefers eines Krokodils.

Ein wesentliches Merkmal der Krokodilkörper sind ihre kontinuierliche Erneuerung, wenn die alten abgenutzt sind. Die Zähne der Krokodile ähneln einer Matroschka, in deren Innerem neue Zähne wachsen. Etwa alle zwei Jahre wird jeder Zahn im Kiefer durch einen neuen ersetzt.

Achten Sie darauf, wie fest dieser "Zahnfang" schließt.

Die Zähne der Krokodile lassen sich in mehrere Kategorien nach Form und Funktion unterteilen. An der Vorderseite des Kiefers befinden sich vier große Reißzähne, die für den effektiven Fang von Beute nötig sind. In der Mitte befinden sich dickere Zähne, die entlang des Kiefers zunehmen. Dieser Teil dient dem Zerreißen der Beute. An der Basis weiten sich die Zähne und werden flacher, was es den Krokodilen ermöglicht, Muscheln und Schildkrötenpanzer wie Sonnenblumenkerne zu knacken.

Wie stark ist der Kiefer eines Krokodils? Natürlich hängt das von seiner Größe und Art ab. Zum Beispiel wurde 2003 festgestellt, dass ein 272 Kilogramm schwerer Mississippi-Alligator mit einer Kraft von etwa 9500 N beißt (N - Newton, 1 N = 1 kg·m/s²). Ein 1308 Kilogramm schwerer Spitzenkrokodil hingegen zeigte erstaunliche 34500 N. Zum Vergleich: Die maximale Beißkraft eines Menschen beträgt etwa 1498 N.

Die Beißkraft hängt weniger von den Zähnen als vielmehr von den Kiefermuskeln ab. Bei Krokodilen sind diese Muskeln sehr stark ausgeprägt und zahlreich. Es gibt jedoch einen deutlichen Unterschied zwischen den kräftig entwickelten Muskeln, die für das Schließen des Mauls verantwortlich sind (was die Beißkraft bestimmt), und den schwächeren Muskeln, die für das Öffnen des Mauls verantwortlich sind. Dies erklärt, warum ein geschlossenes Maul eines Krokodils mit einfachem Tape gehalten werden kann.

Zeig mal, wer dich so klein genannt hat.

Aber der Kiefer der Krokodile ist nicht nur für gnadenlose Tötungen zur Ernährung nötig, sondern auch für die Fürsorge ihrer Nachkommen. Die Krokodilweibchen transportieren oft ihre Nachkommen in ihren Kiefern (es ist schwer, einen sichereren Platz für sie zu finden, da kaum jemand daran denkt, dorthin zu greifen). Der Kiefer der Krokodile ist mit sehr empfindlichen Rezeptoren ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, die Beißkraft zu regulieren, sodass sie die Beute besser festhalten oder vorsichtig ihre Kleinen transportieren können.

Die Zähne eines Menschen wachsen leider nach dem Verlust der alten nicht nach, aber es gibt etwas Gemeinsames mit Krokodilen – den Zahnschmelz.

Bild Nr. 1: der kaudale Zahn des Mississippi-Alligators (Alligator mississippiensis).

Der Schmelz ist die äußere Hülle des Kronenbereichs eines Zahns. Dies ist der stärkste Teil des menschlichen Körpers, wie auch bei vielen anderen Wirbeltieren. Allerdings, wie wir wissen, verändern sich unsere Zähne nicht, weshalb unser Schmelz dicker sein sollte. Krokodile hingegen wechseln ihre abgenutzten Zähne gegen neue, weshalb dicker Schmelz nicht notwendig ist. Das klingt logisch, aber ist es wirklich so?

Wissenschaftler sagen, dass das Verständnis der Veränderungen im Schmelz innerhalb eines Taksons in Zukunft helfen wird, die Struktur des Schmelzes entsprechend der Biomechanik und der Ernährung des Tieres besser zu verstehen.

Krokodile, genauer gesagt Alligator mississippiensis, eignen sich hervorragend für diese Untersuchung aus mehreren Gründen. Erstens verändern sich ihre Zähne, die Beißkraft und die Schmelzstruktur je nach Alter und Größe des Individuums, was auch durch eine Veränderung der Ernährung beeinflusst wird. Zweitens haben die Zähne der Krokodile je nach Stellung im Kiefer unterschiedliche Morphologien.

Bild Nr. 2: a und b zeigen den Unterschied zwischen den Zähnen großer und kleiner Individuen, während c und e die Zähne fossiler Vorfahren der modernen Krokodile zeigen.

Die rostralen Zähne sind dünn und werden zum Fangen von Beute verwendet, während die kaudalen Zähne stumpf sind und mit höheren Beißkräften zum Zerstoßen verwendet werden. Mit anderen Worten, die Belastung auf den Zahn hängt von seiner Position im Kiefer und von der Größe des Besitzers dieses Kiefers ab.

In dieser Studie werden die Ergebnisse der Analyse und Messung der absoluten Schmelzdicke (AET) und der größenstandardisierten (relativen) Schmelzdicke (RET) der Zähne von Krokodilen präsentiert.

AET ist eine Schätzung des durchschnittlichen Abstands vom Ameloblast-Dentinübergang zur äußeren Oberfläche des Schmelzes und stellt eine lineare Messung dar. RET hingegen ist eine dimensionslose Größe, die den Vergleich der relativen Schmelzdicke in verschiedenen Maßstäben ermöglicht.

Wissenschaftler haben die AET und RET der rostralen (im "Schnauze" des Kiefers), intermediären (in der Mitte der Reihe) und kaudalen (an der Basis des Kiefers) Zähne von sieben Individuen der Art bewertet. Alligator mississippiensis.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Struktur des Schmelzes von der Ernährung des Individuums und der gesamten Art abhängt. Bei Krokodilen ist die Ernährung sehr umfangreich (was sie fangen, wird das Mittagessen sein), unterscheidet sich jedoch von der ihrer Verwandten, die längst ausgestorben sind. Um dies aus der Perspektive des Schmelzes zu überprüfen, führten Wissenschaftler eine Analyse von AET und RET fossiler Proben durch. Protosuchidae (UCMP 97638), Iharkutosuchus (MTM VER 2018.837) und Allognathosuchus (YPM-PU 16989). Protosuchidae ist ein Vertreter der Jurazeit, Iharkutosuchus der Kreidezeit, und Allognathosuchus des Eozäns.

Vor Beginn der tatsächlichen Messungen führten die Forscher ein Brainstorming durch und schlugen mehrere theoretische Hypothesen vor:

• Hypothese 1a — da AET eine lineare Maßnahme ist und von der Größe abhängt, wird angenommen, dass die Varianz in AET am besten durch die Größe des Schädels erklärt werden kann;
• Hypothese 1b — da RET nach Größe standardisiert ist, wird angenommen, dass die Varianz in RET am besten durch die Position des Zahns erklärt werden kann;
• Hypothese 2a — da AET und die Schädelänge lineare Maße der Größe sind, sollten sie mit isometrischer Neigung skaliert werden;
• Hypothese 2b — da die kaudalen Zähne die größten Bisskräfte im Zahnbereich erfahren, wird RET bei kaudalen Zähnen höher sein.

In den folgenden Tabellen sind die Daten der Proben (Krokodil-Schädel der Art Alligator mississippiensis, entnommen aus dem Rockefeller-Wildreservat in Grand Chenier, Louisiana, und fossilen Proben) aufgeführt.

Tabelle Nr. 1: Daten zur Zahnschmierung von Krokodilen (rostral, intermediär und kaudal).

Tabelle Nr. 2: Zahndaten (LSkull — Schädelgröße, hCrown — Kronenhöhe, VE — Volumen des Schmelzes, VD — Volumen des Dentin, SAEDJ — Fläche der Schmelz-Dentin-Schnittstelle, AET — absolute Schmelzdicke, RET — relative Schmelzdicke).

Ergebnisse der Studie

Basierend auf den zahnmedizinischen Daten, die in Tabelle Nr. 2 dargestellt sind, kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Schmelzdicke isometrisch mit der Schädelgröße skaliert, unabhängig von der Zahnposition.

Tabelle Nr. 3: Werte von AET und RET in Abhängigkeit von den Variablen.

Abbildung Nr. 3: Skalierung von AET/RET in Bezug auf die Schädelgröße.

Gleichzeitig ist die Schmelzdicke an den kaudalen Zähnen erheblich größer als an den anderen, hängt jedoch ebenfalls nicht von der Schädelgröße ab.

Tabelle Nr. 4: Durchschnittswerte der Zahnschmelzdicke bei höheren Wirbeltieren (Crocodyliform – übertaxonomische Gruppe von Krokodilen, Dinosaur – Dinosauier, Artiodactyl – Paarhufer, Odontocete – Unterordnung von Walen, Perissodactyl – Unpaarhufer, Primate – Primaten, Rodent – Nagetiere).

Bild Nr. 4: Die Zahnschmelzdicke der kaudalen Zähne ist größer als die der anderen.

Die Daten zur Skalierung (Tab. Nr. 3) bestätigten Hypothese 1a, die den Zusammenhang zwischen dem Wert von AET und der Schädel-länge erklärt, und nicht von der Zahnposition abhängt. Die Werte von RET hingegen hängen im Gegenteil von der Position der Zähne in der Reihe ab und nicht von der Schädel-länge, was Hypothese 1b bestätigt.

Die übrigen Hypothesen (2a und 2b) wurden ebenfalls bestätigt, was sich aus den Daten zur Analyse der durchschnittlichen Zahnschmelzdicke mit unterschiedlicher Position in der Reihe ableiten lässt.

Der Vergleich der Zahnschmelzdicke zwischen dem modernen Mississippi-Alligator und seinen urzeitlichen Vorfahren zeigte viele Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede. So ist die Zahnschmelzdicke bei Allognathosuchus etwa 33 % dicker als bei modernen Krokodilen (Bild unten).

Bild Nr. 5: Vergleich der durchschnittlichen Zahnschmelzdicke zwischen dem Alligator und fossilen Krokodilen anhand der Höhe der Zahnkrone.

Zusammenfassend sind die Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass die Zahnschmelzdicke direkt von der Rolle der Zähne abhängt. Wenn diese Zähne zum Zerkleinern notwendig sind, ist ihre Schmelzschicht deutlich dicker. Es wurde festgestellt, dass der Druck (Kraft der Kompression) auf den kaudalen Zähnen höher ist als auf den rostralen. Dies hängt genau mit ihrer Rolle zusammen – der Beute Halt zu geben und Knochen zu zerkleinern. Somit verhindert eine dickere Zahnschmelzschicht Schäden an den Zähnen, die während der Nahrungsaufnahme maximal belastet werden. Und tatsächlich zeigen die Daten, dass die kaudalen Zähne der Krokodile deutlich seltener brechen, trotz erheblicher Belastungen.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass bei den Zähnen Allognathosuchus die Zahnschmelzdicke erheblich dicker ist als bei anderen untersuchten Krokodilen. Es wird angenommen, dass diese fossile Art bevorzugt von Schildkröten lebte und zum Zerkleinern ihrer Panzer starke Zähne und dicken Zahnschmelz benötigte.

Die Wissenschaftler haben auch die Zahnschmelzdicke von Krokodilen mit einigen Dinosauriern verglichen, die entsprechend ihres vermuteten Gewichts und ihrer Größe ausgewählt wurden. Diese Analyse zeigte, dass die Zahnschmelz der Krokodile dicker war (Diagramm unten).

Bild Nr. 6: Vergleich der Zahnschmelzdicke von Krokodilen und Dinosauriern.

Es ist interessant, dass der Zahnschmelz bei Theropoden fast die gleiche Dicke hatte wie bei dem deutlich kleineren Allognathosuchus und sogar bei modernen Krokodilen. Es ist logisch, dass die Zahnstruktur der Krokodile durch ihr Verhalten im Hinblick auf Jagd und Ernährung erklärt wird.

Trotz ihrer Rekorde ist der Zahnschmelz bei Archosauriern (Krokodile, Dinosaurier, Flugsaurier usw.) dünner als bei Säugetieren.

Bild Nr. 7: Vergleich der Zahnschmelzdicke (AET) von Krokodilen und einigen Säugetierarten.

Warum ist der Zahnschmelz von Jägern, die stark auf ihre Kiefer angewiesen sind, dünner als der von Säugetieren? Die Antwort auf diese Frage liegt bereits zu Beginn: die Erneuerung abgenutzter Zähne durch neue. Obwohl Krokodile harte Zähne haben, benötigen sie keine übermäßig starken, da immer ein neuer Zahn als Ersatz für einen gebrochenen kommt. Bei Säugetieren ist dies (größtenteils) nicht der Fall.

Bild Nr. 8: Vergleich der Zahnschmelzdicke (RET) von Krokodilen und einigen Säugetierarten.

Genauer gesagt variiert die Zahnschmelzdicke bei Archosauriern im Bereich von 0,01 bis 0,314 mm, während sie bei Säugetieren von 0,08 bis 2,3 mm liegt. Der Unterschied ist, wie man so schön sagt, offensichtlich.

Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Forschungsergebnissen empfehle ich einen Blick auf Bericht von Wissenschaftlern.

Epilog

Zähne sind, so seltsam es auch klingen mag, ein äußerst wichtiges Werkzeug zur Nahrungsaufnahme. Ja, der moderne Mensch kann immer einen Defekt, der mit den Zähnen verbunden ist, beheben, aber unter den Vertretern der Wildnis gibt es keine Zahnärzte. Selbst der Mensch wusste nicht immer, was Zahnbehandlungen sind. Daher wählen einige Arten starke und langlebige Zähne, während andere es vorziehen, sie wie Handschuhe zu wechseln. Krokodile und ihre entfernten Verwandten können beiden Gruppen zugeordnet werden. Der Zahnschmelz an Zähnen, die für das effektive Festhalten von Beute und das Zerkleinern von Knochen notwendig sind, ist bei Krokodilen ziemlich dick, aber angesichts der erheblichen Belastungen nutzen sich ihre Zähne dennoch ab und brechen manchmal. In solchen Fällen kommt ein neuer Zahn an die Stelle des alten.

Für den Menschen ist eine der markantesten Eigenschaften der gegenüberliegende große Zeh, der uns in vielen Vorhaben enorm geholfen hat, angefangen bei "einen Stock nehmen und den lästigen Nachbarn am Ast treffen" bis hin zu "einen Stift nehmen und ein Sonett schreiben". Für Krokodile sind es jedoch ihre Kiefer, insbesondere die Zähne, die als dieses Werkzeug dienen. Genau dieser Teil des Körpers macht Krokodile zu so gefährlichen und tödlichen Jägern, die man lieber meiden sollte.

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Quelle: habr.com