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

Sie betreten einen schwach beleuchteten Korridor, in dem Ihnen verarmte Seelen begegnen, gequält von Schmerz und Leid. Doch hier werden sie keine Ruhe finden, denn hinter jeder Tür warten noch mehr Qualen und Ängste, die ihren ganzen Körper durchdringen und all ihre Gedanken überfluten. Sie nähern sich einer der Türen, hinter der höllisches Kratzen und Summen zu hören ist, das bis ins Mark geht. Ihre letzten Reste an Mut zusammennehmend, strecken Sie zitternd die kalte Hand zur Türklinke, als plötzlich jemand von hinten Ihre Schulter berührt. Erschrocken drehen Sie sich um. „Der Arzt wird in ein paar Minuten fertig sein. Setzen Sie sich bitte, wir rufen Sie,“ informiert Sie die sanfte Stimme der Krankenschwester. So stellen sich anscheinend einige Menschen den Besuch beim Zahnarzt vor, die diese „Sadisten“ in weißen Kitteln äußerst negativ betrachten. Doch heute wollen wir nicht über Zahnarztangst sprechen, sondern über Krokodile. Ja, genau über sie, oder genauer gesagt über ihre Zähne, die keiner zahnärztlichen Behandlung bedürfen.

Wissenschaftler der Universität Missouri (USA) haben eine Studie über die Zähne von Krokodilen durchgeführt, die interessante Merkmale des Zahnschmelzes dieser perfekten Jäger aufgedeckt hat, die sich ausschließlich auf ihre Kiefer verlassen. Was haben die Wissenschaftler herausgefunden? Wie unterscheiden sich die Zähne moderner Krokodile von ihren prähistorischen Vorfahren und welchen Nutzen hat diese Forschung? Darüber erfahren wir im Bericht der Forschungsgruppe.

Grundlage der Forschung

Für die meisten Wirbeltiere sind Zähne ein unverzichtbares Merkmal zur Nahrungsaufnahme (Ameisenbären ausgenommen). Einige Raubtiere setzen bei der Jagd auf Geschwindigkeit (zum Beispiel Geparden), andere auf Zusammenarbeit (wie Löwen), und wieder andere verlassen sich stark auf die Kraft ihres Bisses. Dazu gehören auch Krokodile, die an ihre Beute im Wasser heranschleichen und sie mit ihren kraftvollen Kiefern packen. Damit das Opfer nicht entkommen kann, muss der Fang stark sein, was zu hohen Belastungen der knöchernen Struktur führt. Um die negativen Effekte ihrer starken Bisse auszugleichen, besitzen Krokodile einen sekundären knöchernen Gaumen, der fest mit dem Schädel verbunden ist.

Eindrucksvolle Demonstration des Schließens und Öffnens des Kiefers eines Krokodils.

Eine der Hauptmerkmale der Zähne von Krokodilen ist ihr kontinuierlicher Austausch durch neue Zähne, wenn die alten abgenutzt sind. Die Zähne der Krokodile ähneln einer Matroschka, in deren Innerem sich neue Zähne entwickeln. Etwa alle 2 Jahre wird jeder Zahn im Kiefer durch einen neuen ersetzt.

Beachten Sie, wie fest sich dieser „Zahnfang“ schließt.

Die Zähne der Krokodile werden in mehrere Kategorien nach ihrer Form und Funktion eingeteilt. An der Vorderseite des Kiefers befinden sich 4 große Fangzähne, die für das effektive Erfassen der Beute notwendig sind. In der Mitte sind dickere Zähne angeordnet, die entlang des Kiefers zunehmen. Diese Teile sind zum Zerschneiden der Beute nötig. An der Basis weitern die Zähne sich aus und werden flacher, was es den Krokodilen ermöglicht, die Schalen von Muscheln und die Panzer von Schildkröten wie Sonnenblumenkerne zu knacken.

Wie stark ist der Kiefer eines Krokodils? Das hängt natürlich von seiner Größe und Art ab. So wurde beispielsweise 2003 festgestellt, dass ein 272 Kilogramm schwerer Mississippi-Alligator mit einer Kraft von etwa 9500 N beißt (N steht für Newton, 1 N = 1 kg·m/s²). Ein 1308 Kilogramm schwerer Leistenkrokodil hingegen wies beeindruckende 34500 N auf. Zum Vergleich: Die maximale Bisskraft des Menschen beträgt etwa 1498 N.

Die Bisskraft 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 kräftigen Muskeln, die für das Schließen des Mauls verantwortlich sind (was die hohe Bisskraft ermöglicht), und den schwächeren Muskeln, die für das Öffnen des Mauls sorgen. Das erklärt, warum man das geschlossene Maul eines Krokodils mit einfachem Klebeband festhalten kann.

Na, zeig mal her, wer dich Wichtigtuer genannt hat.

Der Kiefer von Krokodilen dient nicht nur unerbittlichen Tötungen zur Nahrungsaufnahme, sondern auch der Fürsorge für ihren Nachwuchs. Weibliche Krokodile transportieren oft ihre Jungen im Kiefer (es ist schwer, einen sichereren Ort für sie zu finden, denn wer würde es wagen, dort hineinzugreifen?). Der Kiefer von Krokodilen ist mit sehr empfindlichen Rezeptoren ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, die Beißkraft zu regulieren, was ihnen hilft, ihre Beute besser zu halten oder die Kleinen vorsichtig zu transportieren.

Leider wachsen menschliche Zähne nicht nach, wenn alte ausfallen, aber es gibt etwas, das wir mit Krokodilen gemeinsam haben – den Zahnschmelz.

Bild Nr. 1: Hinterzahn des Mississippialligators (Alligator mississippiensis).

Der Zahnschmelz ist die äußere Schicht des Kronenbereichs des Zahns. Er ist der härteste Teil des menschlichen Körpers, wie auch bei vielen anderen Wirbeltieren. Allerdings wechseln unsere Zähne, wie wir wissen, nicht auf neue, weshalb unser Zahnschmelz dicker sein sollte. Krokodile dagegen haben die Fähigkeit, abgenutzte Zähne durch neue zu ersetzen, weshalb eine dicke Schmelzschicht hier nicht notwendig ist. Es klingt ganz logisch, doch ist das wirklich so?

Wissenschaftler sagen, dass das Verständnis der Veränderungen des Zahnschmelzes innerhalb einer Taksongruppe zukünftig dazu beitragen wird, die Struktur des Zahnschmelzes besser nachzuvollziehen, abhängig von der Biomechanik und der Ernährung des Tieres.

Krokodile, insbesondere Alligator mississippiensis, eignen sich aus mehreren Gründen hervorragend für diese Studie. Erstens verändern sich ihre Zähne, die Bisskraft und die Struktur des Zahnschmelzes in Abhängigkeit von Alter und Größe des Individuums, was auch durch Änderungen in der Ernährung bedingt ist. Zweitens weisen die Zähne von Krokodilen je nach Position im Kiefer unterschiedliche Morphologien auf.

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

Die rostralen Zähne sind schmal und werden zum Festhalten der Beute verwendet, während die kaudalen Zähne stumpf sind und mit höheren Bisskräften zum Zerkleinern genutzt werden. Mit anderen Worten, die Belastung des Zahns hängt von seiner Position im Kiefer und der Größe des Halters dieses Kiefers ab.

In dieser Studie werden die Ergebnisse der Analyse und Messungen der absoluten Zahnschmelzdicke (AET) und der standardisierten (relativen) Zahnschmelzdicke (RET) der Zähne von Krokodilen präsentiert.

AET ist eine Bewertung des durchschnittlichen Abstands von der Schmelz-Dentin-Grenze bis zur äußeren Oberfläche des Zahnschmelzes und stellt eine lineare Messung dar. RET hingegen ist eine dimensionslose Größe, die es ermöglicht, die relative Dicke des Zahnschmelzes in unterschiedlichen Maßstäben zu vergleichen.

Wissenschaftler führten eine Bewertung von AET und RET an den rostralen (im "Nasenbereich" des Kiefers), intermediären (in der Mitte der Reihe) und kaudalen (an der Basis des Kiefers) Zähnen bei sieben Individuen der Art durch. Alligator mississippiensis.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Struktur des Zahnschmelzes von der Ernährung des Individuums und der gesamten Art abhängen kann. Krokodile haben eine sehr vielfältige Ernährung (was sie fangen, wird zum Mittagessen), die sich jedoch von der ihrer bereits seit langem ausgestorbenen Verwandten unterscheidet. Um dies aus der Perspektive des Schmelzes zu überprüfen, führten die Wissenschaftler eine Analyse von AET und RET fossiler Exemplare durch. Protosuchidae (UCMP 97638), Iharkutosuchus (MTM VER 2018.837) und Allognathosuchus (YPM-PU 16989). Protosuchidae ist ein Vertreter der Jurazeit, Iharkutosuchus — der Kreidezeit, während Allognathosuchus aus dem Eozän stammt.

Vor Beginn der eigentlichen Messungen führten die Forscher eine Brainstorming-Sitzung durch und schlugen mehrere theoretische Hypothesen vor:

• Hypothese 1a — Da AET ein linearer Maßstab ist und von der Größe abhängt, wird angenommen, dass die Varianz in AET am besten durch die Schädelgröße 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 Schädelhöhe lineare Maße für die Größe sind, sollten sie mit einer isometrischen Steigung skaliert werden;
• Hypothese 2b — Da kaudale Zähne den größten Bisskräften im Zahnreihen ausgesetzt sind, wird RET daher bei kaudalen Zähnen höher sein.

In den folgenden Tabellen sind die Daten der Proben (Schädel von Krokodilarten Alligator mississippiensis, entnommen aus dem Rockefeller-Wildschutzgebiet in Grand Chenier, Louisiana, und fossilen Überresten).

Tabelle Nr. 1: Daten zum Scannen von Krokodilzähnen (rostale, intermolekulare und kaudale Zähne).

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

Die Forschungsergebnisse

Basierend auf den in Tabelle Nr. 2 dargestellten Daten kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Dicke des Zahnschmelzes isometrisch mit der Schädellänge skaliert, unabhängig von der Position des Zahns.

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

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

Zugleich ist die Dicke des Zahnschmelzes an den kaudalen Zähnen deutlich größer als an anderen, jedoch ist dies ebenfalls unabhängig von der Schädellänge.

Tabelle Nr. 4: Durchschnittswerte der Zahnschmelzdicke bei höheren Wirbeltieren (Crocodyliform — Taxon, das Krokodile umfasst, Dinosaur — Dinosaurier, Artiodactyl — Paarhufer, Odontocete — Unterordnung der Wale, Perissodactyl — Unpaarhufer, Primate — Primaten, Rodent — Nagetiere).

Abbildung Nr. 4: Die Dicke des Zahnschmelzes der kaudalen Zähne ist größer als die der anderen.

Die Daten zur Skalierung (Tab. Nr. 3) bestätigten Hypothese 1a, die den Zusammenhang zwischen dem AET-Wert und der Schädellänge erklärt, jedoch nicht von der Zahnposition abhängt. Dagegen hängen die RET-Werte vielmehr von der Position des Zahns im Bogen ab und nicht von der Schädellänge, was Hypothese 1b bestätigt.

Die anderen Hypothesen (2a und 2b) wurden ebenfalls bestätigt, was sich aus den Daten zur durchschnittlichen Dicke des Zahnschmelzes mit unterschiedlicher Anordnung im Kiefer ergibt.

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

Abbildung Nr. 5: Vergleich der durchschnittlichen Zahnschmelzdicke bei Alligatoren und fossilen Krokodilarten in Bezug auf die Höhe der Zahnkrone.

Zusammenfassend kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Dicke des Zahnschmelzes direkt von der Rolle der Zähne abhängig ist. Wenn diese Zähne zum Zerkleinern benötigt werden, ist ihr Schmelz deutlich dicker. Frühere Untersuchungen zeigten, dass der Druck (Druckkraft) der hinteren Zähne höher ist als der der vorderen. Dies hängt mit ihrer Funktion zusammen – Beute festhalten und Knochen zermahlen. Eine dickere Schmelzschicht schützt somit die Zähne, die beim Fressen einer hohen Belastung ausgesetzt sind. Tatsächlich zeigen die Daten, dass die hinteren Zähne bei Krokodilen deutlich seltener brechen, trotz der enormen Belastungen.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Zähne Allognathosuchus eine signifikant dickere Schmelzschicht haben als die der anderen untersuchten Krokodile. Es wird angenommen, dass diese fossile Art vor allem von Schildkröten lebte, deren Panzer starke Zähne und dicken Schmelz zum Zerkleinern benötigten.

Die Forscher verglichen auch die Dicke des Zahnschmelzes bei Krokodilen und einigen Dinosauriern ähnlichen Gewichtes und Größe. Diese Analyse zeigte, dass der Zahnschmelz bei Krokodilen dicker war (siehe Diagramm unten).

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

Interessanterweise war der Zahnschmelz bei Tyrannosauriern fast so dick wie der von deutlich kleineren Allognathosuchus und sogar von modernen Krokodilen. Es ist logisch, dass die Struktur der Zähne von Krokodilen durch ihr Verhalten in Bezug auf Jagd und Ernährung erklärt wird.

Dennoch ist der Zahnschmelz bei Archosauriern (Krokodile, Dinosaurier, Pterosaurier usw.) dünner als der von Säugetieren, trotz all ihrer Rekorde.

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 liegt bereits zu Beginn – der Austausch abgenutzter Zähne durch neue. Obwohl Krokodile über robuste Zähne verfügen, benötigen sie nicht übermäßig starke, da immer ein neuer Zahn als Ersatz für einen beschädigten kommt. Säugetiere haben (zum größten Teil) nicht dieses Talent.

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

Genauer gesagt variiert die Dicke des Zahnschmelzes bei Archosauriern zwischen 0,01 und 0,314 mm, während sie bei Säugetieren zwischen 0,08 und 2,3 mm liegt. Der Unterschied ist, wie man so schön sagt, deutlich.

Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Untersuchung empfehle ich, einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler zu werfen.

Epilog

Zähne sind, so seltsam es auch erscheinen mag, ein äußerst wichtiges Werkzeug zur Nahrungsaufnahme. Ja, der moderne Mensch kann jeden Defekt, der mit Zähnen verbunden ist, beheben, aber in der Wildnis gibt es keine Zahnärzte. Selbst der Mensch wusste nicht immer, was eine Zahnbehandlung ist. 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 der Beute und das Zerbrechen von Knochen notwendig sind, ist bei Krokodilen relativ dick, doch angesichts der hohen Belastungen nutzen sich ihre Zähne trotzdem ab und brechen manchmal. An die Stelle eines alten Zahns tritt ein neuer.

Für den Menschen ist einer der auffälligsten Merkmale der gegenüberliegende Daumen, der uns in vielen Bestrebungen enorm geholfen hat, angefangen bei "einem Stock nehmen und den lästigen Nachbarn schlagen" bis hin zu "einen Stift nehmen und ein Sonett schreiben". Für Krokodile hingegen sind es ihre Kiefer, insbesondere die Zähne, die dieses Körperteil zu so gefährlichen und tödlichen Jägern macht, die man besser meiden sollte.

Freitagsthema:

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Quelle: habr.com