Ein Zahn so hart wie Stahlbeton

Warum die Stoßzähne von Narwalen  doppelt verdreht sind

Narwale – auch Einhörner der Meere genannt: Ihre langen Stoßzähne faszinieren die Menschen seit Jahrhunderten. Nun hat ein internationales Forschungsteam mithilfe von Röntgenlicht erstmals die innere Struktur dieses Zahns sichtbar gemacht.

Von Markus Brauer

Bis zu zwei Meter lang und in einer perfekten Spirale gewunden: Der Stoßzahn des Narwals gehört zu den ungewöhnlichsten Strukturen im Tierreich.

Ein Forscherteam unter Beteiligung des Paul Scherrer Instituts (PSI) in den schweizerischen Kantonen Villigen und Aargau hat nun erstmals im Fachjournal „Nature Communications“ entschlüsselt, wie diese Helix im Inneren des Zahns angelegt ist: mit einer überraschenden Wendung. Der nanometergroße Aufbau dieser Spirale dreht sich nicht nur in eine, sondern in zwei entgegengesetzte Richtungen.

Der König von Dänemark und Norwegen,  Frederik III. (1609-1670), wusste um die wahre Herkunft der Einhörner und entsandte im 17. Jahrhundert eine Expedition nach Grönland, um dem wertvollen Horn auf den Zahn zu fühlen. Denn die mythische Kreatur lebt dort in arktischen Gewässern und besitzt keine Hufe, sondern Flossen.

Thron aus Einhorn-Hörnern

Die Expedition war erfolgreich und bescherte dem Monarchen einen aus „Einhorn-Hörnern“ gefertigten Thron – und damit Prestige und Macht in Europa. Obwohl das sagenhafte Horn kein Horn ist, sondern ein Zahn.

Ein Zahn allerdings, der im Tierreich ziemlich einzigartig ist. Denn während andere lange Zähne – etwa die Stosszähne von Elefanten, Walrossen oder auch die Schneidezähne von Bibern – eine Krümmung beschreiben, wächst der männliche Narwalzahn schraubenförmig nach vorne.

Meist ist es der linke obere Eckzahn, der sich in einer eleganten Spirale gegen den Uhrzeigersinn dreht, die Oberlippe durchstösst und bis zu zwei Meter lang werden kann – mitunter bis zur Hälfte der Körperlänge des Tieres.

Zwei gegenläufige Helices

Genau dieses ungewöhnliche Wachstum weckte die Neugier der Forscher. Mithilfe modernster Röntgenmethoden wollten die Forschenden herausfinden, ob die Drehrichtung der sichtbaren Spirale bereits in der Anordnung ihrer nanometergroßen Bausteine angelegt ist.

Die Ergebnisse führten zu einer unerwarteten Wendung. Denn die Bausteine bilden zwei gegenläufige Helices – eine im Uhrzeigersinn und eine im Gegenuhrzeigersinn –, die sich zu einer äusserst stabilen Struktur verzahnen.

Zahn so hart wie Stahlbeton

So alt wie das Tier selbst, so alt ist auch sein Zahn: Narwalzähne wachsen ein Leben lang und können problemlos ein Alter von rund 70 Jahren erreichen.

Wofür die Tiere ihre auffälligen Zähne genau einsetzen, bleibt jedoch Gegenstand von Spekulationen. Vieles deutet darauf hin, dass sie vor allem eine Rolle bei der Partnerwahl spielen. Gelegentlich lässt sich auch beobachten, wie Narwale ihre Zähne beim spielerischen „Degenkreuzen“ mit Artgenossen einsetzen. Fortpflanzung und soziale Interaktion sind somit am wahrscheinlichsten.

Auch wenn über den Nutzen bislang wenig bekannt ist – über den inneren Aufbau dieser einzigartigen Zähne weiß man jetzt dagegen umso mehr. „Wie Knochen oder andere Zähne aus dem Tierreich ist auch der Narwal-Stoßzahn ein komplexes Verbundmaterial, dessen Struktur sich von winzigen Nanobausteinen bis hin zur sichtbaren Form des gesamten Zahns erstreckt“, erklärt  Marianne Liebi, PSI-Forscherin und Mitautorin der Studie.

Verbundmaterialien spielen nicht nur in der Natur eine wichtige Rolle. Ein klassisches Beispiel aus unserem Alltagsleben ist Stahlbeton: Beim Stahlbeton hält der Betonanteil – eine Mischung aus Zement und Sand – großem Druck stand, während ein Stahlgeflecht für Zugfestigkeit und Stabilität sorgt. „Auch der Narwalstosszahn muss gleichzeitig hart und flexibel sein“, erläutert Liebi. „Nur so kann er den starken Strömungskräften beim Schwimmen standhalten.“

Dentin bildet Kern des Zahns

Im Inneren des Narwalstoßzahns dominiert ein vertrautes Material: Dentin. Es ist der gleiche Stoff, der auch den Kern unserer eigenen Zähne bildet. Außen ist er von einer dünneren Schicht sogenannten Zahnzements umgeben, einem Gewebe, das bei anderen Säugetieren normalerweise nur an der Zahnwurzel vorkommt.

Beide Gewebe enthalten feine Kollagenfasern, die durch winzige Mineralkristalle verstärkt sind. Tatsächlich wirken diese Fasern wie eine innere Armierung, während die Mineralkristalle dem Material seine Härte verleihen – ganz ähnlich wie beim Stahlbeton.

Zahn-Helix im Nanometerbereich analysiert

Genau diese komplexe Architektur war die eigentliche Herausforderung der Studie. „Die Kollagenfasern und die Mineralkristalle befinden sich auf der Nanometerskala, während die Spirale des Zahns erst auf Zentimeter- und Meterlänge sichtbar wird“, berichtet Marianne Liebi.

Um beides miteinander zu verbinden und die Helix vom Nanometerbereich bis zur makroskopischen Form des Zahns sichtbar zu machen, griff das Forschungsteam zu einer besonderen Röntgentechnik: der Tensor-Tomografie.

Dreidimensionales Bild der inneren Zahn-Architektur

Röntgenstrahlen kennt man auch vom Zahnarzt: Sie machen Zähne sichtbar, weil diese die Strahlung stärker absorbieren als das umliegende Gewebe. Auf dem Bild erkennt man gewissermaßen den Schatten des Zahns.

Mit der Synchrotronstrahlung (einer speziellen elektromagnetischen Strahlung) aus den drei europäischen Großforschungsanlagen lässt sich jedoch weit mehr erkennen. Treffen diese speziellen Röntgenstrahlen auf regelmäßig angeordnete Strukturen im Material, werden sie gestreut und erzeugen charakteristische Muster. „Aus diesen Mustern können wir berechnen, wie die nanometergroßen mineralisierten Kollagenfasern im Inneren des Materials ausgerichtet sind“, konstatiert Erstautor Adrian Rodriguez-Palomo.

Bei der Tensor-Tomografie wird der Zahn  gedreht und Punkt für Punkt abgetastet. Dabei entsteht aus Millionen Messpunkten ein dreidimensionales Bild seiner inneren Architektur – von den winzigen Bausteinen im Nanometerbereich bis hin zur makroskopischen Form des gesamten Zahns.