Was wir von Haifischzähnen lernen können Hochfunktionale Zähne durch Sollbruchstellen

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Max-Planck-Institut für Kolloid-u.Grenzflächenforsch.

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Beißen wir auf einen harten Kirschkern, kann das üble Folgen für unsere Zähne haben. Im schlimmsten Fall splittert ein Zahn und ein Besuch beim Zahnarzt ist unausweichlich. Bei bestimmten Haien ist genau dieses Splittern die Garantie für stets spitze und belastbare Zähne. Von diesem Phänomen könnte auch die Materialforschung lernen.

Potsdam – Beißen wir überraschend auf einen harten Kern, kann das übel enden. Im schlimmsten Fall splittert dann ein Zahn und ein Besuch beim Zahnarzt steht an. Für den Port-Jackson-Stierkopfhai sind splitternde Zähne dagegen ganz normal, wie ein Team um Shahrouz Amini vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam herausgefunden hat. Die Forschenden können auch erklären, warum seine Zähne trotzdem spitz bleiben: Die Struktur des Zahnschmelzes sorgt dafür, dass seine Zähne bei zu harter Beanspruchung entlang vorgegebener Linien brechen. So splittert nur die äußere Schicht ab und der Zahn behält seine Funktion. Die Erkenntnisse erlauben einen Einblick in die Evolution von Haien und können als Inspiration für neuartige Materialien dienen.

Neue Zähne – alle paar Wochen

Im Gegensatz zu Menschen haben Haie keine bleibenden Zähne. Im sogenannten Revolvergebiss von Haien wachsen immer frische Zähne nach. So erneuert sich das vielreihige Gebiss ständig, und die Tiere nutzen die Zähne üblicherweise nur für einige Wochen. Sie müssen während ihrer kurzen Verweildauer im Maul auf den Punkt funktionieren.

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Der Port-Jackson-Stierkopfhai ist dabei ein Sonderfall, denn er ernährt sich hauptsächlich von harten und stacheligen Meerestieren wie Seeigeln, Seesternen, Muscheln und Schnecken. Seine Zähne werden also kontinuierlich stark beansprucht und müssen trotzdem ihre Funktion behalten. Um zu verstehen, wie die Zähne den Belastungen standhalten und damit die Lebensweise dieser Haifischart ermöglichen, untersuchte ein internationales Forschungsteam um Shahrouz Amini deren Aufbau und mechanische Eigenschaften.

Brüchiger Zahnschmelz mit stabilem Kern

Die Forschenden aus Deutschland, Australien und Amerika stellten fest, dass die Fangzähne des Port-Jackson-Stierkopfhais zwar klare Zeichen der Abnutzung zeigen, aber ihre Form beibehalten. Dies wird durch die einzigartige Struktur des Zahnschmelzes gewährleistet: „Die Besonderheit besteht darin, dass die innere Zahnschmelzschicht für Stabilität sorgt, während die äußere sukzessive absplittert. Dadurch behält der Zahn seine Funktion“, erklärt Shahrouz Amini, der Leiter der Studie und Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam. Im Prinzip sind die Zähne wie bei allen Wirbeltieren aufgebaut, und sind aus den gleichen Materialien: Das Innere des Zahns sowie die Zahnwurzel bestehen aus Zahnbein, und der härtere Zahnschmelz bildet die äußere Schicht.

Bei ihrer eingehenden Untersuchung fanden die Wissenschaftler*innen heraus, dass der Zahnschmelz des Port-Jackson-Stierkopfhais aus einer äußeren und einer inneren Schicht aufgebaut ist. Der äußere Zahnschmelz bedeckt die Seiten des Zahnes, verjüngt sich aber nach oben hin und an der Spitze kommt der innere Zahnschmelz nahe an die Oberfläche.

Beide Schichten bestehen zwar aus Apatit, unterscheiden sich aber in ihrer Struktur, wie sich in den Bildern eines Elektronenmikroskops deutlich zeigt: Der innere Zahnschmelz ist aus verwobenen, kreuzweise übereinanderliegenden Apatitbündeln aufgebaut, die für hohe mechanische Stabilität sorgen. Dagegen verlaufen die Apatitbündel im äußeren Zahnschmelz alle parallel zur Zahnoberfläche. Diese längs gerichtete Struktur wirkt wie eine Sollbruchstelle. Wird die Spitze beim Zubeißen zu stark belastet, bricht das Material entlang der Apatitbündel. Dadurch splittert ein Stück der äußeren, seitlichen Zahnschmelzschicht ab, während die Spitze stehen bleibt.

Der Zahn bleibt spitz, weil er splittert

Der spezielle Aufbau bringt zwei Vorteile mit sich: Zum einen schützt das Absplittern der äußeren Schicht den Zahn als Ganzes. Selbst bei extremen Belastungen verliert der Port-Jackson-Hai also keinen Zahn, wie es bei uns Menschen der Fall sein kann, wenn wir etwa auf ein Steinchen beißen. Zum anderen behält der Zahn durch die seitlichen Abbruchkanten seine spitze Geometrie und damit seine Funktion: Mit der Zeit wird auch die Spitze aus dem langlebigen Material abgerieben. Da seitlich jedoch immer wieder Splitter abplatzen, bleibt die Form erhalten. Ein alter Zahn des Port-Jackson-Stierkopfhais ist durch Abrieb an der Spitze also nicht mehr so hoch wie ein frischer Zahn, aber seine Form wird nicht abgeflacht. „Anders ausgedrückt, wird ein Teil des Zahnmaterials für die Aufrechterhaltung der Funktionalität geopfert“, sagt Shahrouz Amini.

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Diese Entdeckung zeigt, wie evolutionäre Prozesse wirken. Durch die Zähne, die auch unter extremen Beanspruchungen ihre Funktion erhalten, ist der Port-Jackson-Stierkopfhai perfekt angepasst, um nah am Meeresboden auf die Jagd nach Beute mit harter Schale zu gehen. Selbst wenn er dabei aus Versehen auf einen Stein beißt, bleibt der Zahn durch das oberflächliche Absplittern erhalten und spitz.

„Spannend ist, dass sich die Mineralzusammensetzung aller Wirbeltierzähne sehr ähnelt. Ihre besonderen Eigenschaften entstehen also durch ihren Aufbau, insbesondere die Mikroarchitektur“, sagt Peter Fratzl, Direktor der Abteilung Biomaterialien des Max-Planck-Instituts für Kolloid und Grenzflächenforschung. Das zeigt, wie sich aus wenigen Grundmaterialien evolutionär sehr unterschiedliche Funktionen entwickeln. Aus den Erkenntnissen können die Forscher*innen auch Rückschlüsse auf die Co-Evolution von Haien und hartschaligen Beutetieren ziehen. Außerdem kann der Zahn des Port-Jackson-Hais als Inspiration für neuartige Materialien dienen, die durch gezielten Verschleiß die Funktion eines Bauteils erhalten können.

Originalpublikation: Shahrouz Amini, Hajar Razi, Ronald Seidel, Daniel Werner, William T. White, James C. Weaver, Mason N. Dean & Peter Fratzl: Shape-preserving erosion controlled by the graded microarchitecture of shark tooth enameloid; Nat Commun 11, 5971 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19739-0

* K. Schulze: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, 14476 Potsdam

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