Eine Narwal-Geschichte mit unerwarteter Wendung Wie das „Einhorn der Meere“ zu seiner Helix kam

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Sie sind wohl der wahre Ursprung der Einhorn-Legende: Narwale mit ihrem bis zu zwei Meter langen, in sich gewundenen Stoßzahn. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Paul-Scherrer-Instituts PSI hat nun erstmals entschlüsselt, wie die Helix im Inneren des Zahns angelegt ist. Synchrotronaufnahmen offenbaren nun, wie es zur Eigendrehung des Narwalzahns kommt.

Narwale werden auch „Einhörner der Meere“ genannt. Der Grund ist offensichtlich: Ihre langen Stoßzähne, die meistens bei den Männchen auftreten und womöglich der reale Ursprung von märchenhaften Einhorn-Mythen sind. Nun hat ein internationales Forschungsteam mithilfe von Röntgenlicht erstmals die innere Struktur dieses einzigartigen Zahns sichtbar gemacht – von der Nanometer- bis zur Zentimeterskala.

Schon König Frederik III. 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. Die Expedition war erfolgreich und bescherte dem dänischen Herrscher einen aus „Einhornhörnern“ gefertigten Thron – und damit Prestige und Macht in Europa. Obwohl das sagenhafte Horn kein Horn ist, sondern „bloß“ ein Zahn.

Ein Zahn allerdings, der im Tierreich sehr speziell 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.

Das Drehgeheimnis des Narwalzahns

Genau dieses ungewöhnliche Wachstum weckte die Neugier eines internationalen und interdisziplinären Forschungsteams. 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.

Die Untersuchungen wurden an drei Synchrotronanlagen in Europa durchgeführt: an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul Scherrer Institut in Villigen PSI, am MAX IV Laboratory in Lund (Schweden) sowie an der European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble (Frankreich). Über ihre Resultate berichten die Forschenden nun in der Fachzeitschrift Nature Communications.

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Ein Zahn wie Stahlbeton

So alt wie das Tier selbst, so alt ist auch sein Zahn: Narwalzähne wachsen ein Leben lang und können 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 die wahrscheinlichsten Einsatzgebiete des Zahns.

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 Narwalstoßzahn ein komplexes Verbundmaterial, dessen Struktur sich von winzigen Nanobausteinen bis hin zur sichtbaren Form des gesamten Zahns erstreckt“, sagt 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“, erklärt Liebi. „Nur so kann er den starken Strömungskräften beim Schwimmen standhalten.“

Im Inneren des Narwalstoßzahns dominiert ein vertrautes Material: Dentin – der gleiche Stoff, der auch den Kern unserer eigenen Zähne bildet. Außen ist er von einer dünneren Schicht so genannten 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.

Besser als Röntgenbilder: Tensor-Tomografie des Narwal-Zahns

Und 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“, erklärt 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.

Mit der dazu eingesetzten Synchrotronstrahlung aus den drei europäischen Großforschungsanlagen lässt sich weit mehr erkennen als auf klassischen Röntgenbildern vom Zahnarzt. 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“, erklärt Erstautor Adrian Rodriguez-Palomo. Er stieß als Doktorand an der Chalmers University of Technology in Schweden zum Projekt und führte die Studie später als Postdoktorand an der dänischen Universität Aarhus weiter.

Bei der Tensor-Tomografie wird der Zahn dabei im Synchrotronstrahl 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.

Ein Bild ohne Befund

Doch als das Team begann, die riesigen Datenmengen auszuwerten, erwartete sie eine Überraschung: Auf dem Bild erkannten sie… nichts. „Das hat uns ziemlich verwundert“, erinnert sich PSI-Forscherin Liebi. Mechanische Tests hatten eigentlich nahegelegt, dass sich die Spiralform bereits in den Kollagenfasern und den Mineralkristallen widerspiegeln müsste. „Doch statt einer Helix fanden wir nur ein gleichmäßiges Muster.“

Die Lösung zeigte sich erst, als das Team einen Schritt zurücktrat. Statt einzelne winzige Bildpunkte im dreidimensionalen Datensatz zu betrachten, konzentrierten sie sich nun auf deren räumliche Ausrichtung. „Als wir die Orientierung dieser Punkte zueinander verglichen, zeichnete sich eine Richtungstendenz ab“, beschreibt Erstautor Palomo. „Jetzt mussten wir die Punkte nur noch miteinander verbinden – wie beim Kinderspiel ‚Malen nach Zahlen‘ – und plötzlich wurde die Struktur sichtbar: zwei ineinander verschlungene Spiralen.“

Von der Nanoskala zur makroskopischen Helix

Der genaue Blick in die Daten zeigte auch, wo diese beiden Spiralen im Zahn verborgen sind. Die äußere Schicht des Zahns, der so genannte Zahnzement, bildet eine linksgängige Helix, während in seinem Inneren die mineralisierten Kollagenstrukturen im Dentin einer Spirale in entgegengesetzter Richtung folgen.

Diese gegenläufige Architektur ist kein Zufall, sondern ein raffiniertes Konstrukt der Natur. Zwei ineinander verschränkte Helices verleihen dem Stoßzahn eine außergewöhnliche Stabilität, ähnlich wie die verdrillten Fasern in einem Seil. Sie machen ihn besonders widerstandsfähig gegen Torsion und mechanische Belastung. Und sie sind es auch, die dem Zahn seine einzigartige gewundene Form verleihen.

Die Studie ist Teil des von Nord Forsk geförderten Forschungsprojekts „Narwhal tusks – a tale with a twist“. Sie wurde zudem durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Programms unterstützt. Unter der Leitung von Henrik Birkedal von der Universität Aarhus untersucht ein internationales und interdisziplinäres Team dabei nicht nur den Aufbau des Narwalzahns, sondern auch, wie sein Wachstum mit Umwelt- und Klimabedingungen zusammenhängt. Anhand seiner Wachstumsstrukturen – ähnlich den Jahrringen eines Baumes – lassen sich Rückschlüsse auf vergangene Umweltbedingungen in der Arktis ziehen, etwa auf Klima und Nahrungsangebot. In seinem fast hundertjährigen Leben schreibt jedes Narwalmännchen so gewissermaßen seine eigene Umweltgeschichte in seinen Zahn.

Originalpublikation: Adrian Rodriguez-Palomo et al.: The narwhal tusk assembles its macroscopic helix from building blocks with opposing twists, Nature Communications, 17, Article number: 8098, 18.08.2026; DOI: 10.1038/s41467-026-75689-z