Standort: science.ORF.at / Meldung: "Zähne: Optimale Form, harter Schmelz"

Erste Backenzahn eines Homo

Zähne: Optimale Form, harter Schmelz

Zähne sind oft lästig: Man muss sie pflegen, und sie werden dennoch oft faul oder brüchig. Aber als Teil des Verdauungsapparats sind sie für Menschen wie für andere Säugetiere unersetzbar. Gleich zwei aktuelle Studien zeigen, wie sich Kauwerkzeuge für ihre Zwecke relativ optimal entwickelt haben.

Evolution 15.10.2014

Effizient zerkleinern

Die Nahrungsaufnahme von Säugetieren ist im Tierreich einzigartig. Die Verdauung beginnt bereits im Mund, sprich bei den Zähnen. Denn bevor wir Menschen und unsere tierischen Verwandten Essen schlucken, zerbeißen und zerkauen wir es. Für diese Zwecke herrscht im Mundraum Aufgabenteilung: Die Schneidezähne beißen die Speisen zuerst in kleine Stücke, die Backenzähne zerkleinern diese in einen leicht schluckbaren Speisebrei.

Die Studien:

"The effects of relative food item size on optimal tooth cusp sharpness during brittle food item processing" von M.A. Berthaume et al.
"Sea otter dental enamel is highly resistant to chipping due to its microstructure" von Ch. Ziscovici et al., erschienen am 15. Oktober 2014. in den "Biology Letters" der Royal Society.

Die Form der Zähne spiegelt ihre Funktion, darüber ist sich die Forschung heute einig. Umgekehrt versucht man daher, vom Aussehen der Zähne auf die Art der Nahrung zu schließen. Daran kann man etwa erkennen, ob sich unsere Vorfahren vorwiegend von pflanzlicher oder tierischer Kost ernährt haben. Demnach sind vor allem die mechanischen Eigenschaften der Nahrungsmittel entscheidend für das Gebiss eines Säugetiers.

Die Forscher um Michael A. Berthaume von der britischen University of Hull bringen nun einen weiteren Aspekt ins Spiel: Auch die Größe der Nahrungsmittel soll die Zähne geformt haben. Denn im optimalen Fall verbrauchen die Zähne bei der Nahrungszerkleinerung möglichst wenig Energie, werden aber gleichzeitig nicht brüchig. Schärfere Zähne sind demnach energiesparender, aber die relativ schmale Kontaktfläche bedeutet eine größere Gefahr für den Zahnschmelz. Hierbei kommt laut den Forschern nun die Größe der Speisestücke zum Tragen, denn von ihr hängt es ebenfalls ab, wie viel Zahn mit der Nahrung in Berührung kommt.

Form und Größe

Für ihre Studie verwendeten die Forscher das Modell von vier unterschiedlich geformten zweihöckrigen Backenzähnen. Wie gut sie Nahrungsstücke verarbeiten können, wurde in einer Simulation mit ebenfalls vier Stückgrößen getestet. Die mathematische Modellierung lieferte drei verschiedene optimale Zahnformen: eine für kleine Speisestücke, eine für mittlere und große, eine weitere für besonders große Bissen, die sich in der Rundung und Schärfe der Zahnhöcker unterscheiden.

Die Unterschiede ergeben sich durch die Art des Kontakts: Kleine Speisestücke passen meist vollständig in die Mulde zwischen die Höcker, bei mittelgroßen verteilt sich die Belastung auf Höcker und Mulde. Sehr große Happen haben keinen Platz mehr in der Mulde, weswegen die Höcker in diesem Fall eher stumpf sind, damit das Essen nicht wegrutscht, wie die Forscher schreiben. Isst eine Tierart relativ große Stücke, gibt es demnach recht wenig Formenspielraum bei den Zähnen. Stehen kleinere Stücke auf dem Speiseplan, können mehrere Formen nützlich sein.

Eine optimale Zahnform für relativ große Nahrungsstücke findet man laut den Forschern z.B. beim Borneo-Orang-Utan, der sich gern von recht großen Samen ernährt. Die Forscher vermuten, dass auch die Dicke und die Verteilung des Zahnschmelzes mit der Speisegröße korrelieren könnten - auch dafür wäre der Borneo-Orang-Utan ein gutes Beispiel. Dessen Backenzähne sind nämlich von einer besonders dicken Schmelzschicht ummantelt.

Kräftiger Biss

Für kräftige Zähne ist der Zahnschmelz jedenfalls entscheidend, wie eine weitere neue Studie zeigt. Charles Ziscovici von der George Washington University und sein Kollegen haben dafür den Zahnschmelz von Seeottern unter die Lupe genommen. Die Schicht, die unsere Zähne sowie die anderer Tiere umgibt, ist generell enorm belastbar. Diese Haltbarkeit verdankt sie ihrer kristallinen mineralisierten Struktur. Nur wenn sie mit besonders harten Objekten in Kontakt kommt, splittert sie.

Eine genaue mechanische Analyse der Seeotterzähne ergab, dass deren Schmelz 2,5-mal so stark ist wie der des Menschen. Damit die Zähne des Otters splittern, müsste also mehr als doppelt so viel Kraft einwirken, als dafür bei einem menschlichen Gebiss notwendig wäre. Die Stärke liegt laut den Forschern in der Anordnung der Kristalle. Vergleichbar stark war interessanterweise der Schmelz mancher früher Hominiden, etwa der von Paranthropus boisei, der bis vor ein bis zwei Millionen Jahren in Ostafrika lebte.

Die Erklärung für die enorme Stärke des Schmelzes liegt wiederum in der Art der Nahrung. Hier geht es allerdings nicht um deren Größe, entscheidend ist vermutlich die Beschaffenheit, zumindest gilt das für die Seeotter. Diese ernähren sich nämlich vorzugsweise von hartschaligen Meerestieren, wie Muscheln, Seeigeln oder Krabben.

Warum der kleinwüchsige Hominide Paranthropus boisei einen derart kräftigen Biss gehabt hat, bleibt indes unklar. Bei seiner Entdeckung wurde er zwar "Nussknacker-Mensch" getauft, aufgrund seiner Zähne und des robusten Kiefers. Zu Unrecht, denn mit Nüssen hatte er nichts zu tun. Analyse zeigen vielmehr, dass er mit seinen breiten Zähnen vor allem auf Gräsern herumgekaut hat.

Eva Obermüller, science.ORF.at

Mehr zum Thema: