Eine Narwal-Geschichte mit unerwarteter Wendung
Bis zu zwei Meter lang und in einer perfekten Spirale gewunden: Der Stosszahn des Narwals gehört zu den ungewöhnlichsten Strukturen im Tierreich. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Paul Scherrer Instituts PSI hat nun erstmals entschlüsselt, wie diese Helix im Inneren des Zahns angelegt ist – mit überraschender Wendung. Denn der nanometergrosse Aufbau dieser Spirale dreht sich nicht nur in eine, sondern in zwei entgegengesetzte Richtungen.
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. Denn die mythische Kreatur lebt dort in arktischen Gewässern und besitzt keine Hufe, sondern Flossen. 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 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.
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.
Ein Zahn 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 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 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.
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 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.
Mit «Malen nach Zahlen» zu den Spiralen
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 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», 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.
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 Marianne 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 quasi 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», erinnert sich 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 sogenannte 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 – und damit sogar einem alten Mythos eine überraschende Wendung bescheren.
Die Studie wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Programms unterstützt. Sie ist Teil des von NordForsk geförderten Forschungsprojekts «Narwhal tusks – a tale with a twist». 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.