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Weiteres Rätsel des fabelhaften Narwalstoßzahns entschlüsselt
Der Stoßzahn des Narwals wächst fast gerade aus dem Schädel, während seine Oberfläche eine auffällige linkshändige Windung trägt. Dreidimensionale Röntgenanalysen zeigen nun, dass mineralisierte Kollagenfibrillen im Zahn zwei gegenläufige Helices bilden. Diese verschränkte Architektur könnte erklären, wie der Zahn seine charakteristische Form mit hoher mechanischer Belastbarkeit verbindet.
Villigen (Schweiz). Der Stoßzahn männlicher Narwale kann mehr als zwei Meter lang werden, ist in Wirklichkeit meist der linke obere Eckzahn und wächst ein Leben lang weiter. Innen besteht er vor allem aus Dentin, während außen eine dünnere Schicht Zahnzement liegt. Welche innere Materialarchitektur die ungewöhnliche Verbindung aus nahezu geradem Wachstum und sichtbarer Windung ermöglicht, war trotz früherer Untersuchungen nicht vollständig geklärt.
Frühere Arbeiten hatten bereits Hinweise auf gegenläufig orientierte Strukturen in Dentin und Zahnzement geliefert, konnten deren Verbindung zur Nanostruktur aber nicht dreidimensional nachweisen. Forscher der Aarhus University (AU) um Prof. Henrik Birkedal, den Korrespondenzautor der Studie, haben nun untersucht, wie sich die mineralisierten Kollagenfibrillen vom Nano- bis zum makroskopischen Maßstab anordnen.
Das Team kombinierte Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS), Röntgenbeugung, Doppelbrechungsmikroskopie, mechanische Biegeversuche und vor allem SAXS-Tensortomografie. Die untersuchten Proben stammten von zwei männlichen Narwalen. Für die Röntgenmessungen nutzten die Forscher drei europäische Synchrotronanlagen. Die Tensortomografie führt zahlreiche Streubilder aus unterschiedlichen Blickrichtungen zusammen und rekonstruiert daraus die dreidimensionale Orientierung der mineralisierten Kollagenfibrillen.
„Aus diesen Mustern können wir berechnen, wie die nanometergroßen mineralisierten Kollagenfasern im Material ausgerichtet sind“, erklärt Erstautor Dr. Adrian Rodriguez-Palomo von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF).
Die Daten zeigen, dass die Fibrillen überwiegend entlang der Längsachse des Zahns ausgerichtet sind, zugleich aber kleine und systematische Winkelabweichungen aufweisen. Dadurch entstehen zwei Helices mit entgegengesetzter Händigkeit, also entgegengesetzter Drehrichtung. Im äußeren Zahnzement folgt die Struktur einer linkshändigen Helix, während sie im inneren Dentin rechtshändig verläuft.
„Alles, was wir dann tun mussten, war, die Punkte zu verbinden, wie bei einem Malen-nach-Zahlen-Set für Kinder, und plötzlich wurde die Struktur sichtbar: zwei ineinander verschlungene Spiralen“, sagt Dr. Adrian Rodriguez-Palomo.
Damit bestätigt die Studie dreidimensional eine gegenläufige Struktur, die ältere Untersuchungen anhand demineralisierter Schnitte und mikroskopischer Beobachtungen bereits abgeleitet hatten. Neu ist vor allem die direkte strukturelle Verbindung der mineralisierten Kollagenbausteine über mehrere Größenordnungen bis hin zur sichtbaren Windung des gesamten Zahns.
Die beiden Helices treffen an der Grenze zwischen Dentin und Zahnzement aufeinander. Nach Interpretation der Autoren könnten die gegenläufigen Motive dazu beitragen, dass der Zahn trotz seiner äußeren Windung weitgehend gerade wächst. Auch die mechanischen Biegeversuche zeigen eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Materialeigenschaften, die zur stark anisotropen inneren Struktur passt.
Die Messungen belegen allerdings nicht, wie der lebende Zahn diese Architektur während seiner Entwicklung erzeugt. Weitere Untersuchungen müssen deshalb klären, welche Wachstumsprozesse die beiden entgegengesetzt orientierten Helices hervorbringen und dauerhaft aufrechterhalten.