Ein internationales Forschungsteam hat mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern das Geheimnis der spiralförmigen Narwalzähne entschlüsselt. Die bis zu drei Meter langen Stoßzähne der arktischen Wale wachsen aus entgegengesetzten molekularen Kräften in eine exakte Rechts- beziehungsweise Linkshirsch-Spiralstruktur, was für extreme Biegesteifigkeit sorgt.
Narwale gehören zu den faszinierendsten Meeresbewohnern der Arktis und tragen den Beinamen Einhörner der Meere. Ihre auffälligsten Merkmale sind bis zu drei Meter lange, gerade Stoßzähne, die in der Vergangenheit während des Mittelalters und der Renaissance als angebliche Hornspitzen von Einhörnern gehandelt wurden. Der dänisch-norwegische König Frederik III. ließ sich einst aus diesem Material einen Krönungsthron als Zeichen seiner Macht fertigen, wie aus naturkundlichen Berichten hervorgeht. Doch wie der sogenannte linke Eckzahn von männlichen Narwalen durch Kiefer und Oberlippe wächst und dabei seine unverwechselbare, pfeilgerade Helix-Form ausbildet, gab der Wissenschaft lange Zeit Rätsel auf.
Einzigartige Biomechanik und Tensor-Tomographie im Einsatz
Die Tiere verbringen den Großteil ihres Lebens verborgen unter dem arktischen Eis, was Feldstudien und Materialanalysen extrem erschwert. Um dem Phänomen auf die Spur zu kommen, setzte ein großes internationales Forscherteam moderne 3D-Röntgentechnologien ein, darunter drei europäische Teilchenbeschleuniger beziehungsweise Synchrotrons, wie in Berichten aus Paris beschrieben wird. Mithilfe der Methode der Tensor-Tomographie durchleuchteten die Wissenschaftler den Zahn Punkt für Punkt.
Die Stoßzähne bestehen im Kern aus Dentin, das außen von einer dünneren Zementschicht umgeben ist. Beide Gewebearten enthalten winzige Mineralristalle und Kollagenfasern, die als innere Verstärkung dienen. Da die Bausteine auf der Nanometerskala liegen, die sichtbare Spirale sich jedoch im Zentimeter- und Meterbereich erstreckt, stand das Team vor einer enormen Herausforderung. Zunächst zeigten die Scandaten jedoch keine erwartete Helixstruktur der Nanofasern. Das hat uns ziemlich gewundert, erklärte die Co-Autorin Marianne Liebi. Erst als die Forscher die räumliche Ausrichtung der Punkte zueinander verglichen, zeichnete sich ein linearer Trend ab, mit dem sich die Struktur wie in einem Malen-nach-Zahlen-Buch entschlüsseln ließ.
Gegenläufige Spiralen als Stabilitätsgeheimnis
Die Auswertung ergab, dass die beiden Zahngewebe gegeneinander arbeiten. Die äußere Zementschicht formt eine linkshändige Helix, während die mineralisierten Kollagenstrukturen im Zahninneren exakt in die entgegengesetzte Richtung spiralisiert sind. Nach Angaben der beteiligten Wissenschaftler erzeugt dieses Zusammenspiel zweier entgegengesetzter Kräfte die exakte, pfeilgerade Form des Zahns. Chemiker Henrik Birkedal von der Universität Aarhus verglich den Vorgang gegenüber Medien mit einer Schraube, die sich tief in ein Holzstück bohrt – nur dass hier der Zahn aus dem Kopf des Wals herausgeschoben wird. Diese doppelte Spiralarchitektur verleiht der Struktur eine außergewöhnliche Biege- und Torsionssteifigkeit, ähnlich wie man es von spiralförmigen Verstärkungen bei Tiefsee-Glasschwämmen kennt.
Wie Knochen oder andere Zähne im Tierreich ist der Narwalzahn ein komplexer Verbundwerkstoff, dessen Struktur von winzigen nanoskaligen Bausteinen bis zur sichtbaren Form des gesamten Zahns reicht. Marianne Liebi, Co-Autorin der Studie
Zweifel am Hauptzweck und offene Fragen
Im Inneren der Stoßzähne entdeckten die Forscher zudem Wachstumsringe, die an Baumringe erinnern und Rückschlüsse auf das bis zu 80 Jahre währende Leben der Tiere erlauben. Für die Untersuchung griffen die Forscher auf Museumsexemplare sowie auf Stoßzähne zurück, die von der indigene Bevölkerung Grönlands gesammelt worden waren, die Narwale als Nahrungsquelle jagt.
Ungeachtet der geklärten Mikroarchitektur bleibt der genaue biologische Zweck des Stoßzahns umstritten. Während einige Hypothesen von Jagdhelfern oder Sensoren für Temperatur und Salzgehalt ausgehen, halten die Studienautoren diese Erklärungen für unwahrscheinlich, da fast ausschließlich männliche Narwale den Zahn ausbilden. Stattdessen deuten Beobachtungen von ritualisierten Kräftemessen vor Weibchen darauf hin, dass die Zähne primär der Dominanz und Partnerwerbung dienen. Der dentalanthropologische Experte Martin Nweeia von der Harvard University widerspricht dieser Einordnung und plädiert in früheren Arbeiten weiterhin für eine Hauptfunktion als Sinnesorgan, während er die aktuelle Studie dennoch als wertvollen Beitrag zur Mikromorphologie würdigte.
