Ein Narwalzahn wird über zwei Meter lang – warum er trotzdem jahrzehntelang enormen Kräften standhält

Ein Zahn, der mehr als zwei Meter lang werden kann, müsste unter Belastung leicht brechen oder sich verbiegen. Beim Narwal wächst der Stoßzahn trotzdem fast schnurgerade aus dem Kopf und bleibt über Jahrzehnte erhalten. Das Geheimnis steckt offenbar tief in seinem Material. Der Narwalzahn besteht aus Strukturen, die sich in entgegengesetzte Richtungen winden. Diese besondere Architektur könnte ihm helfen, Biegung und Verdrehung auszuhalten.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Paul Scherrer Instituts (PSI) hat den ungewöhnlichen Aufbau nun dreidimensional untersucht. Im Fachjournal Nature Communications beschreiben die Wissenschaftler zwei gegensinnig verlaufende Helices aus mineralisiertem Kollagen. Außen folgt die Struktur einer linksgängigen Spirale, im darunterliegenden Dentin dreht sie sich nach rechts. Die Doppelhelix dürfte zu den mechanischen Eigenschaften des Zahns beitragen. Als alleinige Ursache seiner Stabilität wurde sie jedoch nicht isoliert getestet.

Im Narwalzahn drehen sich zwei Spiralen gegeneinander

Der auffällige Stoßzahn ist kein Horn, sondern meist der linke obere Eckzahn männlicher Narwale. Er wächst durch die Oberlippe und kann mehr als zwei Meter lang werden. Trotz dieser Länge bleibt er nahezu gerade. Seine Oberfläche windet sich immer nach links. Selbst bei den seltenen Tieren, bei denen auch der rechte Zahn auswächst, besitzt dieser dieselbe Drehrichtung. Narwale können mehr als 80 Jahre alt werden, der Stoßzahn wächst während ihres Lebens weiter.

Im Inneren besteht er überwiegend aus Dentin. Darüber liegt eine dünnere Schicht Zahnzement. Beide Gewebe enthalten Kollagenfasern, die mit winzigen Kristallen aus Hydroxylapatit verstärkt sind. „Auch der Narwalstoßzahn muss gleichzeitig hart und flexibel sein“, erklärt PSI-Forscherin Marianne Liebi. Im Zahnzement verlaufen diese mineralisierten Strukturen linksgängig. Im Dentin bilden sie dagegen eine rechtsgängige Helix. An der Grenze der beiden Gewebe liegt ihre Ausrichtung zunächst nahezu parallel zur Zahnachse. Richtung Innen- beziehungsweise Außenseite steigt der Winkel auf rund 60 Grad.

Geteilt windet sich der Stoßzahn um mehr als 200 Grad

Wie viel Spannung im Material steckt, wird beim Aufschneiden sichtbar. Wird der Narwalstoßzahn der Länge nach geteilt, beginnen sich die beiden Hälften zu verdrehen. Gemessen wurden Drehungen von mehr als 180 Grad. Bei längeren untersuchten Exemplaren waren es sogar mehr als 200 Grad. Die Bewegung verlief stets nach links. Offenbar lösen sich dabei Spannungen, die zuvor im Zahn gespeichert waren.

Auch Biegetests offenbarten große Unterschiede je nach Belastungsrichtung. Längs zur Zahnachse erreichte das Dentin einen mittleren Elastizitätsmodul von 17,6 Gigapascal. Quer dazu waren es lediglich 10,8 Gigapascal. Das Material ist entlang der Zahnachse damit deutlich steifer. Auch Brüche verliefen unterschiedlich: Bei quer belasteten Proben breiteten sich Risse vergleichsweise geradlinig aus. In Längsrichtung wurden sie stärker abgelenkt. Solche Umwege können verhindern, dass ein Riss ungebremst durch das Material läuft.

Röntgenlicht legt die verborgene Doppelhelix frei

Um den Aufbau sichtbar zu machen, kombinierten die Forscher Computertomografie mit mehreren hochauflösenden Röntgenverfahren. Dazu gehörte die sogenannte Tensor-Tomografie. Sie macht nicht nur einzelne Strukturen sichtbar, sondern erfasst auch ihre räumliche Orientierung. Erst dadurch ließ sich erkennen, welche Richtung die mineralisierten Kollagenfasern im Zahn tatsächlich einschlagen. „Plötzlich wurde die Struktur sichtbar: zwei ineinander verschlungene Spiralen“, beschreibt Erstautor Adrian Rodriguez-Palomo die Beobachtung.

Die detaillierten Strukturuntersuchungen beruhten vor allem auf Stoßzähnen von zwei männlichen Narwalen aus Grönland. Für weitere Formmessungen analysierte das Team zusätzlich sechs längs geteilte Stoßzähne aus einer Sammlung des Greenland Institute of Natural Resources. Die Proben stammten aus der Subsistenzjagd grönländischer Inuit. Mit den verschiedenen Messmethoden konnten die Wissenschaftler den Zahn über mehrere Größenskalen untersuchen – von seiner gesamten Form bis zu den mineralisierten Kollagenstrukturen im Inneren.

Selbst die Jahresringe verändern den Narwalzahn

Im Dentin lagern sich zudem jährliche Wachstumsschichten ab. Auch sie hinterlassen Spuren im Material. Übliche Hydroxylapatit-Kristalle waren etwa 32 bis 37 Nanometer lang und fünf bis acht Nanometer breit. In bestimmten Wachstumsbändern erreichten sie dagegen bis zu 45 Nanometer Länge und elf Nanometer Breite. Das entspricht einer Zunahme um rund 21 Prozent bei der Länge und 38 Prozent bei der Breite.

Die wechselnden Wachstumsschichten unterbrechen die übergeordnete Spiralarchitektur nicht. Wie sich die gegenläufigen Helices während des Wachstums bilden, können die Forscher bislang nicht vollständig erklären. Die Messungen belegen jedoch, dass Dentin und Zahnzement unterschiedlichen Drehrichtungen folgen und zugleich mechanisch eng miteinander verbunden bleiben.

Kurz zusammengefasst:

• Der Narwalzahn enthält zwei gegenläufige Spiralstrukturen: Im äußeren Zahnzement verlaufen sie links-, im Dentin rechtsgängig.
• Diese besondere Doppelhelix dürfte dazu beitragen, dass der mehr als zwei Meter lange Stoßzahn Biegung und Verdrehung über Jahrzehnte aushält.
• Wie die gegenläufigen Spiralen während des Wachstums entstehen, ist noch ungeklärt; ihr Aufbau und die stark richtungsabhängigen Materialeigenschaften sind jedoch klar belegt.

Übrigens: Während Narwale mit ihrem außergewöhnlichen Stoßzahn faszinieren, verschwinden andere Tiere zunehmend aus ihren Lebensräumen: In Berlin gingen untersuchte Amphibienbestände seit 1981 im Mittel um 76 Prozent zurück. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Carsten Egevang/ Greenland Institute of Natural Resources, Nordwest-Grönland (2021)