Krebsen auf den Zahn gefühlt

Manche besonders gelungenen Entwicklungen kopiert die Natur bei sich selbst. So hat ein Team aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für

Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der Ben-Gurion Universität im israelischen Beer-Sheva herausgefunden, dass die Zähne des australischen Flusskrebses Cherax quadricarinatus mit einem Schmelz überzogen sind, der dem Zahnschmelz von Wirbeltieren in verblüffender Weise ähnelt: Beide Materialien bestehen aus Kalziumphosphat und stimmen auch in ihrer Mikrostruktur weitgehend überein.

Offenbar hat sich diese besonders harte Substanz bei den Flusskrebsen unabhängig von den Wirbeltieren entwickelt, weil sie die Zähne besonders robust macht.

In punkto Härte setzt der Zahnschmelz Maßstäbe – kein anderes biologisches Material kann da mithalten. Die Härte und Festigkeit verdankt die äußere Schicht der Zahnkrone des Menschen und anderer Wirbeltiere winzigen Kristallen aus Kalziumphosphat, das auch Knochen sprichwörtlich beinhart macht. Und weil der Zahnschmelz dank seiner Zusammensetzung und Struktur besonders beißfest ist, hat die Evolution auch bei Flusskrebsen eine stark mineralisierte Schutzschicht für die Kiefer hervorgebracht, die dem Schmelz der Wirbeltiere sehr ähnelt. Das haben Barbara Aichmayer und ihre Kollegen des Max-Planck-Instituts in Potsdam in Kooperation mit Amir Berman und Amir Sagi von der Ben-Gurion Universität in Beer-Sheva jetzt herausgefunden. „Wir gehen davon aus, dass im Laufe der Evolution sowohl Wirbeltiere als auch Flusskrebse unabhängig voneinander zahnschmelzartige Strukturen entwickelt haben“, so Barbara Aichmayer, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung und Leiterin der Studie. „Diese erstaunlichen Materialien sind eine optimale Antwort auf die ähnlichen Anforderungen an die Kauwerkzeuge.“

Der Zahnschmelz der Flusskrebse ist von Natur aus stark fluoridiert

Die Kiefer der Flusskrebse sind Teil des Panzers, der wie bei anderen Krustentieren im Wesentlichen aus einem Netz von Chitinfasern besteht. Gehärtet wird die Schale vor allem durch ungeordnetes Kalziumkarbonat, das von Wissenschaftlern als amorph bezeichnet wird. In den Kiefern von Flusskrebsen ist das weichere Verbundmaterial aus Chitin und amorphem Kalziumkarbonat jedoch mit einer dünnen Schicht überzogen, die sich wie der menschliche Zahnschmelz hauptsächlich aus Kalziumphosphat zusammensetzt. „Das ist bemerkenswert, weil sich der Bestandteil Kalziumphosphat im Exoskelett von wirbellosen Tieren ausgesprochen selten findet“, sagt Barbara Aichmayer.
Auch die längliche Form der Kristalle und ihre Anordnung senkrecht zur Zahnoberfläche stimmen mit der Struktur des menschlichen Zahnschmelzes weitgehend überein. Daraus ergeben sich ähnliche mechanische Eigenschaften. Die Struktur macht das Material extrem hart und gleichzeitig sehr widerstandfähig gegen das Ausbreiten von Rissen. So ist der Zahn optimal vor Zerstörung geschützt.

In einem Aspekt unterscheiden sich Flusskrebszähne jedoch von den Zähnen von Wirbeltieren: Ihr Zahnschmelz enthält einen hohen Fluoridanteil, wodurch er schwerer wasserlöslich wird, und das ganz ohne Einnahme von Fluoridtabletten. Im Süßwasser, dem Lebensraum der Flusskrebse, ist das besonders wichtig, weil sich kalziumhaltige Minerale dort leichter auflösen als in Salzwasser.

Flusskrebse erneuern ihren Zahnschmelz zu geringen metabolischen Kosten

Bei menschlichen Zähnen bestehen sowohl die harte Zahnschmelzkrone als auch das darunterliegende weichere Dentin aus Kalziumphosphatkristallen. „Flusskrebse gehen hingegen mit dem Kalziumphosphat, dessen Herstellung für sie metabolisch viel aufwendiger ist als der Aufbau des übrigen Panzers, sehr sparsam um“, sagt Barbara Aichmayer. Denn Flusskrebse erneuern immer wieder ihren Panzer, wenn sie wachsen. Das amorphe Kalziumkarbonat, das sie in das Chitingerüst einlagern, lösen sie dabei heraus und verwerten es in der neuen Schale wieder. Mit dem kristallinen Kalziumphosphat auf ihren Kiefern ist das nicht möglich. Ihren kostbaren Zahnschmelz stoßen sie mit dem restlichen Panzer ab und bauen ihn komplett neu auf. Damit sind Flusskrebse uns allerdings auch in einem Punkt entscheidend voraus: Sie erneuern ihre Zähne zu geringen metabolischen Kosten immer wieder, während sich unser Zahnschmelz trotz seiner Härte allmählich verbraucht, und zwar unwiederbringlich.

Ansprechpartner

Dr. Barbara Aichmayer
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Telefon: +49 331 567-9463
Fax: +49 331 567-9402
Email: barbara.aichmayer@­mpikg.mpg.de
Prof. Dr. Peter Fratzl
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Telefon: +49 331 567-9401
Fax: +49 331 567-9402
Email: gabbe@­mpikg.mpg.de
Katja Schulze
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Telefon: +49 331 567-9203
Fax: +49 331 567-9202
Email: katja.schulze@­mpikg.mpg.de
Originalveröffentlichung
Shmuel Bentov, Paul Zaslansky, Ali Al-Sawalmih, Admir Masic, Peter Fratzl, Amir Sagi, Amir Berman und Barbara Aichmayer
Enamel-like apatite crown covering amorphous mineral in a crayfish mandible
Nature Communications, 15. Mai 2012; DOI: 10.1038/ncomms1839