Partikel aus kristallinem Quarz schleifen Zähne ab

Der Zahnverschleiß mit Mustern winzigster Spuren auf abgenutzten Zahnoberflächen hilft Wissenschaftlern, die Ernährungsweise fossiler Säugetiere, einschließlich unserer menschlichen Vorfahren, besser zu verstehen. Mithilfe der Nanoforschung konnte ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig jetzt einige der Gründe für den Zahnverschleiß aufdecken.

Die Forscher fanden heraus, dass Quarz-Staub hauptverantwortlich für die Abnutzung von Zahnschmelz ist. In pflanzlichen Nahrungsstoffen enthaltene Silica-Phytolithe hingegen verursachen zwar einen Abrieb am Zahnschmelz, verschleißen dessen Oberfläche aber nur geringfügig. Den neuen Ergebnissen zufolge müssen Wissenschaftler neu überdenken, was Zahnverschleiß tatsächlich über die Ernährungsgewohnheiten von Säugetieren verraten kann.

Weiterhin zeigen die Analysen, dass sich Umweltfaktoren wie Dürren und Staubstürme stark auf die Lebensdauer der Zähne auswirken. Die ostafrikanischen Homininen könnten dabei ganz besonders unter Staubstürmen und Partikeln gelitten haben, die von der Arabischen Halbinsel nach Afrika getragen wurden.

Die Forschungsergebnisse der Leipziger Forscher zeigen: Hauptursache für den physischen Verschleiß der Zähne von Säugetieren sind extrem harte Partikel aus kristallinem Quarz, die in vielen Teilen der Welt im Boden vorkommen. Um dies nachzuweisen, trugen die Forscher einzelne Partikel auf abgeflachte Titaniumstäbe auf und strichen damit über flache Zahnschmelz-Oberflächen, wobei sie die Krafteinwirkung dokumentierten. Quarzpartikel schürften bereits bei extrem geringer Krafteinwirkung Teile des Zahnschmelzes ab, wenn sie in hoher Zahl vorkamen. Bereits durch ein einmaliges Zubeißen können diese Partikel einen Großteil der Zahnoberfläche abschleifen.

Im Gegensatz dazu verursachen versteinerte Überreste von Pflanzen, sogenannte Phytolithe, unter denselben Bedingungen zwar winzige Einkerbungen, es wurde jedoch kein Gewebe abgetragen. Der Effekt der wesentlich weicheren Phytolithe ähnelt dem eines Fingernagels, der Druck auf eine Tischplatte aus Weichholz ausübt. Diese Art Markierung bzw. Abrieb ist sichtbar, ist aber rein kosmetischer Natur. Amanda Henry vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie stellte Phytolithe, für die Studie zur Verfügung und wirkte bei der Interpretation der Untersuchungsergebnisse mit: „Diese Studie zeigt, dass Phytolithe sich auf den Verschleiß der Zähne auswirken, jedoch auf eine andere Art und Weise als bisher angenommen.“

Eine von Tony Atkins von der University of Reading in Großbritannien neu entwickelte Theorie zum Zahnverschleiß beschreibt genau, welche geometrischen und materiellen Voraussetzungen vorhanden sein müssen, um ein Abschürfen einerseits bzw. einen Abrieb andererseits zu verursachen. „Bisher war die entscheidende Bedeutung der Bruchfestigkeit nicht in Verschleißanalysen eingeflossen“, sagt Atkins. Der Leiter der Studie, Peter Lucas von der Kuwait University, ergänzt: „Wir sind bei der Verschleißanalyse sehr viel weiter gekommen als frühere Studien, weil wir erkannt haben, dass wir „kleiner“ denken müssen: im Nanomaßstab. Nur dann ist der Unterschied zwischen einem relativ harmlosen Abrieb und den Partikel-Kontakten, bei denen Zahngewebe abgeschürft wird, deutlich erkennbar.“ Die Wissenschaftler konnten mithilfe der Nanoanalysen zwischen solchen Markierungen unterscheiden, die durch Quarz-Staub, Pflanzen-Phytolithe oder durch Reibung von winzigen Emaille-Fragmenten gegen größere Emaille-Stücke entstanden sind.

Originalpublikation:
Lucas PW, Omar R, Al-Fadhalah K, Almusallam AS, Henry AG, Michael S, Arockia Thai L, Watzke J, Strait DS & Atkins AG.
Mechanisms and causes of wear in tooth enamel: implications for hominin diets
Journal of the Royal Society Interface, veröffentlicht online am 9. Januar 2013
Ansprechpartner:
Dr. Amanda Henry
Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie, Leipzig
Telefon: +49 341 3550-381
E-Mail: amanda_henry@­eva.mpg.de
Prof. Peter W. Lucas
Faculty of Dentistry
Kuwait University
Telefon: +96 56 071-8665
E-Mail: peter.l@­hsc.edu.kw