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Dem Ursprung der Zähne auf der Spur

So könnten die urtümlichen Wirbeltiere mit Kiefern und Zähnen vor rund 409 Millionen Jahren ausgesehen haben. (Bild: Jan Sovak)

Sie dienen dem Kauen, Beißen oder Reißen – Zähne bilden einen buchstäblich festen Bestandteil der Kieferanatomie vieler Wirbeltiere. Wann und wie diese Strukturen in der Evolutionsgeschichte entstanden sind, beleuchtet nun eine Untersuchung fossiler Panzerfische, die zu den frühesten bekannten Wirbeltieren mit Kiefern gehörten. Den Ergebnissen zufolge besaßen schon deren Beißer erstaunlich moderne Merkmale. Die Grundmerkmale unserer Zahnstrukturen wurzeln demnach über 400 Millionen Jahre tief in der Evolutionsgeschichte.

Erste Mehrzeller, komplexe Körperformen, Knochen, Federn… Wann und wie kam es zu den markanten Neuerungen im Lauf der Evolution? Die Ursprünge von Merkmalen der Lebewesen stehen oft im Fokus der Paläontologie – so auch die Frage nach dem Anfang der Evolutionsgeschichte der Zähne. Man geht davon aus, dass die ersten Wirbeltiere kieferlos waren – ähnlich wie heute noch die Schleimaale. Doch dann entstanden Schritt für Schritt die ersten Strukturen, die auch heute noch in unterschiedlichen Ausführungen zu finden sind: mit Zähnen gefüllte Kiefer. Trotz der offensichtlichen Bedeutung für den Erfolg der Wirbeltiere ist die Evolutionsgeschichte der Kieferstrukturen noch immer unklar.

Bekannt ist allerdings: Die Zähne der heutigen Tiere mit Kiefern weisen einige übereinstimmende Grundmuster auf. Sie bestehen aus dem Baustoff Dentin und wachsen normalerweise hinter den alten Zähnen und bewegen sich dann nach außen, um sie zu ersetzen. Beim Menschen wurde dieses Muster so modifiziert, dass sich neue Zähne unterhalb der alten entwickeln. Bei Knochenfischen und den Landwirbeltieren sind die Zähne am Kieferknochen befestigt. Bei den Knorpelfischen, wie den Haien, ist das anders: Bei ihnen sitzen die Zähne in der Haut.

Urtümliche Beißer im Visier

Bei der Untersuchung der evolutionären Ursprünge der Zahnstrukturen konzentrierten sich Forscher bisher auf Fossilien einer Gruppe von urtümlichen Fischen, die vor etwa 430 bis 360 Millionen Jahren lebten: Die Vertreter der Arthrodira galten als die ursprünglichsten Wirbeltiere, von denen Zähne bekannt waren. Bisher hatten Paläontologen allerdings Schwierigkeiten nachzuvollziehen, wie sich die Versionen dieser Panzerfische zu den Zähnen moderner Wirbeltiere entwickelt haben könnten. Denn die Arthrodira-Zähne unterscheiden sich bezüglich der Position und der Art der Zahneinfügung von den Merkmalen der Knochenfische und Haie deutlich. Die Studie des internationalen Forscherteams sollte nun unter anderem der Frage nachgehen, ob es sich bei dieser eigentümlichen Gebissart tatsächlich um den Vorläufer unserer Strukturen handelt oder ob sie nur eine Art Seitenzweig der Entwicklungslinie darstellte, die zu den modernen Versionen führt.

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Konkret stand die Möglichkeit im Raum, dass eine andere, bisher mysteriöse Fischgruppe Zahnstrukturen besaß, die eher ins Bild passen. Dabei handelt es sich um die ebenfalls zu den Panzerfischen zählenden Acanthothoraci, von denen man annimmt, dass sie sogar noch ursprünglicher als die Arthrodira waren und näher zu den allerersten Wirbeltieren mit Kiefern standen. Das Problem waren bisher die mangelnden Untersuchungsmöglichkeiten der mehr als 400 Millionen Jahre alten Fossilien der Acanthothoraci, die aus dem Prager Becken in der Tschechischen Republik bekannt sind. Da sie mit herkömmlichen Techniken nicht ganz aus dem umgebenden Gestein befreit werden konnten, wurden sie bisher nicht im Detail untersucht.

Doch mithilfe der sogenannten Synchrotron-Mikrotomographie war dies nun möglich. Durch die Hochleistungs-Röntgenstrahlen konnten die Forscher die inneren Strukturen der Fossilien dreidimensional darstellen, ohne sie zu beschädigen. „Die Ergebnisse waren wirklich bemerkenswert – es offenbarten sich gut erhaltene Gebisse“, sagt die Hauptautorin der Studie Valéria Vaškaninová von der Universität Uppsala. Die hohen Auflösungen des Bildgebungsverfahrens decken sogar Spuren der Wachstumsmuster und die perfekt erhaltenen Zellräume im Dentin der fossilen Zähne auf.

Eine frühe Entwicklung: Kiefer mit Zähnen

Wie die Forscher berichten, geht aus den Analysen hervor, dass die Zahnstrukturen der Acanthothoraci das Ursprungsmodell darstellen, aus dem die späteren Formen entstanden sind. Ihre Zähne waren an den Kieferknochen befestigt, was darauf hindeutet, dass Knochenfische und Landwirbeltiere dieses Konzept beibehalten haben, während sich bei den Haien ein System mit Befestigung an der Haut entwickelte. Einige Merkmale der Zahnstrukturen der Acanthothoraci unterscheiden sich deutlich von denen der zuvor als ursprünglich vermuteten Arthrodira. Der wichtigste Aspekt ist dabei die Zahnbildung, berichten die Forscher: Wie bei den Haien, Knochenfischen und Landtieren entstanden bei den Acanthothoraci nur auf der Innenseite neue Zähne – die ältesten Zähne befanden sich direkt am Kieferrand. In dieser Hinsicht wirken diese Zahnstrukturen bemerkenswert modern: „Zu unserer Überraschung entsprachen die Zähne perfekt unseren Erwartungen an ein gemeinsames Vorfahrengebiss für knorpelige und knöcherne Wirbeltiere“, erklärt Vaškaninová.

„Diese Ergebnisse verändern unser gesamtes Verständnis der Entstehung von Zähnen“, resümiert Co-Autor Per Ahlberg von der Universität Uppsala. „Auch wenn die Acanthothoraci zu den primitivsten aller Wirbeltiere mit Kiefern gehören, ähneln ihre Zähne in gewisser Weise eher den modernen Versionen als die der Arthrodira“. Dem Paläontologen zufolge bedeutet das: „Wenn Sie morgens vor dem Badezimmerspiegel grinsen, sehen Sie Strukturen, deren Ursprung bis zu den ersten Wirbeltieren mit Kiefern zurückgeht“, sagt Ahlberg abschließend.

Quelle: Universität Uppsala, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.aaz9431

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