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Wie sich die ersten Stoßzähne entwickelten

Dicynodon
Rekonstruktion des Urstoßzahnträgers Dicynodon. (Bild: Marlene Hill Donnelly)

Ob Elefanten, Walrösser oder Warzenschweine – Stoßzähne haben sich unabhängig voneinander bei verschiedenen heute lebenden Tierarten entwickelt – allerdings ausschließlich bei Säugetieren. Aber warum? Das haben Forscher nun mit Hilfe von Fossilien von urzeitlichen Verwandten der Säugetiere geklärt, einer Tiergruppe namens Dicynodontia. Demnach waren Voraussetzungen für die Entstehung der Stoßzähne, dass Zahnwechsel selten wurden, die Verbindung zwischen Zähnen und Kiefer aus Weichgewebe bestand und die Zähne ein Leben lang wuchsen – Merkmale, die sich heute nur bei Säugetieren finden.

Stoßzähne erfüllen für heute lebende Tiere ganz unterschiedliche Funktionen: Sie dienen zur Verteidigung gegen Feinde, als Werkzeug zum Graben, können potenzielle Geschlechtspartner beeindrucken und manchmal sogar bei der Fortbewegung helfen, etwa bei Walrössern, die sich mit ihren Stoßzähnen aus dem Wasser an Land ziehen. Wie sich allerdings die Stoßzähne bei verschiedenen Tierarten unabhängig voneinander entwickelt haben, welche Voraussetzungen dafür erfüllt sein mussten und warum Stoßzähne nur bei Säugetieren vorkommen, war allerdings bislang unklar.

Urzeitliche Stoßzahnträger

Ein Team um Megan Whitney von der Harvard University in Cambridge hat nun die evolutionären Ursprünge der Stoßzähne ergründet. „Dafür mussten wir zunächst den Begriff Stoßzahn definieren, da er überraschend mehrdeutig ist“, sagt Whitney. Nach ihrer Definition handelt es sich nur dann um einen echten Stoßzahn, wenn er aus dem Maul hervorragt, ein Leben lang wächst und nur aus Dentin besteht, also nicht mit Zahnschmelz überzogen ist. Der letzte Punkt unterscheidet Stoßzähne beispielsweise von den Schneidezähnen der Nagetiere, die ebenfalls lebenslang nachwachsen, aber auf der Vorderseite mit Zahnschmelz überzogen sind.

Als Untersuchungsobjekt wählten die Forscher die ältesten bekannten Tiere, bei denen stoßzahnartige Strukturen identifiziert wurden: Dicynodontia. Dicynodontia lebten vor 270 bis 201 Millionen Jahren, entstanden also noch vor den Dinosauriern. Die Gruppe umfasste eine Vielzahl von Arten, die teils nur so groß waren wie eine Ratte, teils die Ausmaße eines Elefanten erreichten. Sie waren zwar selbst keine Säugetiere, sind aber mit den heutigen Säugetieren näher verwandt als Dinosaurier und andere Reptilien. Ihren Namen erhielten die Dicynodontia („Zwei-Eckzähner“) aufgrund eines außergewöhnlichen Merkmals: Aus dem schnabelähnlichen Maul der meisten Vertreter ragten von oben zwei lange, stoßzahnartige Eckzähne hervor.

Nicht alle Stoßzähne waren „echt“

Whitney und ihre Kollegen untersuchten die fossilen Zähne von 19 Dicynodontia-Exemplaren aus Südafrika, Sambia, Tansania und der Antarktis, die zehn verschiedene Arten repräsentierten. Mit Hilfe von Mikro-Computertomografie analysierten sie zum einen, wie die Zähne am Kiefer befestigt waren und ob es Anzeichen für kontinuierliches Wachstum gab. Zum anderen untersuchten sie hauchdünne Scheiben der Zähne auf ihre Zusammensetzung.

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Dabei stellten sie fest, dass nicht alle untersuchten Zähne echte Stoßzähne waren. „Obwohl die Dicynodontia-Eckzähne morphologisch ähnlich aussehen, waren nicht alle von ihnen Stoßzähne im Sinne unserer Definition“, berichten die Forscher. So war bei einigen Exemplaren der Zahn mit dem Kiefer verwachsen. Ein kontinuierliches Wachstum des Zahns ist jedoch nur möglich, wenn Zahn und Kiefer lediglich durch Bindegewebe miteinander verbunden sind. Bei anderen Exemplaren waren die Zähne mit Zahnschmelz überzogen – was die Zähne widerstandsfähiger macht, aber ebenfalls der Erneuerung entgegensteht, da Zahnschmelz anders als Dentin nicht regeneriert werden kann. „Schmelzüberzogene Zähne sind eine andere evolutionäre Strategie als dentinüberzogene Stoßzähne“, erklärt Whitney.

Einzigartige Kombination

Erst bei evolutionär jüngeren Spezies der Dicynodontia entdeckten die Forscher echte Stoßzähne. Diese haben sich offenbar bei mehreren Arten unabhängig voneinander entwickelt. Damit einher ging, dass die Dicynodontia offenbar die Anzahl der Zahnwechsel reduzierten – im Unterschied zu anderen damaligen und heutigen Reptilien, die ihre Zähne regelmäßig wechseln. „Weniger Zahnwechsel erhöhten den Selektionsdruck, einen haltbareren Zahn zu entwickeln“, erläutern die Forscher. „Eine Weichgewebeverbindung zwischen Zahn und Kiefer ermöglichte ein ständiges Wachstum des Zahns.“

Diese Kombination, die heute einzigartig für Säugetiere ist, schuf die Grundlage für die Entwicklung von Stoßzähnen. „Dies könnte erklären, warum moderne Säugetiere einzigartig und wiederholt Stoßzähne erworben haben“, so die Forscher. „Unsere Studie zeigt, dass Dicynodontia Millionen von Jahren vor der Evolution der ersten Säugetiere Stoßzähne entwickelt haben, und zwar wahrscheinlich auf ähnlichen evolutionären Wegen und möglicherweise als Reaktion auf einen ähnlichen Selektionsdruck.“

Quelle: Megan Whitney (Harvard University, Cambridge) et al., Proceedings of the Royal Society B, doi: 10.1098/rspb.2021.1670

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