Haifischzähne haben besonderen Zahnschmelz

Haifischzähne müssen während ihrer kurzen Verweildauer auf den Punkt funktionieren: Der Port-Jackson-Stierkopfhai ernährt sich von harten Beutetieren wie Seeigeln und Muscheln. Seine Zähne müssen kontinuierlich hoher mechanischer Beanspruchung standhalten. Dies gewährleistet die besondere Struktur des Zahnschmelzes.

„Die Besonderheit besteht darin, dass die innere Zahnschmelzschicht für Stabilität sorgt, während die äußere sukzessive absplittert. Dadurch behält der Zahn seine Funktion“, sagt Studienleiter Dr. Shahrouz Amini. Er entwickelt auf Basis dieser Erkenntnisse neue Designparadigmen für funktionalisierte Werkstoffe mit Außenbeschichtungen, die beschädigt und ersetzt werden können, ohne die Leistung einzuschränken.

Der Zahnschmelz bildet bei allen Wirbeltieren das härteste Gewebe, da er eine starke mechanische Leistung vollbringen und trotzdem jahrzehntelang intakt bleiben muss. Anders bei Port-Jackson-Stierkopfhaien, deren Gebiss sich regelmäßig erneuert.

„Spannend ist, dass sich jegliche Zähne in ihrem Gesamtaufbau, je nach Funktion, unterscheiden, sich aber in ihrer Mineralzusammensetzung ähneln“, sagt Peter Fratzl, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung.

So weisen die Zahnhöcker von Port Jackson-Haien, hartschaligen Beutegreifern, eine ungewöhnliche Mikroarchitektur auf, die die Zahnerosion so steuert, dass die funktionelle Höckerform erhalten bleibt. Die abgestufte Architektur im Zahnschmelz provoziert eine ortsspezifische Schadensreaktion, die das Absplittern des äußeren Zahnschmelzes und die gleichmäßige Abnutzung des inneren Zahnschmelzes vereint, dass eine effiziente Form zum Greifen harter Beute entsteht.

Apatit ist ein von Natur aus hartes, aber recht sprödes Material. Der Unterschied zwischen Zähnen anderer Wirbeltiere und beispielsweise Port-Jackson-Stierkopfhaien besteht im ungewöhnlich abgestuften Aufbau der äußeren Zahnschmelzschicht. Die Zähne nutzen sich zwar ab und werden geschädigt, aber ihre Funktion bleibt bis zu dem Zeitpunkt, wenn sie ausfallen, bestehen.

„Anders ausgedrückt, wird ein Teil des Zahnmaterials für die Aufrechterhaltung der Funktionalität geopfert“, sagt Amini. 

Amini, S., Razi, H., Seidel, R. et al. Shape-preserving erosion controlled by the graded microarchitecture of shark tooth enameloid. Nat Commun 11, 5971 (2020). doi.org/10.1038/s41467-020-19739-0