Wissenschaftler lüften das Geheimnis der Seeotter! Warum werden die Zähne von Seeottern durch das Fressen nicht beschädigt?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Su Chengyu (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Seeigel sind Stachelhäuter, die mit harten Stacheln bedeckt sind. Angesichts ihres widerstandsfähigen Panzers geht man davon aus, dass kein Raubtier in der Wildnis es wagen würde, sie anzufassen. Was die Leute kaum wissen: Die niedlichen Seeotter haben überhaupt keine Angst. Dies ist eines ihrer Grundnahrungsmittel und es schmeckt sehr lecker.

Seeotter frisst Seeigel

(Bildquelle: noaa)

Die Stacheln oder das Exoskelett von Seeigeln bestehen hauptsächlich aus Kalziumkarbonat, normalerweise in Form von Aragonit. Aragonit ist eine kristalline Form von Calciumcarbonat (CaCO₃), das sich von Calcit unterscheidet und zwei verschiedene Kristallstrukturen aufweist. Aragonit hat eine Mohshärte von 3,5 bis 4, etwas höher als Kalzit. Da Aragonit hart und zäh ist, bietet er Seeigeln einen guten Schutz.

Aragonit kommt nicht nur in Seeigeln, sondern auch in den Schalen von Meeresorganismen wie Venusmuscheln, Austern und Miesmuscheln vor, die alle als Nahrung für Seeotter dienen. Natürlich handelt es sich dabei auch um Nahrungsmittel für Menschen, aber die Menschen werden nicht durch die Schalen beißen, um das Fleisch zu essen. Schließlich wäre es das nicht wert, wenn sie ihre Zähne schädigen würden.

Seeotter frisst Schalentiere

(Fotoquelle: PA)

Jedes Mal, wenn ich sehe, wie ein Seeotter eine Muschelschale abbeißt und das Fleisch frisst, spüre ich einen Phantomschmerz in meinen Zähnen, und wenn ich das knirschende Geräusch höre, habe ich immer das Gefühl, als würden meine Zähne jeden Moment brechen.

Beim Menschen bestehen die Zähne hauptsächlich aus Zahnschmelz, Dentin und Pulpa. Wenn der Zahn senkrecht gegen die Kruste gedrückt wird, wird der Zahnschmelz einer großen Druckspannung ausgesetzt. Aufgrund der Komplexität der Kaubewegungen wird die Zahnoberfläche zudem gewissen Scherspannungen ausgesetzt, die zu mikrostrukturellen Schäden am Zahnschmelz führen können. Durch wiederholtes Kauen harter Schalen kann es zu Ermüdungsschäden am Zahnschmelz kommen, die nach und nach entstehenden kleinen Risse weiten sich aus und führen schließlich zum Bruch des Zahnschmelzes.

Studien haben gezeigt, dass Menschen, die häufig harte Lebensmittel (wie Nussschalen und Eiswürfel) kauen, häufiger Zahnschäden erleiden. Darüber hinaus haben sowohl Tierversuche als auch klinische Beobachtungen am Menschen gezeigt, dass Zahnschmelz bei hoher Belastung zu Rissen und Abblättern neigt.

Seeotter genießen eine Seeigel-Mahlzeit

(Bildquelle: Pinterest)

Warum brechen die Zähne von Seeottern beim Beißen nicht ab?

Im Jahr 2014 entnahmen Wissenschaftler Eckzähne und erste Backenzähne aus einem gefrorenen Seeotterexemplar, betteten die Zahnwurzeln in Epoxidharz ein und schnitten Längsschnitte, um das Hunter-Schreger-Band (HSB) freizulegen. HSB ist ein mikrostrukturelles Merkmal des Zahnschmelzes von Säugetieren.

Wissenschaftler schnitten und polierten die Kronenquerschnitte auf eine Dicke von 1 Mikron, um eine flache und glatte Oberfläche zu gewährleisten. Anschließend legten sie die Proben auf eine mechanische Testplattform und drückten mit einem Vickers-Makroindenter aus Wolframkarbid vertikal auf den Zahnschmelz. Dabei erhöhten sie die Belastung schrittweise, bis auf der Zahnoberfläche ein muschelförmiger Riss entstand.

Während der Experimente zeichneten die Wissenschaftler die für jeden Abplatzvorgang erforderliche Spitzenkraft (PF) sowie die kritische Spanabmessung (h) vom Eindruckpunkt bis zur Zahnkante auf. Durch die Messung von 12 experimentellen Brüchen stellten sie fest, dass die Bruchgröße (h) zwischen 0,16 und 0,79 mm lag, während die erforderliche Spitzenkraft (PF) zwischen 53 und 605 Newton lag.

Durch lineare Regressionsanalyse lässt sich erkennen, dass sich die Steigung des Seeotterzahnschmelzes nicht signifikant von der des menschlichen Zahnschmelzes unterscheidet, der Achsenabschnitt jedoch deutlich höher ist, was darauf hindeutet, dass die Zähigkeit des Seeotterzahnschmelzes 2,8-mal so hoch ist wie die des menschlichen Zahnschmelzes.

(Bildquelle: Referenz 2)

Abschließend erstellten die Wissenschaftler Kraft-Weg-Diagramme und berechneten die Belastbarkeit des Zahnschmelzes von Seeottern. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zähigkeit des Seeotterzahnschmelzes 2,8 MPa m^0,5 betrug und damit deutlich höher ist als die des menschlichen Zahnschmelzes (etwa 1,0 MPa m^0,5). Die Härte seines Zahnschmelzes ist fast dreimal so hoch wie die des Menschen.

Offenbar ist der Zahnschmelz von Seeottern viel härter als der von Menschen. Dies ist hauptsächlich auf die HSB-Struktur in den Zähnen der Seeotter zurückzuführen. Durch die versetzte Anordnung der HSB können Spannungen effektiv verteilt und absorbiert werden, Risse können sich nicht nur in eine Richtung ausbreiten und so die Belastbarkeit der Zähne verbessert werden.

a zeigt die überlappende und verflochtene Struktur des Zahnschmelzes des Seeotters; c zeigt die dichte runde Prismenstruktur des Zahnschmelzes unter einem Elektronenmikroskop

(Bildquelle: Referenz 2)

Wissenschaftler haben durch mikroskopische Untersuchungen herausgefunden, dass sich die HSB im Zahnschmelz von Seeottern fast bis zur Oberfläche der Zähne erstreckt. Das bedeutet, dass alle Risse die vernetzte Struktur betreffen, wodurch die Rissbeständigkeit der Zähne weiter verbessert wird und die Zähne auf natürliche Weise weniger anfällig für Risse sind.

Bei menschlichen Zähnen treten nur bei größeren Frakturen HSB-Frakturen auf, was einer der Gründe dafür ist, dass menschliche Zähne eine geringere Bruchfestigkeit aufweisen.

Auch Seeotter benutzen Werkzeuge, um ihre Schalen zu öffnen

Der Gebrauch von Werkzeugen ist im Tierreich ungewöhnlich, doch einigen Arten verschafft dieses Verhalten erhebliche Anpassungsvorteile. Seeotter sind ein solches Beispiel. Sie verfügen nicht nur über gute Zähne, sondern können auch Werkzeuge wie Steine ​​verwenden, um harte Schalen aufzubrechen und an die Nahrung zu gelangen.

Im Jahr 2023 fingen Wissenschaftler vor der Küste Zentralkaliforniens 196 Seeotter und statteten sie mit Funksendern aus, um ihre Bewegungen zu verfolgen und den Werkzeuggebrauch jedes Otters bei der Nahrungssuche aufzuzeichnen. Die Seeotter werden außerdem regelmäßig zahnärztlichen Untersuchungen unterzogen, um ihre Zahnschäden und den Anteil des freiliegenden Dentins zu beurteilen.

Seeotter öffnet seinen Panzer mithilfe eines Steins

(Bildquelle: Referenz 1)

Erstens waren weibliche Seeotter, die häufiger Werkzeuge verwendeten, in der Lage, größere und zähere Beute zu machen. Weibliche Seeotter, die in über 90 Prozent der Fälle Werkzeuge verwendeten, fingen Beute, die 197 Prozent schwieriger war als die Beute derjenigen, die keine Werkzeuge verwendeten. Bei männlichen Seeottern gab es keine signifikante Korrelation zwischen der Häufigkeit des Werkzeuggebrauchs und der Härte der Beute. Dies könnte daran liegen, dass männliche Seeotter größer sind und über eine stärkere Beißkraft verfügen.

Zweitens erlitten Seeotter, die häufiger Werkzeuge verwendeten, weniger Zahnschäden. Bei Personen, die mehr als 50 % ihrer Zeit Werkzeuge verwendeten, kam es zu 19 % (Frauen) bzw. 16 % (Männer) weniger Zahnschäden. Natürlich gab es einige Ausnahmen. Bei 1 bis 6 % der Individuen kam es sogar zu größeren Zahnschäden, was möglicherweise daran liegt, dass diese Individuen mit härterer Beute zu tun hatten.

Seeotter legen Steine ​​auf ihre Brust, um ihre Panzer zu öffnen

(Bildquelle: Hakai Magazine)

Schlussfolgerungen: Der Einsatz von Werkzeugen hat wichtige Auswirkungen sowohl auf die Nahrungssuche als auch auf die Zahngesundheit südlicher Seeotter. Der Einsatz von Werkzeugen hilft Seeottern nicht nur dabei, mehr und zähere Beute zu erlegen, sondern verringert auch Zahnschäden und hält ihre Zähne gesund.

Gute Zähne bedeuten ein intelligentes Gehirn, weshalb Seeotter ihre Zähne nicht abbrechen.

Quellen:

1. Chris J. Law et al. ,Der Einsatz von Werkzeugen erhöht den Erfolg bei der mechanischen Nahrungssuche und die Zahngesundheit bei südlichen Seeottern (Enhydra lutris nereis).Science384,798-802(2024).DOI:10.1126/science.adj6608

2. Ziscovici C, Lucas PW, Constantino PJ, et al. Der Zahnschmelz von Seeottern ist aufgrund seiner Mikrostruktur äußerst widerstandsfähig gegen Absplitterungen[J]. Biology Letters, 2014, 10(10): 20140484.