Die Zähne, mit denen wir essen, könnten vor langer Zeit Fischschuppen gewesen sein!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shan Xianren Gai Zhikun (Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Der 20. September jeden Jahres ist der National Love Teeth Day, der alle dazu aufrufen soll, auf ihre Zahngesundheit zu achten.

Wussten Sie? Die Entstehung der Zähne ist einer der größten Fortschritte in der Geschichte der Wirbeltierevolution.

Es ist schwer vorstellbar, wie zerbrechlich das Leben ohne Zähne wäre. Als härtestes Organ im Körper der Kiefer tragenden Wirbeltiere sind die Zähne seit ihrem ersten Auftreten über Milliarden von Jahren der Evolution erhalten geblieben. Also, woher kommen Zähne?

Bevor wir diese Frage beantworten, wollen wir zunächst unser Verständnis von Zähnen neu ausrichten.

Kennen Sie sich wirklich mit Zähnen aus?

Was wir normalerweise Zähne nennen, ist eine Art hartes, verkalktes Gewebe, das auf dem Kieferknochen wächst. Sie bestehen im Wesentlichen aus drei Grundstrukturen: Die innerste ist die Pulpahöhle , die die Zahnnerven und Blutgefäße enthält, die mittlere ist eine Schicht aus Dentin , und das Dentin ist von einer Schicht aus weißem und hellem Zahnschmelz bedeckt, der extrem hart ist und eine Schutzfunktion für die Zähne hat.

Der Aufbau der Zähne

(Bildquelle: Sparks)

Nach dieser Definition sind Zähne ein Organ, das nur bei Wirbeltieren vorkommt, aber nicht alle Wirbeltiere haben Zähne. Heutige Vögel haben beispielsweise keine Zähne.

Um Gewicht zu reduzieren und sich an das Fliegen anzupassen, sind die Zähne der Vögel im Laufe der Evolution degeneriert.

Darüber hinaus haben auch einige primitivere kieferlose Wirbeltiere keine echten Zähne. Die Zähne der Neunaugen beispielsweise wachsen zwar im Maul und sehen furchteinflößend aus, bestehen aber eigentlich aus Keratin und haben die gleiche Zusammensetzung wie Fingernägel.

Die Keratinzähne der Neunaugen sind keine echten Zähne (Bildquelle: Referenz [8])

Der erste Zahn der Welt

Alle modernen Wirbeltiere, vom Hai bis zum Menschen, haben sehr saubere und symmetrische Zähne und das gleiche Muster des Zahnwechsels, bei dem neue Zähne aus dem Inneren des Kiefers wachsen und sich nach außen bewegen, um alte zu ersetzen.

Es gibt jedoch einige Unterschiede zwischen den Zähnen von Knochenfischen (einer Gruppe von Landwirbeltieren, zu der Krokodile, Dinosaurier, Flugsaurier, Hunde, Menschen usw. gehören) und den Zähnen von Knorpelfischen, zu denen Haie gehören. Beispielsweise sind bei allen Knochenfischen die Zähne immer mit dem Kieferknochen verbunden, während Haie keine Knochen haben. Ihr Skelett besteht vollständig aus Knorpel, sodass die Schuppen auf ihrem Körper und die Zähne in ihrem Maul direkt in die Haut eingebettet sind. Darüber hinaus verlieren Knochenfische ihre Zähne durch die Auflösung der Zahnbasis, während Haie ihre Zähne einfach dadurch ersetzen, dass sie die abgenutzten Zähne durch die Haut ausscheiden.

Diese Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen knöchernen und knorpeligen Fischzähnen werfen viele Fragen über den Ursprung der Zähne auf, beispielsweise: Wann entwickelte sich ein solch geordnetes Zahnersatzsystem? Haie und Knochenfische: Bei welchen ist die Zahnbefestigung primitiver?

Zuvor hatten sich die Forscher auf eine Gruppe von Gliederfüßern konzentriert, die vor 430 bis 360 Millionen Jahren lebten, da sie die einzigen bekannten Fische waren, die Zähne hatten, bevor Knochen- und Knorpelfische entstanden.

Ein typischer Vertreter der Arthropoden ist der Meeresherrscher des Devon, Dunkleosteus , der ein furchterregendes großes Maul mit riesigen, scharfen, plattenartigen Zähnen hat.

Dunkleosteus, der Meeresherrscher des Devon (Bildnachweis: Fotografiert von Zhikun Gai im Schwedischen Nationalmuseum für Naturgeschichte)

Für die Wissenschaftler war es jedoch schwierig zu verstehen, wie sich aus ihnen die Zähne der modernen Wirbeltiere entwickelten, da die Position der Zähne und die Art und Weise, wie sie hinzugefügt wurden, bei Arthropoden so anders sind als bei Knochenfischen und Haien.

Tatsächlich haben Arthropoden keine echten Zähne. Die Zähne in ihrem Ober- und Unterkiefer sind eigentlich Verlängerungen des Schädels und unterscheiden sich grundlegend von echten Zähnen.

Wissenschaftler der Universität Uppsala in Schweden richteten ihre Aufmerksamkeit dann auf die Fossilien der Acanthothoraciden , einer frühen Art gepanzerter Fische, die primitiver waren als die Arthropoden.

Wissenschaftler nutzten leistungsstarke Röntgenbildgebungstechnologie der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage (ESRF), um hochauflösende 3D-Bilder eines 409 Millionen Jahre alten Fossils eines Stachelbrustfisches zu erstellen, das Ende des 20. Jahrhunderts in der Tschechischen Republik entdeckt wurde.

Ein Stachelbrustfisch versteckt sich auf der Suche nach Nahrung in einem tropischen Korallenriff vor 409 Millionen Jahren in einer riesigen Nautilusmuschel (Bildnachweis: Jan Sovak)

Die Scan-Ergebnisse waren schockierend. Das Fossil wies unerwarteterweise eine gut erhaltene Zahnreihe auf und im Dentin dieser alten Zähne waren sogar intakte Zellräume zu sehen.

Was das Zahnwachstumsmuster betrifft, so waren die Zähne der Stachelbrustfische mit dem Knochen verbunden, wobei neue Zähne im Kieferinneren entstanden und alte Zähne am Rand des Kiefers lagen, was eine verblüffende Ähnlichkeit mit dem Zahnmuster des modernen Menschen aufweist.

Ersatzzähne im Kiefer eines Stachelbrustfisches (Bildquelle: Referenz [6])

Dies zeigt, dass Knochenfische und ihre Nachkommen, die Landwirbeltiere, hinsichtlich der Art und Weise, wie Zähne befestigt sind, die Merkmale ihrer Vorfahren beibehalten haben, während die Art und Weise, wie Haifischzähne an der Haut befestigt sind, spezialisiert ist. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass die Knorpelfische, die Haie, nicht die Vorfahren des Menschen sind, sondern ein Seitenzweig in der Evolutionskette vom Fisch zum Menschen.

Als beinahe primitivste Gruppe aller Kieferwirbeltiere weist das Zahnwachstumsmuster der Stachelfische überraschende Ähnlichkeiten mit dem des modernen Menschen auf. Dies zeigt, dass das menschliche Zahnwachstumsmuster bereits etabliert war, als die ersten Kieferwirbeltiere auftauchten.

Im September 2022 veröffentlichte das Magazin Nature einen Titelartikel über das 439 Millionen Jahre alte Kieferfossilreservoir, das vom Team des Akademikers Zhu Min vom Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in der silurischen Rongxi-Formation in Shiqian, Guizhou, entdeckt wurde.

Das Forschungsteam wählte 23 Kieferzahnproben aus fast 4 Tonnen in der freien Natur gesammelten Mikrofossilienproben von Fischen aus. Durch hochpräzise Computertomographie, dreidimensionale Rekonstruktion, histologische Schnitte und andere technische Mittel wurde festgestellt, dass diese Zähne vor 439 Millionen Jahren zur Art Diplodocus gehörten.

Diplodocerus sphenodon (Bildnachweis: Nishi Technology)

Diese Entdeckung lässt den frühesten Fossilienbestand an Zähnen um 14 Millionen Jahre zurückliegen und ist der „erste Zahn der Welt“, der bisher entdeckt wurde.

Zwei Hypothesen zur Entstehung der Zähne

Nachdem wir nun den ungefähren Zeitpunkt des Auftretens der Zähne ermittelt haben, stellt sich die Frage: Wie sind die Zähne entstanden und wie wurden sie zu dem, was sie heute sind?

Derzeit gibt es in der Wissenschaft zwei Hypothesen zur Entstehung der Zähne, nämlich die „Inside-Out“-Hypothese und die „Outside-In“-Hypothese.

Die „Outside-In“- und „Inside-Out“-Hypothesen zum Ursprung der menschlichen Zähne (Bildnachweis: Zhikun Gai und Min Zhu)

Die „Inside-Out“-Hypothese besagt, dass die Zähne allmählich vom Rachen aus in die Mundhöhle gelangen. Diese Hypothese basiert hauptsächlich auf einer ausgestorbenen Gruppe von Conodonten, auch Conodonten genannt .

Conodonten traten im frühen Kambrium vor 500 Millionen Jahren auf und starben im späten Trias vor etwa 200 Millionen Jahren aus. Dieses aalähnliche Lebewesen besitzt weder ein inneres Skelett noch ein Exoskelett und ist fast völlig weich, mit Ausnahme der harten, zahnähnlichen Stacheln in seiner Kehle. Daher wird angenommen, dass es sich dabei um die Rachenzähne von Conodonten handelt.

Conodonten und Conodonten (Bildnachweis: Zhikun Gai und Min Zhu)

Das Material, aus dem die Conodonten bestehen, ähnelt stark dem Dentin und Zahnschmelz moderner Zähne und galt einst als homologe Struktur. Daher besteht seit langem die Hypothese, dass die Conodontenstacheln im Rachen der Conodonten die ältesten Zähne sind.

Vergleich der Zahnhistologie von echten Conodonten (links) und Sarkopterygiern (rechts) (Bildnachweis: Zhikun Gai und Min Zhu)

Mit der Entstehung des Kiefers breiteten sich die Conodontenstacheln dieser Schlundzähne nach außen aus, befestigten sich am Kiefer und bildeten schließlich Zähne. Dies ist die „Inside-Out“-Hypothese zum Ursprung der Zähne.

Die „Outside-In“-Hypothese besagt, dass sich die Zähne der Kiefersäugetiere aus den Schuppen urzeitlicher Fische entwickelt haben und dass die Schuppen urzeitlicher Fische in den Mund gelangten und dort mit der Entstehung der Kiefer zu Zähnen wurden.

Diese Hypothese wurde hauptsächlich durch die Schuppen von Haien inspiriert, da die grundlegende Zusammensetzungsstruktur von Haifischzähnen und -schuppen überraschend ähnlich ist!

Obwohl die Schuppen von Haien glatt erscheinen, fühlen sie sich rauer an als die anderer Fische. Dies liegt daran, dass die Oberfläche der Haihaut vollständig mit Hautzähnchen bedeckt ist, die hart und scharf wie Zähne sind und regelmäßig auf der Haihaut angeordnet sind.

Der Gefleckte Katzenhai und seine Schildschuppen. Die Haut des Hais ist mit zahnähnlichen, in die gleiche Richtung angeordneten Zähnchen bedeckt, die den Widerstand des Hais beim Schwimmen verringern (Bildnachweis: Smithsonian)

Haifischschuppen haben eine dreischichtige Grundstruktur, die der ihrer Zähne ähnelt: Pulpahöhle, Dentin und Zahnschmelz (ja, sehr ähnlich der Struktur menschlicher Zähne). Diese beiden scheinbar unabhängigen Organe weisen sehr ähnliche grundlegende Organisationsstrukturen auf. Man könnte sogar sagen, dass Schuppen Zähne sind, ohne dass Zähne am Kiefer wachsen, was zweifellos darauf schließen lässt, dass Zähne und Schuppen sich wahrscheinlich auf die gleiche Weise entwickeln.

Querschnitt einer Haifischhaut (oben), Grundstruktur der Schuppen (unten rechts) und Schildschuppen unter dem Rasterelektronenmikroskop (unten links) (Bildquelle: Referenz [5])

Auf dieser Grundlage spekulieren Wissenschaftler, dass ein Teil der Schuppen rund um das Maul primitiver Fische ihnen bei der Jagd geholfen haben könnte. Mit der Entstehung der Kiefer blieben diese Schuppen im Laufe der Evolution erhalten und wanderten nach und nach in den Mund, wurden dort an den Kiefern befestigt und entwickelten sich schließlich zu den Zähnen aller Kiefer tragenden Wirbeltiere. Dies ist die „Outside-In“-Hypothese zum Ursprung der Zähne.

Welche Hypothese ist also richtig?

Im Jahr 2013 berichtete das Magazin Nature über ein Forschungsergebnis des Teams von Professor Philip Donoghue an der University of Bristol in Großbritannien. Sie nutzten die damals fortschrittlichste Röntgentomographie-Mikroskopie- und Synchrotronstrahlungstechnologie, um die innere Struktur und Zusammensetzung von Conodonten aufzudecken.

Die Studie ergab, dass die späten Conodontentypen zwar auf ähnliche Weise wuchsen wie die Zähne moderner Tiere, d. h., sie wuchsen, indem sie den Zahnschmelz auf dem Dentin bedeckten, die primitivsten Conodonten jedoch überhaupt keine zahnschmelzartige Schicht besaßen.

Dies bedeutet, dass die Grundstruktur der späten Conodonten zwar überhaupt nicht von der heutiger Zähne zu unterscheiden ist, sie aber keineswegs dasselbe sind, sondern das Ergebnis einer unabhängigen Evolution.

Mit der Leugnung der Homologie zwischen Conodonten und Kieferzähnen hat die auf ihrer Homologie basierende „Inside-Out“-Hypothese ihre Grundlage verloren.

Haben sich unsere Zähne tatsächlich aus den Schuppen urzeitlicher Fische entwickelt?

Fischschuppen oder Zähne?

Obwohl die „Inside-Out“-Hypothese in Frage gestellt wurde, haben wissenschaftliche Studien an Arten wie dem Zebrafisch gezeigt, dass sich Fischschuppen und Zähne in Fischembryonen aus deutlich unterschiedlichen Zellhaufen entwickeln. Damit wird die „Outside-In“-Hypothese, wonach sich Zähne aus Fischschuppen entwickelt haben, widerlegt.

Um die Beziehung zwischen Zähnen und Fischschuppen weiter zu klären, konzentrierten Forscher der Universität Cambridge ihre Forschung auf Haie und Rochen, da diese eine relativ alte Abstammungslinie darstellen – Knorpelfische, die sich vor 400 Millionen Jahren differenzierten.

Mithilfe von Fluoreszenzmarkern zur Verfolgung der Zellentwicklung in Hai-Embryonen stellten die Forscher fest, dass Hai-Schuppen und -Zähne tatsächlich aus demselben Zelltyp entstehen, den sogenannten Neuralleistenzellen.

Dies zeigt, dass die Schuppen und Zähne dieser primitiven Fische denselben embryonalen Ursprung haben und zwischen ihnen eine tiefe Homologie besteht.

Wenn sich Zähne also tatsächlich allmählich aus Schuppen entwickelt haben, gibt es dann fossile Beweise dafür, dass sich Schuppen allmählich in Zähne verwandelt haben?

Kommen wir zurück zum oben erwähnten Stachelbrustfisch. Die Wissenschaftler entdeckten nicht nur ein Gebiss- und Zahnersatzmuster, das dem moderner Kieferfische ähnelt, sondern entdeckten auch zahnähnliche Zahneinheiten in der Nähe seiner Kiefer. Diese Zahneinheiten haben nicht nur eine nahezu identische Form wie Zähne, sondern die Zahneinheiten in der Nähe des Kiefers haben sich auch allmählich in Zähne verwandelt.

Dies lässt darauf schließen, dass sich Zähne höchstwahrscheinlich aus Zahneinheiten auf der Haut entwickelt haben.

Tatsächlich handelt es sich bei diesen Zahneinheiten um zahnähnliche Muster oder modifizierte spitze Schuppen am Rand des Mauls , was einen starken fossilen Beweis für die „Outside-In“-Hypothese des Ursprungs der Zähne liefert.

Die Zahneinheit in der Nähe des Kiefers von Stachelbrustfischen (Bildquelle: Referenz [6])

Abschluss

Stellen Sie sich nach der Lektüre der Evolutionsgeschichte der Zähne die Frage: Woher kommt der Mensch und wohin wird er letztendlich gehen? Der Ausgangspunkt der Evolution ist immer faszinierend. Wenn Zähne aus den Schuppen urzeitlicher Fische entstanden, woher kamen dann die Schuppen? Vielleicht werden Wissenschaftler dieses Rätsel in der Zukunft lösen und dann werden wir die Frage „Woher stammen die Menschen?“ besser verstehen.

Quellen:

【1】García-López, S. und Sanz-López, J. 2002. Conodonten-Biostratigraphie vom Devon bis Unterkarbon im Abschnitt des Bernesga-Tals (Kantabrische Zone, Nordwestspanien). In García-López S. und Bastida F. (Hrsg.), paläozoische Conodonten aus Nordspanien. Achtes internationales Conodonten-Symposium in Europa abgehalten. Veröffentlichungen des Instituto Geológico y Minero de España (Serie: Cuadernos del Museo Geominero, 1), Madrid: 163-205.

【2】Qu Bing, Wang Jing, Pan Chao, Zhou Xiaohui und Pan Lanlan. (2011). Forschung zur Herstellung von Materialien mit haifischhautähnlicher Oberflächenmikrostruktur. Journal der Dalian Ocean University, 26(2), 3.

【3】Sparks, KJ 2013. Encyclopaedia Britannica. Enzyklopädie ©Œdia Britannica, Incorporated.

【4】Gai Zhikun, Zhu Min. 2018. Die Evolutionsgeschichte der Kieferlosen und die Fossilienfunde Chinas. Shanghaier Wissenschafts- und Technologieverlag.

【5】De Iuliis G., Pulerà D.. 2007. Die Zerlegung von Wirbeltieren. Akademische Presse.

[6]Vaškaninová V, Chen D, Tafforeau P, et al. 2020. Randbezahnung und multiple dermale Kieferknochen als ursprüngliche Voraussetzung der Kieferwirbeltiere. Science, 369(6500): 211-216.

[7] Qu Q, Haitina T, Zhu M, et al. 2015. Neue genomische und fossile Daten beleuchten den Ursprung des Zahnschmelzes. Nature, 526(7571): 108-111.

【8】Potter IC, Gill HS, Renaud CB, et al. 2015. Die Taxonomie,

Phylogenese und Verbreitung von Neunaugen [M]//Docker M F. Neunaugen: Biologie, Schutz und Kontrolle: Band 1. Dordrecht: Springer Niederlande: 35—73.