Sägefischfossilien deuten darauf hin, dass sich Zähne wahrscheinlich aus Körperschuppen in alten Fischen entwickelt haben

Wissenschaftler haben lange über die Ursprünge der Zähne diskutiert. Haben sie sich aus Körperschuppen entwickelt, die in den Mund alter Wirbeltiere einwanderten und sich zum Essen anpassten – eine Idee, die als „Outside-in“-Hypothese bekannt ist? Oder haben sie sich unabhängig von Schuppen entwickelt, haben ihren Ursprung tief in der Mundhöhle und setzen sich schließlich an den Kiefern fest – bekannt als die „Inside-Out“-Hypothese? Eine neue Studie von Wissenschaftlern der Penn State liefert Belege für die „outside-in“-Hypothese.

Laut dem Wirbeltierpaläontologen Todd Cook, außerordentlicher Professor für Biologie an der Penn State Behrend, wollte das Team nicht zur Debatte über den Ursprung der Zähne beitragen. Stattdessen untersuchten er und seine Kollegen die Gewebestruktur von rostralen Dentikeln, das sind die gezackten Stacheln, die entlang der verlängerten Schnauzen von Sägehaien und Sägefischen verlaufen und zur Nahrungssuche und Selbstverteidigung verwendet werden. Cook, der Hauptautor der Studie ist, die in der September-Ausgabe von erscheint Zeitschrift für Anatomiestellte fest, dass Sägefische zur selben Gruppe gehören wie Rochen und Rochen und eng mit Haien verwandt sind.

Das Team untersuchte die versteinerten rostralen Dentikel von Ischyrhiza mira, einer Art, die zu einer ausgestorbenen Gruppe von Sägefischen gehört, die in der späten Kreidezeit vor etwa 100 bis 65 Millionen Jahren in nordamerikanischen Gewässern lebten. Die Proben waren zuvor aus einer Felsformation in New Jersey geborgen worden.

„Es wird angenommen, dass Rostralzähnchen aufgrund ihrer Position auf der länglichen Schnauze modifizierte Schuppen sind, und sie haben eine äußere Morphologie und ein Entwicklungsmuster, die Schuppen ähneln“, sagte Cook und erklärte dies, genau wie bei Schuppen, die an anderer Stelle am Körper zu finden sind, für a Um sich ein neues Rostralzähnchen zu bilden, muss ein altes erst abfallen und Platz schaffen. „Dennoch war sehr wenig über die Organisation der Gewebe bekannt, aus denen die rostralen Dentikel bestehen, insbesondere die harte äußerste Schicht, die als Zahnschmelz bekannt ist. Angesichts der Tatsache, dass die rostralen Dentikel wahrscheinlich spezialisierte Körperschuppen sind, nahmen wir an, dass der Zahnschmelz der rostralen Dentikel ein ähnliches aufweisen würde Struktur zum Zahnschmelz von Körperschuppen, die eine einfache Mikrokristallorganisation haben.“

Um die innere Mikrostruktur der fossilen rostralen Dentikel zu untersuchen, schnitten die Forscher die Proben von Hand sowohl quer – über die Breite – als auch in Längsrichtung – über die Länge. Als nächstes verwendeten sie ein Rasterelektronenmikroskop, um die Histologie – oder mikroskopische Anatomie – der rostralen Dentikel zu untersuchen.

„Überraschenderweise war der Zahnschmelz von Ischyrhiza mira alles andere als einfach; er war erheblich komplexer als der Zahnschmelz von Körperschuppen“, sagte Cook. „Tatsächlich ähnelte die Gesamtorganisation des Zahnschmelzes in diesem alten Sägefisch der des modernen Haifischzahn-Zahnschmelzes, der gut charakterisiert wurde.“

Insbesondere stellte er fest, dass sowohl Ischyrhiza mira rostrale Dentikel als auch moderne Haifischzähne eine Schmelzschicht haben, die größtenteils aus Fluorapatit-Mikrokristallen besteht, die zu unterschiedlichen Bündeln zusammengepackt sind. Zum äußeren Bereich des Zahnschmelzes hin verlaufen diese Bündel parallel zur Zahnoberfläche und werden als „parallel gebündelter Zahnschmelz“ bezeichnet. Tiefer werden die Bündel zufällig angeordnet, eine Region, die als „verheddertes gebündeltes Emaille“ bekannt ist. Schließlich geht durch diese Schichten der „radial gebündelte Zahnschmelz“, der aus gepackten Mikrokristallen besteht, die senkrecht zur Zahnoberfläche ausgerichtet sind.

In Bezug auf die Funktion erklärte Cook, dass Bündel von Mikrokristallen, die in verschiedenen Ausrichtungen angeordnet sind, es Haifischzähnen ermöglichen, den mechanischen Belastungen zu widerstehen, die mit der Fütterung verbunden sind. In ähnlicher Weise bemerkte er: „Es ist wahrscheinlich, dass die gebündelte Mikrokristallanordnung des Zahnschmelzes von Ischyrhiza miras rostralen Dentikeln auch dazu diente, mechanischen Kräften zu widerstehen.“

Das überraschendste und folgenreichste Ergebnis dieser Studie ist jedoch, dass sie einen wichtigen Beitrag zur langjährigen Debatte über den Ursprung der Zähne leistet, sagte Cook. Insbesondere erklärte er: „Dieser Befund liefert einen direkten Beweis für die ‚Outside-in‘-Hypothese, da er zeigt, dass Schuppen die Fähigkeit haben, einen komplexen zahnähnlichen Zahnschmelz außerhalb des Mundes zu entwickeln. Es ist sparsamer anzunehmen, dass Schuppen produziert werden eine ähnlich gebündelte Mikrostruktur in Zähnen und rostralen Dentikeln, als zu dem Schluss zu kommen, dass diese beiden Strukturen unabhängig voneinander einen ähnlichen Zahnschmelz entwickelt haben.