Für Martin Nweeia ist der Narwal – ein mysteriöser Wal mit einem exzentrischen Stoßzahn – viel interessanter als das mythische Einhorn.
Jetzt, acht Jahre nachdem er den charakteristischen Stoßzahn des Narwals als Sinnesorgan beschrieben hat, rückt das faszinierende Tier in den Fokus. Nweeia und seine Kollegen haben einen sensorischen Pfad zwischen diesem spiralförmigen Zahn und dem Gehirn des Narwals kartiert und dabei gezeigt, wie das Tier seinen Stoßzahn nutzen kann, um seine Umgebung zu erkunden.
Als praktizierender Zahnarzt in Connecticut und klinischer Ausbilder in der Abteilung für restaurative Zahnheilkunde und Biomaterialien an der Harvard School of Dental Medicine bezeichnet sich Nweeia selbst als „nur ein neugieriges Kind“, dessen Interesse an der dentalen Anthropologie – den Zähnen der Menschen im Laufe der Evolutionsgeschichte – ihn dazu veranlasste, sich zum Beispiel den Elefantenstoßzahn und andere Varianten von Zähnen bei Tieren anzusehen. Aber seit mehr als einem Dutzend Jahren jagt er Narwale in ihrem natürlichen Lebensraum auf halbem Weg zwischen dem Polarkreis und dem Nordpol.
Je mehr Nweeia Narwale studierte, desto weniger Sinn schienen sie zu machen.
Ein spiralförmiger Zahn ragt aus der Oberlippe heraus, und zwar ungewöhnliche neun Fuß von nur einer Seite des Kopfes des Männchens. Es handelt sich um einen Zahn und nicht um ein Geweih, wobei geschlechtsspezifische Größenunterschiede im Tierreich wohl bekannt sind.
Ein weiterer Zahn bleibt auf der anderen Seite des Mauls des Einhornwals eingebettet, eine Asymmetrie, die sonst nirgendwo in der Natur zu finden ist. Männliche Einhornwal-Embryonen haben acht Zahnpaare in ihrem sich entwickelnden Maul, aber nur zwei Paare bilden sich nach der Geburt, wobei ein Paar die Stoßzähne bildet. Normalerweise wird nur einer dieser Zähne zum charakteristischen Stoßzahn.
Die Welt der Narwalforschung bedeutet Expeditionen an die Nordspitze von Baffin Island, wo Nweeia auf Eisschollen oder in Camps an der Küste hockt, einen Trockenanzug anzieht, um in 36 Grad kaltem Wasser zu waten, Winden von 120 Meilen pro Stunde trotzt und wachsam nach Eisbären Ausschau hält. Zu Beginn seiner 14-jährigen beschwerlichen Expeditionskarriere entdeckten Nweeia und seine Kollegen, dass der Stoßzahn des Narwals das strukturelle Gegenteil eines menschlichen Zahns ist: Er hat einen starren Stab in der Mitte, der von einer flexiblen äußeren Schicht umgeben ist, die poröse Röhrchen enthält.
„Diese Dinge widersprechen allen Regeln und Eigenschaften, die man über Zähne lernt, wenn man auf die zahnmedizinische Fakultät geht“, sagte Nweeia.
Im Jahr 2005 berichteten er und Kollegen, darunter Peter Hauschka, HSDM Associate Professor für Entwicklungsbiologie am Boston Children’s Hospital, auf einer Konferenz, dass der Stoßzahn des Narwals ein Sinnesorgan ist, das Informationen über seine eisige Meeresumgebung liefert. In einer in der April-Ausgabe der Zeitschrift Anatomical Record veröffentlichten Arbeit wird nun der Weg von der Empfindung zum Gehirn anhand von Anatomie, Histologie, Genetik und Neurophysiologie nachgezeichnet.
Nweeias Team fand Nerven, Gewebe und Gene in der Stoßzahnpulpa des Narwals, die für sensorische Funktionen bekannt sind und dazu beitragen, den Stoßzahn mit dem Gehirn zu verbinden. Mit diesem neuen Modell musste Nweeia bestätigen, dass die sensorischen Informationen bei lebenden Narwalen tatsächlich über diesen Weg vom Stoßzahn zum Gehirn übertragen werden.
Das Team testete diese Hypothese, indem es einem Narwal, der in den im August noch kühlen Gewässern vor Baffin geschwommen war, eine „Stoßzahnjacke“ – eine durchsichtige, an beiden Enden mit Schaumstoff versiegelte Röhre – anlegte.
Der Stimulus war Wasser mit hohem oder niedrigem Salzgehalt, das in getrennten Tests durch die Röhre und über den Stoßzahn schwappte. Die Reaktion war eine Veränderung der Herzfrequenz, die mit einem Holter-Monitor gemessen wurde, dem gleichen tragbaren Gerät, das Menschen tragen, wenn ihre Ärzte den Herzrhythmus dokumentieren wollen. Das Team befestigte Elektroden an der Haut der Narwale, führte Herzfrequenzmessungen durch und ließ die Tiere dann nach weniger als 30 Minuten unverletzt wieder frei.
Die Wissenschaftler maßen die Veränderungen der Herzfrequenz und stellten signifikante Veränderungen in Abhängigkeit vom Salzgehalt des Wassers fest.
Warum ist der unterschiedliche Salzgehalt des Wassers wichtig? Ein Tier, das in einer sich ständig verändernden Meeresumgebung mit Eisbildung lebt, ist entscheidend für den Erfolg der Art, vermuteten die Forscher. Nweeia kam zu dem Schluss, dass der Stoßzahn des Narwals Schwankungen im Salzgehalt des Ozeanwassers wahrnimmt, um den Weibchen seine Fitness zu demonstrieren. Diese Fähigkeit könnte den Männchen helfen, Weibchen in der Brunst zu finden oder Nahrung zu finden, die für neugeborene Narwale wichtig ist.
Der Salzgehalt des Wassers war der sensorische Stimulus, der Signale an das Gehirn auslöste und dann reaktionsfähige Veränderungen der Herzfrequenz auslöste, erklärte Nweeia.
„Dies ist der erste Zahn, bei dem durch In-vivo-Tests gezeigt wurde, dass er eine sensorische Funktion für eine normale Variable in seiner Umgebung hat“, sagte er.
Nweeia erinnert uns daran, dass auch unsere Zähne empfindlich sind, aber wie bei anderen Säugetieren wurde dies nur nach erheblichen Schäden oder Krankheiten dokumentiert. Menschliche Zähne können Kälte, Hitze oder Schmerzen spüren, vor allem, wenn sie nach einer Beschädigung der harten Außenschicht freiliegen.
In zahnmedizinischen Lehrbüchern findet sich die hydrodynamische Theorie der Zahnempfindlichkeit, die Martin Brannstrom zugeschrieben wird und die besagt, dass Flüssigkeitsveränderungen in den Röhrchen der Dentinschicht Druckschwankungen verursachen, die die Nerven im Zahnmark erreichen. Brannstrom stellte die Hypothese auf, dass Zähne in der Lage sind, Temperatur-, Druck- und Partikelgradienten sowie taktile Empfindungen zu erkennen.
Die nächsten Schritte für Nweeias Gruppe, Narwhal Tusk Research, sind der Abschluss einer 12-jährigen Studie, in der traditionelles Wissen der Inuit über den Narwal gesammelt wurde, und die Suche nach einer evolutionären Verbindung zur Mikrostruktur des Stoßzahns.
In der Zwischenzeit setzt Nweeia seine Arbeit als Allgemeinzahnarzt in seiner Praxis in Sharon, Conn: Erforschung, Staunen und Mysterium sind in diesem großartigen, spiralförmigen Stoßzahn und Sinnesorgan vereint“, sagte er.
Diese Studie wurde von den National Science Foundation Grants 0739858, 0839989, 0756708, 0701534, 0646872 und 0630561 finanziert. Weitere Mittel wurden von der Harvard School of Dental Medicine, dem Museum of Comparative Zoology in Harvard, der Smithsonian Institution, The Explorers Club, Castle & Harlan Inc., NSERC, Department of Fisheries and Oceans Canada und dem Nunavut Wildlife Management Board bereitgestellt.