Haihaut aus Placoidschuppen: Meisterstück der Natur

Ihre gezahnte Oberfläche gehört zu den Paradebeispielen der Bionik – doch nur die Wenigsten wissen, dass die einzigartige Haihaut derselben Zellpopulation entstammt wie menschliche Zähne.

Veröffentlicht am 2. Feb. 2021, 10:51 MEZ
Bionik: Haihaut und Placoidschuppen

Die Haut von Haien ist mit abertausenden Zähnchen ausgestattet. Sie dient als Schutz, ist aber auch beim Schwimmen von Nutzen. 

Bild Alex Rose/ Unsplash.com

Ihr Revolvergebiss, das sie auf Lebenszeit mit immer wieder neuen Zähnen ausstattet, ist das Markenzeichen der Haie: Hinter jeder Zahnreihe eines Hais wächst eine oder gleich mehrere neue Zahnreihen nach - fällt ein Zahn aus, wird wie bei einem Revolver einfach ein neuer Zahn „nachgeladen“. Bis zu 30.000 neue Zähne bekommt ein Hai auf diese Weise – eine geringe Anzahl im Vergleich zu den abertausenden Mini-Zähnchen, die die Haut der Knorpelfische bilden: Die sogenannten Placoidschuppen bedecken den gesamten Haikörper und sind strukturell wie Zähne aufgebaut.

Was sind Placoidschuppen und wofür sind sie da?

„Die zahnähnlichen Strukturen, mit denen die Haihaut besetzt ist, haben eine Wurzel, einen inneren Dentinkörper und eine schmelzähnliche Außenschicht“, erklärt Prof. Dr. Jürgen Kriwet vom Institut für Paläontologie der Universität Wien. „Sie sind nicht nur genauso aufgebaut, sondern auch so hart wie unsere Kieferzähne - also wirklich sehr robust.“ Der Effekt ist spürbar: Streicht man dem Hai vom Kopf zur Schwanzflosse, fühlt sich die Haut glatt an. Gegen die Wuchsrichtung der Hautzähnchen ist die Haut rau und ähnelt Sand- oder Schmirgelpapier.

Interessant: Innerhalb der Wirbeltiere verfügen nur Knorpelfische, die mit rund 1.200 Arten etwa 4 % der heutigen Fischarten ausmachen, über die einzigartigen Placoidschuppen – davon tragen ausschließlich Haie sie auf dem gesamten Körper. „Knochenfische haben auch Schuppen, die zwar irgendwann den gleichen Ursprung hatten, heute aber anders aufgebaut sind“, sagt Prof. Dr. Kriwet. „Ihnen fehlen einige Schichten - sie haben zum Beispiel nur noch den Dentinkörper oder nur noch die Schmelzauflage beziehungsweise die basale Knochenschicht.“

Für Paläontologen und Evolutionsbiologen sind Haie und ihre einzigartige Haut - hier: die Placoidschuppen eines Kleingefleckten Katzenhais (Scyliorhinus canalicula) - von besonderer Bedeutung.

Bild Jürgen Kriwet

Die Schuppenform richtet sich nach den ökologischen Ansprüchen

Bei den meisten Knorpelfischarten weisen die Zahnspitzen der Placoidschuppen nach hinten, sie bilden keinen Strömungswiderstand, wenn sich das Tier im Wasser bewegt. Durch eine zusätzliche Rillenstruktur der Schuppen entstehen viele kleine Wasserwirbel, die die Reibungswirkung beim schnellen Schwimmen weiter verringern: ein Vorteil vor allem für Hochseeformen wie Blauhaie oder Fuchshaie, die sich sehr schnell fortbewegen. Zudem bilden die Placoidschuppen bei Haien ein geschlossenes Exoskelett, durch das die Haut extrem fest und widerstandsfähig wird.

Die spezifische Form der Schuppen richtet sich unter anderem nach den ökologischen Ansprüchen der jeweiligen Haiart. So können Placoidschuppen mit seitlichen Spitzen bei kleineren Arten zum Schutz vor Parasiten oder Räubern dienen, pflasterförmige Schuppen bewahren die Haut vor Abrasion oder Verletzungen durch scharfe Riffe und Korallen. Der Schwellhai (Cephaloscyllium ventriosum) aus der Familie der Katzenhaie, der seinen Magen im Gefahrenfall mit Wasser oder Luft aufpumpt, verfügt über dornartige Schuppen, die nach dem Aufblähen von der Körperoberfläche abstehen und mit deren Hilfe er sich in Höhlen oder Felsspalten verspreizen kann.

Der Haihaut-Effekt: Best Case der Bionik

Die spezifischen Vorteile der Haihaut sind in der Bionik schon lange von Nutzen: Die besondere Schuppenstruktur ebenso wie die spezifischen Rillen finden sich auf Schwimmanzügen ebenso wie in speziellen Lackiertechniken für Flugzeuge wieder, die für möglichst wenig Strömungswiderstand und mehr Energieeffizienz sorgen. Auch ein besonderer „Antifouling-Anstrich“ für Schiffsrümpfe, der sich an der räumlichen Anordnung der Schuppen orientiert, ist auf dem Markt: Er verhindert die Anhaftung fremder Organismen auf der Oberfläche – so wie Seepocken und Co. auf der einzigartigen Haihaut keinen Halt finden. Diese besonderen Eigenschaften werden als „Riblet-Effekt“ bezeichnet.

Haihaut und menschliche Zähne haben einen gemeinsamen Ursprung

Eine Studie der University of Cambridge zeigte im Jahr 2017, dass Placoidschuppen von Knorpelfischen aus den gleichen Zellen entstehen wie die Zähne von Wirbeltieren. Eine interessante Erkenntnis, die die ewige Diskussion, woher unsere Zähne kommen, wieder anheizte: Stammen sie tatsächlich von Schuppen ab oder wanderten sie ursprünglich als Schlundzähne von den Kiemenbögen über den Rachen in den Mund? Eine endgültige Antwort auf die Frage ist weiterhin nicht gefunden. Jürgen Kriwet zufolge sollte bei der Betrachtung von Haut- und Kieferzähnen jedoch stets die Theorie der Kooption miteinbezogen werden – und damit die Annahme, dass Evolution nicht nur durch Entstehung neuer Gene erfolgt, sondern vor allem durch Anpassung und Mehrfachnutzung bereits vorhandener Gene. Der Paläobiologe unterstützt dabei eine relativ aktuelle Theorie, nach der „die Hautzähnchen über die Kiemen in den Schlundraum eingewandert sind – aber dass die Strukturen von Hautzähnen und Kieferzähnen, wenn man ganz weit zurück geht, das gleiche grundlegende genetische Netzwerk haben, das überhaupt dazu führt, dass sogenannte Odontoden, also Zähne und Placoidschuppen gebildet werden.“

Professor Dr. Jürgen Kriwet hat seit 2010 die Professur für Paläobiologie mit Schwerpunkt Wirbeltierpaläontologie an der Universität Wien inne. Zu seinen Forschungsschwerpunkten gehören unter anderem die Anatomie und Evolution von Wirbeltieren sowie der Ursprung und die Entwicklung von Fischen.

Bild Jürgen Kriwet

Haihaut und -zähne als ursprüngliches Muster

Für Paläontologen und Evolutionsbiologen haben Haie und ihre besondere Haut nicht nur aus diesem Grund eine besondere Bedeutung: „Alle anderen Wirbeltiere sind abgeleitete, hochevolutive Organismen, die sich anpassen. Die heutigen Haie und Rochen zeigen aber besonders, was die Hautschuppen und die Zähne angeht, noch das ursprüngliche Muster, wie es mal in einer fernen Vergangenheit, beim Ursprung der Wirbeltiere vorhanden war. Wir können anhand der Haie sehr schön Hypothesen entwickeln, die zeigen, wie Evolution funktioniert“, so Kriwet. Auch deshalb müsse in den Schutz der Haie investiert werden – auf planvolle Art und Weise. Aktuell arbeitet der Professor an der Universität Wien an einem Forschungsprojekt, in dem mit Hilfe evolutiver Methoden untersucht werden soll, welche Haigruppen heute besonders gefährdet sind. Denn das hängt nicht nur davon ab, wie viele Individuen noch vorhanden sind – sondern auch von ihrer evolutiven Geschichte: „Bei Haien, die eine kurze evolutive Geschichte haben und heute sehr divers sind, kann man davon ausgehen, dass sie eventuell viel gefährdeter sind als eine Art, die vielleicht nicht sehr häufig vorkommt, aber eine sehr lange, erfolgreiche evolutive Geschichte hat und robust genug war, um Massenaussterbe-Ereignisse zu überleben.“ Zu Erkenntnissen führen sollen dabei moderne, auch statistische Methoden, die mit der modernen Genetik kombiniert werden, sagt der Paläobiologe: „Wir versuchen, die Vergangenheit als Schlüssel für die Zukunft zu verwenden.“

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