Aufgaben

Die dentale Mikrotexturanalyse stellt ein hochpräzises Instrumentarium dar, um Einsichten in die Ernährungsstrategien und Lebensweisen sowohl fossiler als auch rezenten Wirbeltiere zu gewinnen. Durch die Untersuchung der mikroskopischen Oberflächenstrukturen von Zahnflächen – insbesondere des Zahnschmelzes – lassen sich Abnutzungsspuren identifizieren, die in direktem Zusammenhang mit der Art der aufgenommenen Nahrung stehen. Die Methode ermöglicht es, subtile Unterschiede im Zahnabrieb zu quantifizieren, was entscheidende Rückschlüsse auf die Ernährungsgewohnheiten und den ökologischen Kontext der untersuchten Individuen erlaubt.

Ein zentraler Bestandteil der dentale Mikrotexturanalyse ist der Einsatz hochauflösender konfokaler 3D-Mikroskopie. Systeme wie das SNeox von Sensofar liefern detaillierte 3D-Daten der Zahnoberflächen, indem sie optische Schnitte in unterschiedlichen Tiefen erfassen. Zur Ableitung von 3D-Texturparametern analysieren wir die von konfokalen Mikroskopen generierten Daten und extrahiert dabei quantitative Parameter wie Rauheit, Flächenstruktur und Höhenverteilungen. Durch die statistische Auswertung dieser Parameter können Forscher Muster erkennen, die als direkte Lebensraum-Schnittstelle Rückschlüsse auf Lebensräume, Nahrung und Klimabedingungen ermöglichen.

Abrasive Partikel wie Quarz oder andere mineralische Partikel führen zu spezifischen Abriebmustern auf den Zahnoberflächen, die als Referenzdatensatz dienen. Die gewonnenen Referenzdaten spielen eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, die Ernährungsstrategie fossiler Säugetiere und Menschen zu rekonstruieren. So lassen sich Hypothesen zur Lebensweise, zur Verfügbarkeit von Nahrungsressourcen und sogar zu saisonalen Ernährungszyklen aufstellen. Darüber hinaus trägt diese Methode dazu bei, evolutionäre Anpassungsprozesse besser zu verstehen, indem sie den Zusammenhang zwischen Zahnmorphologie und Umweltbedingungen beleuchtet.

Das DMTA-Labor des LIB ist in Deutschland einzigartig und trägt maßgeblich dazu bei, sowohl die ökologische Dynamik vergangener Lebensräume als auch die evolutionären Anpassungsprozesse von Wirbeltieren einschließlich des Menschen umfassend zu rekonstruieren.

Technik

Ein zentraler Bestandteil der dentale Mikrotexturanalyse ist der Einsatz hochauflösender konfokaler 3D-Mikroskopie. Systeme wie das µsurf custom von Nanofocus und das S neox von Sensofar liefern detaillierte 3D-Daten der Zahnoberflächen, indem sie optische Schnitte in unterschiedlichen Tiefen erfassen. Zur Ableitung von 3D-Texturparametern analysieren wir die von konfokalen Mikroskopen generierten Daten und extrahiert dabei quantitative Parameter wie Rauheit, Flächenstruktur und Höhenverteilungen (Software MountainsMap Premium von DigitalSurf). Durch die statistische Auswertung dieser Parameter können Forscher Muster erkennen, die als direkte Lebensraum-Schnittstelle Rückschlüsse auf Lebensräume, Nahrung und Klimabedingungen ermöglichen.

Photogrammetrie

Die Photogrammetrie ist eine Technik zur Erfassung von dreidimensionalen Objekten anhand von Fotografien. Dabei werden Bilder eines Objekts aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen und anschließend mit spezieller Software zu einem hochaufgelösten 3D-Modell verrechnet. Die Methode beruht auf Prinzipien der Geometrie und Optik: Indem die Positionen markanter Punkte auf mehreren Bildern erfasst und mathematisch analysiert werden, kann ein detailgetreues digitales Modell des Objekts errechnet werden.

Durch Photogrammetrie können Sammlungsobjekte digitalisiert und als 3D-Modelle archiviert werden. Dies hat mehrere Vorteile:

1. Die digitalen Modelle dienen als hochauflösende Kopien, die auch nach dem Verfall des Originals erhalten bleiben.
2. Forschende weltweit können über digitale Archive auf die Modelle zugreifen, ohne reisen oder die empfindlichen Originale physisch handhaben zu müssen.
3. Hochpräzise 3D-Modelle ermöglichen den direkten Vergleich von anatomischen Merkmalen und die Einbeziehung der Objekte in Modellierungsansätze und KI-getriebene Meta-Analysen.

Photogrammetrie wird zunehmend auch in der Evolutionsforschung eingesetzt, um Veränderungen in der Morphologie über lange Zeiträume zu analysieren. Fossilien sind oft unvollständig erhalten oder deformiert. Mit Hilfe von 3D-Scans können fehlende Strukturen rekonstruiert und danach anatomische Vergleiche durchgeführt werden. In der biomechanischen Forschung hilft die Photogrammetrie bei der Erfassung von Formen, um anschließend mechanische Eigenschaften vor allem von Skelettelementen und Hartgeweben zu simulieren. 3D-Modellen lassen sich auch in Bewegungsabläufe überführen und Belastungen können in biologischen Strukturen lebensnah simuliert werden. Digitale Modelle dienen dann als Grundlage für Analysen der Finiten-Elemente (FEA), mit der z. B. Krafteinwirkungen auf Knochen, Zähne oder Exoskelette untersucht werden können.