Original paper

Functional differentiation of the microstructure in the upper carnassial enamel of the spotted hyena

Rensberger, John M.; Stefen, Clara

Kurzfassung

Die Mikrostruktur des Schmelzes im oberen vierten Prämolar von Crocuta crocuta unterscheidet sich regional in den drei Bereichen, die auch funktionell unterschiedlich sind. In den durch knochenbrechen abgestumpften Protocon und Paracon sind die sekundären vertikalen Uberkreuzungsebenen um die Spitze herum stark ausgebildet, genauso wie in den weiter anterior gelegenen Prämolaren, deren Hauptfunktion das Knochenbrechen ist. Im buccalen Schmelz ändert sich die Struktur dann abrupt, beginnend in der Mitte des Paracons bis zum Ende der Schneidekante, was im lingualen Schmelz nicht beobachtet werden kann. Dieser Wechsel tritt genau am anterioren Rand der Schneidekante auf, die ausschließlich von buccalem Schmelz aufgebaut wird. Der Winkel der sekundären Hunter-Schreger Bänder (HSB) ändert sich, und die primären, horizontalen HSB werden lockerer gefaltet, so daß sie die Schneidekante in Winkeln von annähernd 90° treffen. Die anteriore Hälfte des Paracons ist durch Abnutzungstark abgestumpft, während die posteriore Hälfte scharf bleibt. Das deutet darauf hin, dass das Knochenbrechen auf die vordere Hälfte des Paracons beschränkt ist und eine genaue Positionierung der zu brechenden Knochen nötig ist. Die Überkreuzungsebenen auf der buccalen Seite der Schneidekante sind weniger eng gefaltet als diejenigen auf der lingualen Seite. Die Achsen der Faltungen sind zur Spitze hin inkliniert und schrägzur Schneidekante orientiert, und verlaufen nicht rechtwinkligwie auf der lingualen Seite. Finite Elemente Modellierung zeigt, dass die maximalen Zugspannungen, die während des Schneidens in der Schneidekante entstehen, im lingualen Schmelz größer und stärker vertikal orientiert sind als im buccalen Schmelz. Der linguale Schmelz zeigt stark abgeleitete sekundäre Überkreuzungsebenen. Diese sind zudem vertikal ausgerichtet und machen den Schmelz bei den angenommenen vertikalen Zugspannungen resistenter gegen Brüche. Die scharfe Schneidekante des P4 wird ausschliesslich durch buccalen Schmelz aufgebaut. Die vorausberechneten Zugspannungen während des Schneidens sind im buccalen Schmelz durch die Dicke des Schmelzes ausgerichtet, eine Richtung die wahrscheinlich keine Risse verursacht. Die sekundären HSB im buccalen Schmelz sind nicht vertikal, sondern sind schrägbis nahezu parallel zur horizontalen Schneidekante orientiert. Diese Raumlage und die lockere Faltungihrer primären HSB bewirkt, dass die primären HSB in einem hohen Winkel zur Schneidekante orientiert sind. Diese Ausrichtung erhöht den Widerstand gegen Abrieb.

Abstract

The enamel microstructure in the upper fourth premolar of Crocuta crocuta differs regionally within the tooth in three areas which are functionally distinct. In the protocone and paracone of this tooth, which are blunted by bone crackingusage, the secondary vertical decussation planes are strongly developed around the cusps, as they are in the more anterior premolars which provide the main bone crushing function. An abrupt structural change occurs in the microstructure of the buccal enamel, beginning in the middle of the paracone and extending posterior to the end of the carnassial blade, a change absent in the lingual enamel. This change occurs precisely at the anterior margin of the cutting edge of the shearing blade, which is formed solely of buccal enamel; the attitude of the secondary Hunter-Schreger bands (HSB) changes and the primary HSB become more loosely folded so that they intersect the cutting edge at angles close to 90°. The anterior half of the paracone is heavily blunted by wear but the posterior half remains sharp, indicatingrestriction of bone crushingto the anterior half of the paracone and requiringcareful positioningof bones being crushed. The decussation planes on the buccal side of the carnassial blade are less tightly folded than on the lingual side. The axes of the folds are inclined toward the tips of the cusps and obliquely toward the shearing edge, not perpendicularly as on the lingual side. Finite element modeling predicts the maximum tensile stresses generated in the carnassial blade during shearing are of greater magnitude and more vertically aligned in the lingual enamel than in the buccal enamel. The lingual enamel has highly derived secondary decussation planes aligned vertically, making it resistant to fracture under these predicted vertical stress directions. The sharp shearing edge of the carnassial is formed entirely of buccal enamel. The predicted tensile stresses in the buccal enamel during shearing are aligned through the thickness of the enamel, a direction unlikely to cause fracture. The secondary HSB in the buccal enamel are not vertical but run oblique to almost parallel to the horizontal shearing edge. This attitude and looser folding of their component primary HSB cause the primary HSB to be aligned at a high angle to the shearing edge, a direction that enhances abrasion resistance.

Keywords

Crocutaenamel microstructurefunctional morphologycarnassials.