Jaw mechanics of the pterosaur skull construction and the evolution of toothlessness

In the present study, pterosaur skull constructions were analysed using a combined approach of finite element analysis (FEA), static investigations as well as applying classical beam theory and lever mechanics. The study concentrates on the operating regime „bite“, where loads are distributed via the dentition or a keratinous rhamphotheca into the skull during jaw occlusion. As a first step, pterosaur tooth constructions were analysed. The different morphologies of the tooth construction determine specific operational ranges, in which the teeth perform best (= greatest resistance against failure). The incomplete enamel-covering of the pterosaur tooth constructions thereby leads to a reduction of strain and stress and to a greater lateral elasticity than for a complete enamel cover. This permits the development of high and lateral compressed tooth constructions. Further stress-absorption occurs in the periodontal membrane, although its mechanical properties can not be clarified unambiguously. A three-dimensionally preserved skull of Anhanguera was chosen as a case-study for the investigation of the skull constructions. CT-scans were made to get information about the internal architecture, supplemented by thin-sections of a rostrum of a second Anhanguera specimen. These showed that the rostrum can be approximated as a double-walled triangular tube with a large central vacuity and an average wall-thickness of the bony layers of about 1 mm. On base of the CT-scans, a stereolithography of the skull of Anhanguera was made on which the jaw adductor and abductor muscles were modelled, permitting to determine muscular forces. The values were used for the lever mechanics, cantilever and space frame analysis. These studies and the FEA show, that the jaw reaction forces are critical for the stability of the skull construction. The large jugal area ventral to the orbita and the inclined occipital region act as buttresses against these loads. In contrast to the orbitotemporal region which is subject to varying loading conditions, the pattern in the rostrum is less complex. Here, mainly bending in dorsal direction and torsion occur. The hollow rostrum leads to a reduction of weight of the skull and to a high bending and torsional resistance. Similar to the Anhanguera skull construction, the skulls of those pterosaur taxa were analysed, from which enough skull material is know to permit a reliable reconstruction. Furthermore, FEA were made from five selected taxa. The comparison of the biomechanical behaviour of the different skull constructions results in major transformational processes: elongation of rostra, inclination of the occipital region, variation of tooth morphology, reduction of the dentition and replacement of teeth by a keratinous hook or rhamphotheca, fusion of naris and antorbital fenestra, and the development of bony and soft-tissue crests. These processes are discussed for their biomechanical effects during bite. Certain optional operational ranges for feeding are assigned to the different skull constructions and previous hypotheses (e.g. skimming) are verified. Using the principle of economisation, these processes help to establish irreversible transformations and to define possible evolutionary pathways. The resulting constructional levels and the structural variations within these levels are interpreted in light of a greater feeding efficiency and reduction of bony mass combined with an increased stability against the various loads. The biomechanical conclusive pathways are used for comparison and verification of recent hypothesis of the phylogenetic systematics of pterosaurs.

Observable stages and scheduling for alveolar remodeling following antemortem tooth loss

Zahnverlust zu Lebzeiten („antemortem tooth loss“, AMTL) kann als Folge von Zahnerkrankungen, Traumata, Zahnextraktionen oder extremer kontinuierlicher Eruption sowie als Begleiterscheinung fortgeschrittener Stadien von Skorbut oder Lepra auftreten. Nach dem Zahnverlust setzt die Wundheilung als Sekundärheilung ein, während der sich die Alveole mit Blut füllt und sich ein Koagulum bildet. Anschließend erfolgt dessen Umwandlung in Knochengewebe und schließlich verstreicht die Alveole derart, dass sie makroskopisch nicht mehr erkannt werden kann. Der Zeitrahmen der knöchernen Konsolidierung des Kieferkammes ist im Detail wenig erforscht. Aufgrund des gehäuften Auftretens von AMTL in menschlichen Populationen, ist die Erarbeitung eines Zeitfensters, mit dessen Hilfe durch makroskopische Beobachtung des Knochens die Zeitspanne seit dem Zahnverlust („time since tooth loss“, TSL) ermittelt werden kann, insbesondere im archäologischen Kontext äußerst wertvoll. Solch ein Zeitschema mit Angaben über die Variabilität der zeitlichen Abläufe bei den Heilungsvorgängen kann nicht nur in der Osteologie, sondern auch in der Forensik, der allgemeinen Zahnheilkunde und der Implantologie nutzbringend angewandt werden. rnrnNach dem Verlust eines Zahnes wird das Zahnfach in der Regel durch ein Koagulum aufgefüllt. Das sich bildende Gewebe wird rasch in noch unreifen Knochen umgewandelt, welcher den Kieferknochen und auch die angrenzenden Zähne stabilisiert. Nach seiner Ausreifung passt sich das Gewebe schließlich dem umgebenden Knochen an. Das Erscheinungsbild des Zahnfaches während dieses Vorgangs durchläuft verschiedene Stadien, welche in der vorliegenden Studie anhand von klinischen Röntgenaufnahmen rezenter Patienten sowie durch Untersuchungen an archäologischen Skelettserien identifiziert wurden. Die Heilungsvorgänge im Zahnfach können in eine prä-ossale Phase (innerhalb einer Woche nach Zahnverlust), eine Verknöcherungsphase (etwa 14 Wochen nach Zahnverlust) und eine ossifizierte bzw. komplett verheilte Phase (mindestens 29 Wochen nach Zahnverlust) eingeteilt werden. Etliche Faktoren – wie etwa die Resorption des Interdentalseptums, der Zustand des Alveolarknochens oder das Individualgeschlecht – können den normalen Heilungsprozess signifikant beschleunigen oder hemmen und so Unterschiede von bis zu 19 Wochen verursachen. Weitere Variablen wirkten sich nicht signifikant auf den zeitlichen Rahmen des Heilungsprozesse aus. Relevante Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Variabeln wurden ungeachtet der Alveolenauffüllung ebenfalls getestet. Gruppen von unabhängigen Variabeln wurden im Hinblick auf Auffüllungsgrad und TSL in multivariablen Modellen untersucht. Mit Hilfe dieser Ergebnisse ist eine grobe Einschätzung der Zeitspanne nach einem Zahnverlust in Wochen möglich, wobei die Einbeziehung weiterer Parameter eine höhere Präzision ermöglicht. rnrnObwohl verschiedene dentale Pathologien in dieser Studie berücksichtigt wurden, sollten zukünftige Untersuchungen genauer auf deren potenzielle Einflussnahme auf den alveolaren Heilungsprozess eingehen. Der kausale Zusammenhang einiger Variablen (wie z. B. Anwesenheit von Nachbarzähnen oder zahnmedizinische Behandlungen), welche die Geschwindigkeit der Heilungsrate beeinflussen, wäre von Bedeutung für zukünftige Untersuchungen des oralen Knochengewebes. Klinische Vergleichsstudien an forensischen Serien mit bekannter TSL oder an einer sich am Anfang des Heilungsprozesses befindlichen klinischen Serie könnten eine Bekräftigung dieser Ergebnisse liefern.

EPR spectroscopy as a tool for the elucidation of non-covalent structuring principles in complex soft matter

This thesis aims at connecting structural and functional changes of complex soft matter systems due to external stimuli with non-covalent molecular interaction profiles. It addresses the problem of elucidating non-covalent forces as structuring principle of mainly polymer-based systems in solution. The structuring principles of a wide variety of complex soft matter types are analyzed. In many cases this is done by exploring conformational changes upon the exertion of external stimuli. The central question throughout this thesis is how a certain non-covalent interaction profile leads to solution condition-dependent structuring of a polymeric system.rnTo answer this question, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is chosen as the main experimental method for the investigation of the structure principles of polymers. With EPR one detects only the local surroundings or environments of molecules that carry an unpaired electron. Non-covalent forces are normally effective on length scales of a few nanometers and below. Thus, EPR is excellently suited for their investigations. It allows for detection of interactions on length scales ranging from approx. 0.1 nm up to 10 nm. However, restriction to only one experimental technique likely leads to only incomplete pictures of complex systems. Therefore, the presented studies are frequently augmented with further experimental and computational methods in order to yield more comprehensive descriptions of the systems chosen for investigation.rnElectrostatic correlation effects in non-covalent interaction profiles as structuring principles in colloid-like ionic clusters and DNA condensation are investigated first. Building on this it is shown how electrostatic structuring principles can be combined with hydrophobic ones, at the example of host-guest interactions in so-called dendronized polymers (denpols).rnSubsequently, the focus is shifted from electrostatics in dendronized polymers to thermoresponsive alkylene oxide-based materials, whose structuring principles are based on hydrogen bonds and counteracting hydrophobic interactions. The collapse mechanism in dependence of hydrophilic-hydrophobic balance and topology of these polymers is elucidated. Complementarily the temperature-dependent phase behavior of elastin-like polypeptides (ELPs) is investigated. ELPs are the first (and so far only) class of compounds that is shown to feature a first-order inverse phase transition on nanoscopic length scales.rnFinally, this thesis addresses complex biological systems, namely intrinsically disordered proteins (IDPs). It is shown that the conformational space of the IDPs Osteopontin (OPN), a cytokine involved in metastasis of several kinds of cancer, and BASP1 (brain acid soluble protein one), a protein associated with neurite outgrowth, is governed by a subtle interplay between electrostatic forces, hydrophobic interaction, system entropy and hydrogen bonds. Such, IDPs can even sample cooperatively folded structures, which have so far only been associated with globular proteins.