Exploring dental morphological variability using virtual techniques

Bei der Erforschung unserer Vorfahren spielen Zähne seit jeher eine entscheidende Rolle, weil sie relativ häufig fossile Elemente darstellen. Zähne spielen auch eine dominante Rolle beim Kauvorgang und ihre Morphologie spiegelt deshalb Ernährungsadaptationen wider. Aufgrund der funktionellen Randbedingungen ist die Gestalt von Zähnen bei Primaten eher konservativ. Die Zahnmorphogenese unterliegt einer komplexen genetischen Regulierung. Nach ihrer Entstehung werden Zähne jedoch nicht mehr umgeformt, so wie es bei Knochen durch biomechanische Stimulation passiert. Die Untersuchung von Zähnen und deren Fragmenten birgt zahlreiche Schwierigkeiten. Zähne sind kleine und komplexe Objekte, die üblicherweise der Abnutzung unterliegen, oder, im paläontologischen Kontext, oft beschädigt und inkomplett sind. Die Einführung von virtuellen Techniken in der Zahnanthropologie hat nachhaltig die Art und Weise verändert, in der Zähne untersucht werden. Nun werden auch die inneren Strukturen zerstörungsfrei zugänglich. Für die Quantifizierung der biologischen Form und Gestalt können die traditionellen morphometrischen Abläufe ersetzt oder kombiniert werden mit neuen statistischen Werkzeugen wie der Geometrischen Morphometrie. Diese Doktorarbeit hat zahlreiche Studien zum Gegenstand, die virtuelle Techniken für die Untersuchung von Zahnschmelzdicken und die geometrisch morphometrische Analyse von Zahn-Oberflächenmodellen nutzen. Die Arbeiten beziehen sich sowohl auf das Milchgebiss als auch auf die permanente Bezahnung von verschiedenen hominin Kladen hinsichtlich dreier verschiedener Zielrichtungen: die morphologische Charakterisierung von bisher unbekannten Fundstücken und deren mögliche taxonomische Einordnung; die Exploration der inner- und zwischenartlichen Variation von dentalen Merkmalen; die Erstellung von neuen Protokollen für die Untersuchung der dentalen Kronenmorphologie. Die Ergebnisse der Forschung konnten wesentlich zu unserem derzeitigen Wissenstand über die hominine Variabilität von Zähnen und zur morphologischen Beschreibung und taxonomischen (Wieder)Einordnung von Fundstücken aus verschiedensten Epochen und Orten der menschlichen Evolution beitragen. Es konnte auch demonstriert werden, dass die verwendeten Werkzeuge tauglich und akkurat sind, um verschiedenste biologische Fragestellungen zu beantworten, und ebenfalls an unterschiedliche Zahntypen und Stadien der Zahnabnutzung angepasst werden können. Gleichzeitig heben die Beiträge aber auch die Grenzen und Probleme bei der Untersuchung fossiler Zähne hervor, die trotz Einsatz modernster Technologie bleiben. Wenn man die äußerst limitierte Anzahl an verfügbaren Fossilien bedenkt, muss man zum Schluss kommen, dass so viel Information als möglich aus jedem noch so kleinen (Zahn)Fundstück gewonnen werden muss. Natürlich muss die sorgfältige Interpretation der morphologischen und morphometrischen Ergebnisse integriert werden mit anderen verfügbaren Informationen. Die Exploration der inner- und zwischenartlichen Variation und die Schaffung neuer Methoden für die Untersuchung der dentalen Morphologie sind jedenfalls Eckpfeiler für die Untersuchung von Zahnfossilen ausgestorbener Spezies.In the study of extinct hominin forms, teeth play key role due to their abundance. Teeth possess a primary role in mastication, thus their morphology reflects dietary adaptation. Owing to functional constraints, the shape of the teeth is rather conservative among primates. Dental morphogenesis is regulated genetically by a complex signaling pattern, and once teeth are formed, they do not remodel as bones do under biomechanical stimulation. The investigation of dental remains presents several challenges owing to the small size of teeth, their geometric complexity, as well as the effects of wear, damage and incompleteness in paleontological settings. The introduction of virtual imaging techniques in dental anthropology has fundamentally changed the way teeth are studied. These techniques enable non-destructive access to dental inner structures through high-resolution three-dimensional visualization. As a result, teeth can be handled as virtual models which can be used to substitute the traditional morphometric approaches with protocols combining these imaging techniques with statistical tools such as geometric morphometrics, an approach suitable for the quantification of biological shapes. In this thesis, several studies using imaging techniques for the investigation of enamel thickness and the creation of surface models as a basis for geometric morphometric analysis are presented. These works investigate the morphology of both deciduous and permanent teeth belonging to various hominin clades, with threefold aims: to provide a morphological characterization of unknown specimens, and, if possible, achieve a taxonomic assessment; to explore the intra- and inter-specific variability of various dental features; and to design new protocols for the study of dental crown morphology. The outcomes of the research conducted have contributed to our knowledge on hominin dental variability and to the morphological description or taxonomic (re)assessment of dental specimens from different times and places of human evolution. The methods used have shown suitability for addressing different biological questions and to be accurate and adaptable to different tooth types or degrees of dental wear. At the same time, these contributions highlighted the problems and limitations in the study of fossil teeth, despite the use of state-of-the-art techniques. In conclusion, considering the paucity of fossils, and the rarity in paleontological settings of other biological evidence other than dental and skeletal remains, it is crucial that as much information as possible should be gathered from each (dental) remain. However, a careful interpretation of the results of the morphological and morphometric investigation should integrate the information from any other evidence available. The exploration of the intra- and interspecific variation and the creation of new methods for the investigation of dental morphology are pivotal elements in the study of dental remains from extinct species