Permanent electric polarization and pyroelectric behaviour of the vertebrate skeleton

Summary

The segmental organisation of the axial skeleton of the Vertebrata according to sclerotomes and scleromites is clearly evident in the Mammalia by their varying directions of electric polarization. In the corpora vertebrae this is demonstrable until the end of the growth period, in the disci intervertebrales the phenomenon persists through life, and in the ligamenta longitudinalia communia columnae vertebralis it probably persists through life. Two types of vertebral epiphyses were found in the Mammalia.

“Type I” has one single, continuous direction of electric polarization like, for instance, the cartilaginous plates of the vertebrae. Examples of this type are the vertebral epiphyses of the Prototheria (Monotremata) and the Metatheria (Marsupialia), the epiphyses hi the caudal vertebrae of numerous Eutheria (Placentalia) and also the bony vertebral epiphyses of man. In vertebrae having this type of epiphysis, the direction of electric polarization is reversed by 180° at the end of the growth period, both in the epiphysis itself and in the bony centre of the corpus to which it belongs.

“Type II” consists of two layers having opposite directions of electric polarization and is comparable to the epiphyses of certain long bones. This type is found in the trunk vertebrae of the Eutheria, but it was also detected in the caudal vertebrae of the Edentata and Cetacea specimens investigated by us. (Type II occurs neither in man nor probably in the anthropoid apes).

In the bony parts of the axial skeleton of the Mammalia, the electric polarization phenomena fade with age; this fading process sets in sooner or later after termination of the growth period. It invariably begins at the centre of the vertebral body and progresses, simultaneously in the two vertebral halves, towards the cranial and caudal end faces of the vertebrae. In old specimens, some weak electric polarization is normally only left in the cranial and caudal cortex. Polarization does not fade with age in the “purely” collagenous structures of the axial skeleton (e. g. the disci intervertebrales and the ligamenta longitudinalia communia); the polarization phenomena merely become a little less intense at a very great age, but the reduction in intensity varies greatly from one individual to another, and is probably dependent on their vitality.

We investigated fossile bone material with the task of determining whether the electric polarization phenomena in the collagenous structures are maintained over long periods of time. Cervical vertebrae, thoracic vertebrae and lumbar vertebrae of juvenile and adult specimens of the cave bear (Ursus spelaeus), which lived in the glacial period known as the “Würm-Eiszeit”, exhibited electric polarization features that were analogous to those found in contemporary Mammalia of comparable age.

The phylogenetic relationship between the Mammalia and certain Reptilia is clearly brought out by the similarity of electric polarization phenomena in the axial skeleton of the Prototheria (Monotremata) and the Crocodilia.

Zusammenfassung

Durch unterschiedliche Richtungen ihrer elektrischen Polarisation tritt bei den Mammalia die segmentale Gliederung des Vertebrata-Achsenskeletts nach Sclerotomen und Scleromiten deutlich hervor. Dies ist der Fall in den Corpora vertebrae bis zum Wachstumsabschluß, in den Processus vertebrae im juvenilen Stadium, in den Disci intervertebrales zeitlebens und in den Ligamenta longitudinalia communia columnae vertebralis wahrscheinlich zeitlebens. Es wurden zwei Typen von Wirbelepiphysen bei den Mammalia festgestellt.

„Typ I“ hat nur eine einzige, durchgehende elektrische Polarisationsrichtung, ähnlich wie z. B. die Knorpelplatten der Wirbel. Diesem Typ gehören die Wirbelepiphysen der Prototheria (Monotremata) und der Metatheria (Marsupialia), sowie die Schwanzwirbelepiphysen zahlreicher Eutheria (Placentalia) an, übrigens auch die knöchernen Wirbelepiphysen des Menschen. Bei Wirbeln mit diesem Epiphysentyp findet beim Wachstumsabschluß eine Umkehrung der elektrischen Polarisationsrichtungen um 180° sowohl in den Epiphysen selbst als auch im zugehörigen Wirbelkörperkern statt.

„Typ II“ besteht aus zwei Schichten mit einander entgegengesetzten elektrischen Polarisationsrichtungen und hat Ähnlichkeit mit den Epiphysen mancher Röhrenknochen. Er findet sich in den Rumpfwirbeln der Eutheria, wurde aber auch in den Schwanzwirbeln der untersuchten Edentata und Cetacea festgestellt. (Beim Menschen und wahrscheinlich bei den anthropoiden Affen kommt Typ II nicht vor.)

Es tritt ein Altersschwund der elektrischen Polarisationserscheinungen in den knöchernen Teilen des Achsenskeletts der Mammalia früher oder später nach dem Wachstumsabschluß auf. Der Altersschwund beginnt stets in der Corpusmitte und setzt sich, in beiden Wirbelhälften gleichzeitig, nach den cranialen und caudalen Wirbelendflächen zu fort. Alte Individuen zeigen meist nur noch in der cranialen und caudalen Cortex eine schwache elektrische Polarisation. Die „reinen” Kollagenstrukturen des Achsenskeletts (u.a. die Disci intervertebrales und die Ligamenta longitudinalia communia) zeigen keinen Altersschwund, sondern nur eine geringe Abschwächung der elektrischen Polarisationserscheinungen im höchsten Lebensalter und mit ausgeprägter individueller, wahrscheinlich vitalitätsbedingter Unterschiedlichkeit.

Um zu prüfen, ob die elektrischen Polarisationserscheinungen von Kollagenstrukturen sich auch im Laufe langer Zeiträume erhalten, wurde fossiles Knochenmaterial untersucht. Hals-, Brust- und Lendenwirbel juveniler und adulter Exemplare des Höhlenbären (Ursus spelaeus) aus der Wurm-Eiszeit zeigten analoge elektrische Polarisationsverhältnisse wie Mammalia vergleichbaren Alters von heute.

Die stammesgeschichtliche Verwandtschaft der Mammalia mit bestimmten Reptilia kommt in einer Gleichartigkeit der elektrischen Polarisationsverhältnisse im Achsenskelett der Prototheria (Monotremata) und der Crocodilia zum Ausdruck.