Biologi og neutroner støder sammen for at låse fiskens ørebenes hemmeligheder op

Videnskabelig opdagelse kan komme hvor som helst, men få forskere kan sige, at svarene på deres spørgsmål ville komme fra de ærtestore knogler i hovedet på en seks fod lang, 200 pund forhistorisk ferskvandsfisk.

I en unik parring af biologi og neutronvidenskab, forskere fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fået ny indsigt i akvatisk biokemi ved hjælp af otolitterne i søstørren, Acipenser fulvescens.

Otoliths er små øreben i fisk, der bruges til hørelse og balance, sammensat af polymorfer, eller former, af calciumcarbonat kaldet calcit, aragonit og vaterit.

Vaterite er den sjældneste og mindst stabile af polymorferne, alligevel er et meget eftertragtet biomateriale som tilsætningsstof i papir, plast, kosmetik og biomedicinske produkter såsom nanokapsler, der afgiver medicin. På trods af denne store interesse, vaterite er stadig et mystisk stof:Forskere har foreslået mere end et dusin modeller af dens dårligt forståede krystallinske struktur.

De fleste fiske -otolitter er lavet af aragonit, men nogle primitive fiskearter, nemlig stør, har vaterit otoliths. Tidligere undersøgelser af stør -otolitter rapporterede calcitfraktioner, eller indhold, men blev enten afvist som fejl eller som biprodukter af bevarelse, som det blev antaget, kunne otolitterne kun være ren vaterit.

Brenda Pracheil, en akvatisk økolog i ORNLs afdeling for miljøvidenskab, indgået et samarbejde med Bryan Chakoumakos, en neutronforsker i laboratoriets division Quantum Condensed Matter, at tage et dybere kig på stør -otolitter med en ny teknologi, der sjældent ses i akvatisk biologi.

Ved hjælp af neutrondiffraktion, parret beviste, at otolitterne indeholdt både vaterit- og calcitfraktioner og validerede en krystallinsk strukturel model af vaterit for at fremme forståelsen af ​​den sjældne polymorf.

"Vi anvender materialevidenskabelige teknikker til at studere otolitter, "Chakoumakos sagde." Vi forsøger at tilføje lidt stringens og introducere nye teknikker inden for dette nye forskningsområde. "

På trods af dens høje opløsning og brugervenlighed, neutrondiffraktion havde aldrig været brugt til at undersøge polymorf sammensætning af otolitter. Det er næsten umuligt at skelne mellem polymorfer ved syn, og teknikker som Raman -spektroskopi prøver kun otolithens overflade. Røntgendiffraktion kan finde den gennemsnitlige polymorfe sammensætning, men kræver, at prøven formales til pulver, ødelægger otolithens naturlige krystalorientering og integritet.

"Det fine ved neutroner er, at vi let og ikke -destruktivt kan få et øjebliksbillede af hele otolitten og bevare den til andre målinger, "Sagde Chakoumakos.

Kulstof- og iltatomer spreder også neutroner stærkere end røntgenstråler, giver teamet mulighed for at undersøge karbonatgruppen af ​​vaterit med større klarhed. Deres data passer bedst til en strukturel model, der bekræftes af røntgendiffraktionseksperimenter, indsnævring af de foreslåede strukturer til en pålidelig model.

Otolith -undersøgelsen understreger potentialet i nye samarbejder mellem forskerhold med kompatible videnskabelige mål.

"Det er et ret godt samarbejde, fordi jeg ikke vidste noget om andre fisk end jeg kan lide at fange dem med min fluestang, "Sagde Chakoumakos." Jeg havde tilfældigt foretaget en neutrondiffraktion på otolitter, jeg havde samlet. Jeg vidste, at der havde været rapporter om, at nogle var vaterite, og jeg ville studere det materiale, fordi strukturen var ukendt. "

Chakoumakos hørte om Pracheils arbejde med otolith mikrokemi og kontaktede hende med en idé om at studere vateritten i stør otoliths med neutrondiffraktion. Siden da, deres arbejde har udnyttet Pracheils ekspertise inden for stør otoliths og Chakoumakos 'erfaring med instrumenterne ved Spallation Neutron Source og High Flux Isotope Reactor, som er DOE Office of Science brugerfaciliteter.

"Der har ikke været meget samarbejde mellem miljø- og neutronvidenskab, men der er mange applikationer til det, vi laver, "Sagde Pracheil." Der er så mange nye værktøjer hele tiden, men de betyder ikke noget, hvis du ikke ved, hvordan de vil besvare dine forskningsspørgsmål. "

Det næste trin for teamet er at supplere deres neutronforsøg med elektron tilbagespredende diffraktion og røntgenmikrofluorescens for at generere rumlige kort for bedre at forstå, hvordan forskelle i polymorf sammensætning påvirker sporelementfordeling i otolitter.

"Dette er virkelig revolutionerende inden for mikrokemi, fordi det siger, at vi skal betragte disse polymorfer som ikke bare noget trivielt, "Pracheil sagde." Der er meget der, og vi kradser bare i overfladen. "

Efter at have fået så meget viden om de små otolitter gennem disse nye teknikker, teamet kan se endnu større spørgsmål inden for akvatisk økologi, fiskeriforvaltning og evolutionær biologi, som andre forskere kan udforske.

"Jeg synes, det er virkelig fedt, som biolog, at vi var i stand til at tage denne underlige forhistoriske fisk og validere modeller og empirisk beskrive denne tidligere ukendte krystalstruktur med nye teknikker, "Pracheil sagde." Det åbnede mine øjne for, hvor vigtige disse materialevidenskabelige teknikker er for vores grundlæggende arbejde. "