Wetenschappelijke ontdekkingen kunnen overal vandaan komen, maar weinig onderzoekers kunnen zeggen dat de antwoorden op hun vragen zouden komen van de botten ter grootte van een erwt in het hoofd van een twee meter lange, Prehistorische zoetwatervissen van 200 pond.

In een unieke combinatie van biologie en neutronenwetenschap, onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben nieuwe inzichten gekregen in aquatische biochemie met behulp van de otolieten van de meersteur, Acipenser fulvescens.

Otolieten zijn kleine oorbotten in vissen die worden gebruikt voor gehoor en evenwicht, samengesteld uit polymorfen, of vormen, van calciumcarbonaat genaamd calciet, aragoniet en vateriet.

Vaterite is de zeldzaamste en minst stabiele van de polymorfen, toch is het een zeer gewild biomateriaal als additief in papier, kunststoffen, cosmetica en biomedische producten, zoals nanocapsules die medicijnen afleveren. Ondanks deze brede belangstelling, vateriet blijft een mysterieuze substantie:onderzoekers hebben meer dan een dozijn modellen voorgesteld van zijn slecht begrepen kristallijne structuur.

De meeste visotolieten zijn gemaakt van aragoniet, maar sommige primitieve vissoorten, namelijk steuren, hebben vateriet otolieten. Eerdere studies van steurotolieten rapporteerden calcietfracties, of inhoud, maar werden ofwel afgedaan als fouten of als bijproducten van bewaring, omdat werd aangenomen dat de otolieten alleen pure vateriet konden zijn.

Brenda Pracheil, een aquatisch ecoloog in de afdeling Milieuwetenschappen van ORNL, samen met Bryan Chakoumakos, een neutronenwetenschapper in de Quantum Condensed Matter Division van het lab, om dieper in te gaan op de otolieten van de steur met een nieuwe technologie die zelden wordt gezien in de aquatische biologie.

Met behulp van neutronendiffractie, het paar bewees dat de otolieten zowel vateriet- als calcietfracties bevatten en valideerde een kristallijn structureel model van vateriet om het begrip van de zeldzame polymorf te vergroten.

"We passen materiaalwetenschappelijke technieken toe om otolieten te bestuderen, " zei Chakoumakos. "We proberen een beetje strengheid toe te voegen en nieuwe technieken te introduceren in dit opkomende onderzoeksgebied."

Ondanks de hoge resolutie en het gebruiksgemak, neutronendiffractie was nooit gebruikt om de polymorfe samenstelling van otolieten te onderzoeken. Het is bijna onmogelijk om polymorfen op zicht te onderscheiden, en technieken zoals Raman-spectroscopie bemonsteren alleen het oppervlak van de otoliet. Röntgendiffractie kan de gemiddelde polymorfe samenstelling vinden, maar vereist dat het monster tot poeder wordt vermalen, vernietiging van de natuurlijke kristaloriëntatie en integriteit van de otoliet.

"Het leuke van neutronen is dat we gemakkelijk en niet-destructief een momentopname van de hele otoliet kunnen maken en deze kunnen bewaren voor andere metingen, ' zei Chakoumakos.

Koolstof- en zuurstofatomen verstrooien ook neutronen die sterker zijn dan röntgenstralen, waardoor het team de carbonaatgroep van vateriet met meer duidelijkheid kan onderzoeken. Hun gegevens passen het best bij een structureel model dat wordt bevestigd door röntgendiffractie-experimenten, het gebied van voorgestelde structuren te verkleinen tot één betrouwbaar model.

De otoliet-studie onderstreept het potentieel van nieuwe samenwerkingen tussen onderzoeksteams met compatibele wetenschappelijke doelen.

"Het is een vrij goede samenwerking omdat ik niets van vissen wist, behalve dat ik ze graag met mijn vlieghengel vang, " zei Chakoumakos. "Ik had terloops wat neutronendiffractie gedaan op otolieten die ik had verzameld. Ik wist dat er berichten waren dat sommige vateriet waren en ik wilde dat materiaal bestuderen omdat de structuur onbekend was."

Chakoumakos hoorde over Pracheils werk op het gebied van otolietenmicrochemie en nam contact met haar op met het idee om de vateriet in steurotolieten te bestuderen met neutronendiffractie. Vanaf dat moment, hun werk heeft geprofiteerd van Pracheil's expertise in steur-otolieten en Chakoumakos' ervaring met de instrumenten van de Spallation Neutron Source en High Flux Isotope Reactor, die DOE Office of Science User Facilities zijn.

"Er is niet veel samenwerking geweest tussen milieu- en neutronenwetenschappen, maar er zijn veel toepassingen voor wat we doen, "Zei Pracheil. "Er zijn zo veel nieuwe tools de hele tijd, maar ze betekenen niets als je niet weet hoe ze je onderzoeksvragen zullen beantwoorden."

De volgende stap voor het team is het aanvullen van hun neutronenexperimenten met elektronenterugverstrooiingsdiffractie en röntgenmicrofluorescentie om ruimtelijke kaarten te genereren om beter te begrijpen hoe verschillen in polymorfe samenstelling de verdeling van sporenelementen in otolieten beïnvloeden.

"Dit is echt revolutionair op het gebied van microchemie omdat het zegt dat we deze polymorfen niet alleen als iets triviaals moeten beschouwen, "Zei Pracheil. "Er is daar veel en we krabben nog maar aan de oppervlakte."

Na zoveel kennis te hebben opgedaan over de minuscule otolieten door deze nieuwe technieken, het team ziet nog grotere vragen in aquatische ecologie, visserijbeheer en evolutionaire biologie voor andere wetenschappers om te verkennen.

"Ik vind het echt cool, als bioloog, dat we in staat waren om deze vreemde prehistorische vis te nemen en modellen te valideren en deze voorheen onbekende kristalstructuur empirisch te beschrijven met nieuwe technieken, "Zei Pracheil. "Het opende mijn ogen om te zien hoe belangrijk deze materiaalwetenschappelijke technieken zijn voor ons fundamentele werk."