Научные открытия могут прийти откуда угодно, но лишь немногие исследователи могут сказать, что ответы на их вопросы исходят из костей размером с горошину в голове шестифутовой и 200-фунтовой доисторической пресноводной рыбы.
Используя уникальное сочетание биологии и нейтронологии, исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США получили новое представление о водной биохимии, используя отолиты озерного осетра Acipenser fulvescens.
Отолиты - это маленькие слуховые косточки у рыб, используемые для слуха и равновесия, состоящие из полиморфов или форм карбоната кальция, называемых кальцитом, арагонитом и ватеритом.
Ватерит является самым редким и наименее стабильным из полиморфов, но при этом является очень востребованным биоматериалом в качестве добавки к бумаге, пластику, косметике и биомедицинским продуктам, таким как нанокапсулы для доставки лекарств. Несмотря на такой широкий интерес, ватерит остается загадочным веществом: исследователи предложили более десятка моделей его малоизученной кристаллической структуры.
Большинство отолитов рыб состоят из арагонита, но некоторые примитивные виды рыб, а именно осетровые, имеют отолиты ватерита. Предыдущие исследования отолитов осетровых сообщали о фракциях или содержании кальцита, но были либо отклонены как ошибки, либо как побочные продукты консервации, поскольку предполагалось, что отолиты могут быть только чистым ватеритом.
Бренда Прачейл, акваэколог из отдела наук об окружающей среде ORNL, в партнерстве с Брайаном Чакумакосом, нейтронным ученым из отдела квантовых конденсированных сред лаборатории, чтобы глубже изучить отолиты осетровых с помощью новой технологии, редко встречающейся в водной биологии..
Используя дифракцию нейтронов, ученые доказали, что отолиты содержат фракции как ватерита, так и кальцита, и подтвердили модель кристаллической структуры ватерита, чтобы лучше понять редкую полиморфную форму.
«Мы применяем методы материаловедения для изучения отолитов», - сказал Чакумакос. «Мы пытаемся добавить немного строгости и ввести новые методы в эту новую область исследований».
Несмотря на высокое разрешение и простоту использования, дифракция нейтронов никогда не использовалась для изучения полиморфного состава отолитов. Практически невозможно различить полиморфы на вид, и такие методы, как спектроскопия комбинационного рассеяния, берут пробы только с поверхности отолита. Рентгеновская дифракция может определить средний полиморфный состав, но требует измельчения образца в порошок, что разрушает естественную ориентацию кристаллов и целостность отолита.
«Хорошая вещь в нейтронах заключается в том, что мы можем легко и неразрушающе получить снимок всего отолита и сохранить его для других измерений», - сказал Чакумакос..
Атомы углерода и кислорода также рассеивают нейтроны сильнее, чем рентгеновские лучи, что позволяет команде исследовать карбонатную группу ватерита с большей ясностью. Их данные лучше всего соответствуют структурной модели, подтвержденной экспериментами по дифракции рентгеновских лучей, что сужает поле предполагаемых структур до одной надежной модели.
Исследование отолитов подчеркивает потенциал нового сотрудничества между исследовательскими группами с совместимыми научными целями.
"Это довольно хорошее сотрудничество, потому что я ничего не знал о рыбе, кроме того, что мне нравится ловить ее на удочку", - сказал Чакумакос. «Я случайно провел нейтронографию на собранных мною отолитах. Я знал, что были сообщения о том, что некоторые из них были ватеритом, и я хотел изучить этот материал, потому что его структура была неизвестна».
Чакумакос услышала о работе Прахейл по микрохимии отолитов и обратилась к ней с идеей изучить ватерит в отолитах осетровых с помощью дифракции нейтронов. С тех пор их работа основывалась на опыте Прахейла в изучении отолитов осетровых и опыте Чакумакоса с приборами в источнике нейтронов расщепления и высокопоточном изотопном реакторе, которые являются объектами пользователей Управления науки Министерства энергетики США.
«Между науками об окружающей среде и науками о нейтронах не было большого сотрудничества, но то, что мы делаем, имеет много применений», - сказал Прачейл. «Все время появляется так много новых инструментов, но они ничего не значат, если вы не знаете, как они ответят на ваши исследовательские вопросы».
Следующим шагом для группы является дополнение их нейтронных экспериментов дифракцией обратного рассеяния электронов и рентгеновской микрофлуоресценцией для создания пространственных карт, чтобы лучше понять, как различия в составе полиморфов влияют на распределение микроэлементов в отолитах.
«Это настоящая революция в области микрохимии, потому что мы должны рассматривать эти полиморфы не просто как что-то тривиальное», - сказал Прахейл. «Там много, и мы только царапаем поверхность».
Получив так много знаний о крошечных отолитах с помощью этих новых методов, команда может увидеть еще более важные вопросы в водной экологии, управлении рыболовством и эволюционной биологии для изучения другими учеными.
«Я думаю, что это действительно здорово, как биолог, что мы смогли взять эту странную доисторическую рыбу, проверить модели и эмпирически описать эту ранее неизвестную кристаллическую структуру с помощью новых методов», - сказал Прахейл. «Это открыло мне глаза на то, насколько важны эти методы материаловедения для нашей фундаментальной работы».