La scoperta scientifica può venire da qualsiasi luogo, ma pochi ricercatori possono dire che le risposte alle loro domande proverrebbero dalle ossa grandi quanto un pisello nella testa di un Pesce d'acqua dolce preistorico da 200 libbre.

In un binomio unico di biologia e scienza dei neutroni, i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy hanno acquisito nuove conoscenze sulla biochimica acquatica utilizzando gli otoliti dello storione del lago, Acipenser fulvescens.

Gli otoliti sono piccoli ossicini nei pesci utilizzati per l'udito e l'equilibrio, composto da polimorfi, o forme, di carbonato di calcio chiamato calcite, aragonite e vaterite.

La vaterite è il più raro e il meno stabile dei polimorfi, tuttavia è un biomateriale molto ricercato come additivo nella carta, plastica, cosmetici e prodotti biomedici come le nanocapsule per la somministrazione di farmaci. Nonostante questo diffuso interesse, la vaterite rimane una sostanza misteriosa:i ricercatori hanno proposto più di una dozzina di modelli della sua struttura cristallina poco conosciuta.

La maggior parte degli otoliti di pesce sono fatti di aragonite, ma alcune specie di pesci primitivi, vale a dire storioni, hanno otoliti vaterite. Precedenti studi sugli otoliti di storione hanno riportato frazioni di calcite, o contenuto, ma sono stati liquidati come errori o come sottoprodotti della conservazione, come si presumeva che gli otoliti potessero essere solo pura vaterite.

Brenda Pracheil, un ecologista acquatico nella divisione di scienze ambientali dell'ORNL, ha collaborato con Bryan Chakoumakos, uno scienziato di neutroni nella divisione Quantum Condensed Matter del laboratorio, per dare uno sguardo più approfondito agli otoliti di storione con una nuova tecnologia raramente vista nella biologia acquatica.

Utilizzando la diffrazione di neutroni, la coppia ha dimostrato che gli otoliti contenevano sia frazioni di vaterite che di calcite e ha convalidato un modello strutturale cristallino di vaterite per far progredire la comprensione del raro polimorfo.

"Stiamo applicando tecniche di scienza dei materiali allo studio degli otoliti, " Chakoumakos ha detto. "Stiamo cercando di aggiungere un po' di rigore e introdurre nuove tecniche in questa area di ricerca emergente".

Nonostante la sua alta risoluzione e facilità d'uso, la diffrazione di neutroni non era mai stata usata per esaminare la composizione polimorfa degli otoliti. È quasi impossibile distinguere tra polimorfi a vista, e tecniche come la spettroscopia Raman campionano solo la superficie dell'otolite. La diffrazione dei raggi X può trovare la composizione polimorfa media, ma richiede che il campione venga macinato in polvere, distruggendo l'orientamento naturale del cristallo e l'integrità dell'otolite.

"La cosa bella dei neutroni è che siamo in grado di ottenere facilmente e in modo non distruttivo un'istantanea dell'intero otolite e conservarlo per altre misurazioni, " disse Chakoumakos.

Gli atomi di carbonio e ossigeno diffondono anche i neutroni più forti dei raggi X, consentendo al team di esaminare il gruppo carbonato di vaterite con maggiore chiarezza. I loro dati si adattano meglio a un modello strutturale corroborato da esperimenti di diffrazione dei raggi X, restringendo il campo delle strutture proposte a un modello affidabile.

Lo studio sull'otolite sottolinea il potenziale di nuove collaborazioni tra gruppi di ricerca con obiettivi scientifici compatibili.

"È una collaborazione piuttosto buona perché non sapevo nulla di pesce se non mi piace catturarli con la mia canna da mosca, Chakoumakos ha detto. "Avevo fatto casualmente qualche diffrazione di neutroni su otoliti che avevo raccolto. Sapevo che c'erano state segnalazioni secondo cui alcuni erano vaterite e volevo studiare quel materiale perché la struttura era sconosciuta".

Chakoumakos ha sentito parlare del lavoro di Pracheil sulla microchimica degli otoliti e l'ha contattata con l'idea di studiare la vaterite negli otoliti di storione con la diffrazione di neutroni. Da allora, il loro lavoro ha capitalizzato l'esperienza di Pracheil negli otoliti di storione e l'esperienza di Chakoumakos con gli strumenti della Spallation Neutron Source e del reattore isotopico ad alto flusso, che sono le strutture per gli utenti dell'Ufficio della scienza del DOE.

"Non c'è stata molta collaborazione tra scienze ambientali e scienze dei neutroni, ma ci sono molte applicazioni per quello che stiamo facendo, " Pracheil ha detto. "Ci sono così tanti nuovi strumenti tutto il tempo, ma non significano nulla se non sai come risponderanno alle tue domande di ricerca."

Il prossimo passo per il team è integrare i loro esperimenti sui neutroni con la diffrazione di retrodiffusione di elettroni e la microfluorescenza a raggi X per generare mappe spaziali per comprendere meglio come le differenze nella composizione dei polimorfi influenzino la distribuzione degli elementi in traccia negli otoliti.

"Questo è davvero rivoluzionario nel campo della microchimica perché dice che dobbiamo considerare questi polimorfi come non solo qualcosa di banale, " Pracheil ha detto. "C'è molto e stiamo solo grattando la superficie."

Dopo aver acquisito così tante conoscenze sui minuscoli otoliti attraverso queste nuove tecniche, il team può vedere domande ancora più grandi nell'ecologia acquatica, gestione della pesca e biologia evolutiva per altri scienziati da esplorare.

"Penso che sia davvero fantastico, come biologo, che siamo stati in grado di prendere questo strano pesce preistorico e convalidare i modelli e descrivere empiricamente questa struttura cristallina precedentemente sconosciuta con nuove tecniche, " Ha detto Pracheil. "Mi ha aperto gli occhi sull'importanza di queste tecniche di scienza dei materiali per il nostro lavoro fondamentale".