A descoberta científica pode vir de qualquer lugar, mas poucos pesquisadores podem dizer que as respostas às suas perguntas viriam dos ossos do tamanho de ervilhas na cabeça de um Peixes de água doce pré-históricos de 200 libras.

Em um emparelhamento único de biologia e ciência de nêutrons, pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia obtiveram novos insights sobre a bioquímica aquática usando os otólitos do esturjão do lago, Acipenser fulvescens.

Otólitos são pequenos ossos do ouvido em peixes usados ​​para audição e equilíbrio, composto de polimorfos, ou formulários, de carbonato de cálcio chamado calcita, aragonita e vaterita.

Vaterite é o mais raro e menos estável dos polimorfos, ainda é um biomaterial muito procurado como aditivo em papel, plásticos, cosméticos e produtos biomédicos, como nanocápsulas de distribuição de medicamentos. Apesar deste interesse generalizado, vaterite continua sendo uma substância misteriosa:os pesquisadores propuseram mais de uma dúzia de modelos de sua estrutura cristalina mal compreendida.

A maioria dos otólitos de peixes são feitos de aragonita, mas algumas espécies de peixes primitivos, ou seja, esturjões, têm otólitos de vaterita. Estudos anteriores de otólitos de esturjão relataram frações de calcita, ou conteúdo, mas foram descartados como erros ou como subprodutos da preservação, como se presumia que os otólitos só podiam ser vaterita pura.

Brenda Pracheil, um ecologista aquático na Divisão de Ciências Ambientais do ORNL, parceria com Bryan Chakoumakos, um cientista de nêutrons na divisão de matéria condensada quântica do laboratório, para dar uma olhada mais profunda em otólitos de esturjão com uma nova tecnologia raramente vista na biologia aquática.

Usando difração de nêutrons, o par provou que os otólitos continham ambas as frações de vaterita e calcita e validou um modelo estrutural cristalino de vaterita para avançar na compreensão do polimorfo raro.

"Estamos aplicando técnicas de ciência de materiais para estudar otólitos, "Chakoumakos disse." Estamos tentando adicionar um pouco de rigor e introduzir novas técnicas nesta área de pesquisa emergente. "

Apesar de sua alta resolução e facilidade de uso, a difração de nêutrons nunca foi usada para examinar a composição polimórfica dos otólitos. É quase impossível distinguir entre polimorfos visualmente, e técnicas como a espectroscopia Raman apenas amostram a superfície do otólito. A difração de raios-X pode encontrar a composição polimórfica média, mas requer que a amostra seja moída em pó, destruindo a orientação natural do cristal e integridade do otólito.

"O bom dos nêutrons é que somos capazes de obter de forma fácil e não destrutiva um instantâneo de todo o otólito e preservá-lo para outras medições, "Chakoumakos disse.

Os átomos de carbono e oxigênio também espalham nêutrons mais fortes do que os raios-X, permitindo que a equipe examine o grupo carbonático da vaterita com maior clareza. Seus dados se ajustam melhor a um modelo estrutural corroborado por experimentos de difração de raios-X, restringir o campo das estruturas propostas a um modelo confiável.

O estudo do otólito ressalta o potencial de novas colaborações entre equipes de pesquisa com objetivos científicos compatíveis.

"É uma colaboração muito boa porque eu não sabia nada sobre peixes além de gostar de pegá-los com minha vara de pescar, "Chakoumakos disse." Eu tinha feito casualmente uma difração de nêutrons em otólitos que eu havia coletado. Eu sabia que havia relatos de que alguns eram vaterite e queria estudar esse material porque a estrutura era desconhecida. "

Chakoumakos ouviu falar do trabalho de Pracheil na microquímica de otólitos e a contatou com a ideia de estudar a vaterita em otólitos de esturjão com difração de nêutrons. Desde então, seu trabalho capitalizou a experiência de Pracheil em otólitos de esturjão e a experiência de Chakoumakos com os instrumentos da Fonte de Nêutrons de Espalação e Reator de Isótopo de Alto Fluxo, que são instalações do usuário do DOE Office of Science.

"Não tem havido muita colaboração entre as ciências ambientais e de nêutrons, mas existem muitas aplicações para o que estamos fazendo, "Pracheil disse." Existem tantas ferramentas novas o tempo todo, mas não significam nada se você não sabe como responderão às suas perguntas de pesquisa. "

A próxima etapa da equipe é suplementar seus experimentos de nêutrons com difração de elétron retroespalhado e microfluorescência de raios-X para gerar mapas espaciais para entender melhor como as diferenças na composição polimórfica influenciam a distribuição de elementos traço em otólitos.

"Isso é realmente revolucionário para o campo da microquímica porque diz que precisamos considerar esses polimorfos não apenas como algo trivial, "Pracheil disse." Há muita coisa lá e estamos apenas arranhando a superfície. "

Depois de adquirir tanto conhecimento sobre os minúsculos otólitos por meio dessas novas técnicas, a equipe pode ver questões ainda maiores em ecologia aquática, gestão da pesca e biologia evolutiva para outros cientistas explorarem.

"Eu acho muito legal, como biólogo, que fomos capazes de pegar este estranho peixe pré-histórico e validar modelos e descrever empiricamente essa estrutura de cristal até então desconhecida com novas técnicas, "Pracheil disse." Isso abriu meus olhos para a importância dessas técnicas da ciência dos materiais para o nosso trabalho fundamental. "