La découverte scientifique peut venir de n'importe où, mais peu de chercheurs peuvent dire que les réponses à leurs questions viendraient des os de la taille d'un pois dans la tête d'un homme de six pieds de long, Poisson d'eau douce préhistorique de 200 livres.

Dans une combinaison unique de biologie et de science neutronique, des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont acquis de nouvelles connaissances sur la biochimie aquatique en utilisant les otolithes de l'esturgeon jaune, Acipenser fulvescens.

Les otolithes sont de petits os d'oreille chez les poissons utilisés pour l'audition et l'équilibre, composé de polymorphes, ou des formulaires, de carbonate de calcium appelé calcite, aragonite et vatérite.

La vatérite est le plus rare et le moins stable des polymorphes, est pourtant un biomatériau très recherché comme additif dans le papier, plastiques, les cosmétiques et les produits biomédicaux tels que les nanocapsules médicamenteuses. Malgré cet intérêt généralisé, la vatérite reste une substance mystérieuse :les chercheurs ont proposé plus d'une douzaine de modèles de sa structure cristalline mal comprise.

La plupart des otolithes de poissons sont en aragonite, mais certaines espèces de poissons primitives, à savoir les esturgeons, ont des otolithes de vatérite. Des études antérieures sur les otolithes d'esturgeons ont rapporté des fractions de calcite, ou contenu, mais ont été rejetés comme des erreurs ou comme des sous-produits de la préservation, car on supposait que les otolithes ne pouvaient être que de la vatérite pure.

Brenda Pracheil, écologiste aquatique à la Division des sciences de l'environnement de l'ORNL, en partenariat avec Bryan Chakoumakos, un scientifique neutronique de la division Quantum Condensed Matter du laboratoire, pour approfondir les otolithes d'esturgeons avec une nouvelle technologie rarement vue en biologie aquatique.

Par diffraction des neutrons, la paire a prouvé que les otolithes contenaient à la fois des fractions de vatérite et de calcite et a validé un modèle structurel cristallin de vatérite pour faire progresser la compréhension du polymorphe rare.

« Nous appliquons les techniques de la science des matériaux à l'étude des otolithes, " a déclaré Chakoumakos. "Nous essayons d'ajouter un peu de rigueur et d'introduire de nouvelles techniques dans ce domaine de recherche émergent."

Malgré sa haute résolution et sa facilité d'utilisation, la diffraction des neutrons n'avait jamais été utilisée pour examiner la composition polymorphe des otolithes. Il est presque impossible de distinguer les polymorphes à vue, et des techniques telles que la spectroscopie Raman échantillonnent uniquement la surface de l'otolithe. La diffraction des rayons X peut trouver la composition polymorphe moyenne, mais nécessite que l'échantillon soit broyé en poudre, détruire l'orientation cristalline naturelle et l'intégrité de l'otolithe.

"Ce qui est bien avec les neutrons, c'est que nous sommes capables d'obtenir facilement et de manière non destructive un instantané de l'ensemble de l'otolithe et de le conserver pour d'autres mesures, " dit Chakoumakos.

Les atomes de carbone et d'oxygène diffusent également des neutrons plus forts que les rayons X, permettant à l'équipe d'examiner le groupe carbonate de la vatérite avec une plus grande clarté. Leurs données correspondent le mieux à un modèle structurel corroboré par des expériences de diffraction des rayons X, réduire le champ des structures proposées à un seul modèle fiable.

L'étude des otolithes souligne le potentiel de nouvelles collaborations entre équipes de recherche ayant des objectifs scientifiques compatibles.

"C'est une assez bonne collaboration parce que je ne connaissais rien aux poissons à part que j'aime les attraper avec ma canne à mouche, " dit Chakoumakos. " J'avais fait de la diffraction des neutrons sur les otolithes que j'avais collectés. Je savais qu'il y avait eu des rapports selon lesquels certains étaient de la vatérite et je voulais étudier ce matériau car la structure était inconnue."

Chakoumakos a entendu parler des travaux de Pracheil sur la microchimie des otolithes et l'a contactée avec l'idée d'étudier la vatérite dans les otolithes d'esturgeons par diffraction neutronique. Depuis, leurs travaux ont capitalisé sur l'expertise de Pracheil dans les otolithes d'esturgeons et l'expérience de Chakoumakos avec les instruments de la Spallation Neutron Source et High Flux Isotope Reactor, qui sont les installations des utilisateurs du DOE Office of Science.

"Il n'y a pas eu beaucoup de collaboration entre les sciences de l'environnement et les neutrons, mais il y a beaucoup d'applications à ce que nous faisons, " a déclaré Pracheil. " Il y a tellement de nouveaux outils tout le temps, mais ils ne signifient rien si vous ne savez pas comment ils répondront à vos questions de recherche."

La prochaine étape pour l'équipe consiste à compléter leurs expériences neutroniques par la diffraction par rétrodiffusion des électrons et la microfluorescence aux rayons X pour générer des cartes spatiales afin de mieux comprendre comment les différences de composition polymorphe influencent la distribution des éléments traces dans les otolithes.

"C'est vraiment révolutionnaire dans le domaine de la microchimie car cela dit que nous devons considérer ces polymorphes comme non seulement quelque chose de trivial, ", a déclaré Pracheil. "Il y en a beaucoup là-bas et nous ne faisons qu'effleurer la surface."

Après avoir acquis tant de connaissances sur les otolithes minuscules grâce à ces nouvelles techniques, l'équipe peut voir des questions encore plus grandes en écologie aquatique, la gestion des pêches et la biologie évolutive à explorer par d'autres scientifiques.

"Je pense que c'est vraiment cool, en tant que biologiste, que nous avons pu prendre ce poisson préhistorique étrange et valider des modèles et décrire empiriquement cette structure cristalline jusqu'alors inconnue avec de nouvelles techniques, " a déclaré Pracheil. " Cela m'a ouvert les yeux sur l'importance de ces techniques de science des matériaux pour notre travail fondamental. "