Högupplöst röntgenfluorescensmikroskopi av fjädrar av strimmigt skjuvatten avslöjar tydlig bandning i fördelningen av brom (B) och ett regelbundet mönster i fördelningen av zink (C). Upphovsman:Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO)
Identifieringen av väsentliga kemiska element i fjädrarna på långväga vandrande sjöfåglar med hjälp av avancerade röntgenbildtekniker utlovar ny inblick i de underliggande fysiologiska processerna bakom fjäderväxt.
I forskning publicerad i Naturvetenskapliga rapporter , ett team av utredare under ledning av ANSTO -biologen Nicholas Howell och prof. Richard Banati gav bevis på tidigare osynliga rumsmönster vid fördelning av metaller som inte verkar vara kopplade till fysiska egenskaper i fjädrarna.
Eftersom mönstren inte är kopplade till pigmentering, tjocklek eller andra strukturella egenskaper hos fjädrarna, författarna föreslår att en annan oidentifierad mekanism kan fungera.
"Vårt samarbete har producerat några anmärkningsvärda skildringar av fjädrarna som låter oss se in i komplexa och mönsterbildande, biokemiska processer i celler, sade prof Banati.
Högupplösta bilder som samlats in med hjälp av röntgenfluorescensmikroproben och Maia-spektroskopiska detektorn vid Australian Synchrotron, avslöjade oberoende distribution av zink, kalcium, brom, koppar och järn.
I denna utredning, tekniken applicerades på hela fjädern, och krävde inga undersamplings- eller extraktionsprocedurer för att exakt identifiera element.
"Med hjälp av detta kraftfulla instrument och Maia -detektor, David Paterson och Daryl Howard kunde skanna prover som var flera centimeter långa vid mikronupplösning, sa Howell.
Röntgenfluorescensmikroskopi låter dig se hårda biologiska strukturer i sitt naturliga tillstånd. Detektorsystemet påskyndar skanningen av provet i realtid och levererar data med en aldrig tidigare skådad upplösning.
Bilderna, som tidigare har uppnått känslighet och upplösning, ge en distributionskarta över en rad kemiska element i fjädern.
Att förstå utvecklingen av fågelfjädrar är viktigt för att förstå utvecklingen av fåglar, organbildning, vävnadsregenerering och enskilda djurs hälsostatus.
Fynden har också en betydande potentiell tillämpning bredare inom utvecklingsbiologi.
"Samma grundläggande biokemiska mekanismer som gör att fjädrar kan utvecklas hos fåglar arbetar på andra djur och människor, sa Howell.
Modeller av mönsterbildning i fjädrar visar (A) observerad zinkmönsterbildning kan vara resultatet av en redan existerande heterogenitet bland fjäderstamceller. (B) antalet aterna linjer med högt och lågt zink ungefär den uppskattade totala tillväxtperioden. Upphovsman:Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO)
Till exempel, identifiering av en distinkt, repetitivt mönster i koncentrationen av zink i alla prover var av särskilt intresse.
Zink är ett väsentligt element hos fåglar för tillväxt, bildandet av enzymer, utvecklingen av skelettet och en rad fysiologiska funktioner.
Dessa zinkband liknade men var inte relaterade till distinkta tillväxtband.
Den exakta mekanismen som leder till regelbundna avlagringar av zink är okänd men forskarna märkte att antalet zinkband verkar vara samma som antalet dagar fjädern växer, t.ex. muggningstidens varaktighet.
"Vi har inte helt korrekta uppgifter om hastigheten på fjädertillväxt hos en flyttande sjöfågel, som måste observeras under förhållanden i djurets naturliga livscykel, sa Howell.
"Ändå, så mycket regelbunden, biologiska mönster innehåller viktig information, eftersom det liknar trädringar, de är en naturlig tidsstämpel som registrerar händelser under tillväxten av dessa mönster. "sa Howell.
Därför, mönstren i fjädrarna kan vara användbara för att bedöma fågelns hälsa och näringsstatus i efterhand, på det sätt som trädringar indikerar tidigare miljöhändelser, som torka och översvämningar.
Fjädrarna kom från tre arter av vandrande skärvatten, fåglar som är kända för att resa över 60, 000 kilometer per år på deras migration till avelsområden.
Mr Howell sa att inget av arbetet skulle ha varit möjligt utan det noggranna fältarbetet på avlägsna platser.
Enkla bröst- och vingfjädrar från köttfoten, ränder och kortstjärt skjuvvatten samlades på Lord Howe Island, flera japanska öar och Bundeena Beach (NSW) under ledning av medförfattare Dr Jennifer Lavers från Institute of Marine and Antarctic Studies vid University of Tasmania.
"Det är mycket svårt att avbilda och mäta metaller i biologiska prover, men det är något vi kan göra med en mängd olika tekniker på ANSTO med hjälp av röntgenstrålar, neutroner och isotoper, sa Howell.
Förra året, ett liknande tillvägagångssätt användes för att upptäcka och mäta strontium i hajarnas kotor.
