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Posté par Isabelle le Dimanche 10/01/2016 à 00:00
Etudier les variations climatiques passées
Dans l'intimité isotopique des molécules fossiles: de nouvelles clés pour étudier le climat passé

Etudier les variations climatiques passées et leurs impacts sur les écosystèmes est un enjeu clé pour prévoir l'avenir du climat terrestre. On peut trouver la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la...) de ces variations dans les archives sédimentaires, en particulier en analysant la composition isotopique en hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) des molécules fossiles qui y sont préservées. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) moléculaire et des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) d'Orsay (CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Paris-Sud / Université Paris-Saclay) et de l'Institut des sciences de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) d'Orléans (CNRS / Université d'Orléans / BRGM) sont parvenus à déterminer par spectroscopie RMN en milieu anisotrope (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) la distribution intramoléculaire des isotopes de l'hydrogène dans la miliacine, une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les...) complexe utilisée par les géochimistes comme traceur du millet. Ces travaux parus dans la revue Geochimica et Cosmochimica Acta ouvrent ainsi de nouvelles perspectives dans l'étude des climats anciens.


Graines de millet commun dans lesquelles la miliacine est très abondante (1% poids). Structure de la miliacine constituée de cinq cycles à six carbones. Les groupements méthyle sur lesquels ont été réalisés les mesures de (D/H)i sont identifiés par des sphères numérotées de 23 à 31. Les rapports (D/H)i des groupements méthyle sont distribués de manière symétrique. Cette distribution particulière ne peut s'expliquer que par la condensation de deux unités farnésyle pyrophosphate au cours de la synthèse de la miliacine. Photo © P. Biron, Bioemco

Les isotopes de l'hydrogène et les changements environnementaux

L'hydrogène est présent sous deux formes isotopiques stables: l'hydrogène H, très majoritaire (99.985 %), et le deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) D, plus lourd mais aussi plus rare (0.015 %). Les proportions relatives de ces deux isotopes (ou composition isotopique en hydrogène, notée (D/H) ou ?D, dans les matières naturelles -eau dans ses différentes formes (liquide, vapeur (), glace), minéraux, molécules organiques carbonées complexes- diffèrent en fonction de leur biosynthèse et/ou des mécanismes d'échanges de l'hydrogène entre ces matières (évaporation et condensation de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), par exemple). Les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) d'hydrogène et le deutérium constituant les molécules organiques synthétisées par les plantes proviennent essentiellement de l'eau qu'elles absorbent, alors que le rapport isotopique (D/H) de cette eau est déterminé par des facteurs climatiques (origine de l'eau des nuages, température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) à laquelle l'eau précipite, évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) de l'eau du sol, transpiration de l'eau des feuilles, ....). De facto, le rapport isotopique global des molécules (D/H)mol (ou ?Dmol) produites par les plantes témoigne des conditions climatiques, mais aussi des voies de biosynthèse empruntées par l'hydrogène depuis l'eau jusqu'à la molécule.

Les mesures classiques de rapports isotopiques moléculaires, réalisées par spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse...) de rapport isotopique (IrMS), fournissent une vision globale, mais ne permettent pas de comprendre comment se distribuent les isotopes de l'hydrogène (sur chaque site) au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui englobe...) même de la molécule en fonction, entre-autres, des voies de biosynthèse. Cette information intramoléculaire, notée (D/H)i (ou ?Di), est pourtant cruciale pour anticiper l'évolution de la composition isotopique de la molécule lors de dégradations qui peuvent intervenir dans le sédiment, par exemple.

La miliacine, biomarqueur moléculaire du millet cultivé

Les chercheurs ont choisi d'étudier une molécule modèle, la miliacine, très abondante dans les graines de millet commun (Panicum miliaceum). Cette molécule a été détectée dans des sédiments datant de l'âge du Bronze (Le bronze est le nom générique des alliages de cuivre et d'étain. Le terme airain désigne aussi le bronze, mais est plutôt employé en poésie et dans les textes littéraires, ainsi qu'en...) (-3000 ans) ce qui témoigne de la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et de détail, La Culture peut être...) du millet dès cette période.

Mesurer le rapport isotopique (D/H)i dans la miliacine

En combinant la Résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.) (RMN) bidimensionnelle (2D) et l'utilisation de cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.) comme solvant organique anisotrope, les chercheurs ont mis en évidence pour la première fois l'hétérogénéité des valeurs de (D/H)i des différents groupes méthyle en fonction de leur position sur la miliacine. Les résultats expérimentaux ont permis de proposer pour la première fois un chemin réactionnel de l'hydrogène menant à la miliacine, compatible avec la distribution isotopique observée. Les chercheurs ont ainsi montré que l'étape clé de la synthèse était la condensation de deux unités farnésyle pyrophosphate (voir Figure).

Les plantes portent, à travers les molécules qu'elles produisent, une emprunte climatique reflétant la composition isotopique de l'eau dont elles s'abreuvent. La compréhension, en amont, des mécanismes réactionnels qui régissent la formation des molécules, est un prérequis qui permettra d'affiner, dans une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...) étape, les conditions climatiques de l'époque, grâce aux mesures des rapports isotopiques pouvant être réalisés sur des molécules "fossiles."

Pour plus d'information voir:
Philippe Berdagué, Philippe Lesot, Jérémy Jacob, Valery J. Terwilliger and Claude Le Milbeau
Contribution of NAD 2D-NMR in liquid crystals to the determination of hydrogen isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le...) profile of methyl groups in miliacin
Geochimica, Cosmochimica Acta, 173, 337-351, (2016).
DOI: 10.1016/j.gca.2015.10.004

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Source: CNRS