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Étude de quelques calcaires fabriqués par les êtres
vivants au moyen des rayons X et des rayons infrarouges
Mile Th. Pobeguin
To cite this version:
410.
ÉTUDE DE QUELQUES CALCAIRES
FABRIQUÉS
PAR LES ÊTRES VIVANTS AU MOYEN DES RAYONS X ET DES RAYONS INFRAROUGESPar Mlle TH. POBEGUIN,
Laboratoire de Botanique, Sorbonne, Paris (France).
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME 15, MAI i954,
Les calcaires jouent un role considerable dans la
nature, car ils occupent une place importante dans les tissus de soutien et de protection edifies par les etres vivants; leur 6tude précise est indispensable
aux zoologistes et aux botanistes, ainsi qu’aux g6o-logues. Les différentes variétés de C03Ca, fabriquées
par les organismes, ne sont jamais absolument pures;
en plus des mati6res organiques, ces calcaires
con-tiennent des traces ou des quantités plus ou moins importantes de sels min6raux divers. Comme dans
le monde min6ral, ils se présentent sous plusieurs
formes cristallographiques anhydres : la calcite, variete stable, rhomboédrique, l’aragonite,
orthorhom-bique ; la vat6rite, hexagonale, a ete signal6e chez
quelques Invert6br6s; personnellement, je ne l’y ai jamais rencontr6e. On trouve 6galement chez les etres vivants, animaux ou v6g6taux, du carbonate
colloidal, dit calcaire amorphe, g6n6ralement
sta-bilis6 par la precipitation concomitante de phosphate
ou de silicate de calcium.
Un organisme donne peut presenter en son sein plusieurs de ces formes : par exemple calcite et
ara-gonite dans les coquilles de certains Mollusques;
chez 1’Escargot, on trouve des granulations de calcaire
amorphe dans le manteau, la coquille et le dard sont en aragonite, 1’epiphragme et la coque de 1’oeuf
sont en calcite, et ceci ne simplifie pas le probl6me.
Il est donc int6ressant, tant au point de vue biolo-gique qu’au point de vue min6ralogique et au point
de vue chimique, de pouvoir identifier les formations calcaires avec sécurité. La grosse difficult6 provient
de ce que l’on ne dispose en general que de
quan-tit6s fort minimes de substance (souvent inf6rieures à I mg). L’extraction des varietes instables du mate-riel biologique pose des probl6mes particuliers, vu les
possibilités de transformation : tel calcaire amorphe, par exemple, n’est amorphe que dans le vivant; c’est
le cas des cystolithes, concr6tions calcaires observ6es dans les
feuilles
de nombreux vegetaux superieurs :des qu’on les met dans 1’eau, le carbonate cristallise
en calcite.
Dans la plupart des cas, une analyse chimique quantitative normale est impossible a pratiquer.
Or deux choses sont importantes : tout d’abord de
pouvoir determiner la variete de C03Ca pr6cipit6e, et de savoir si elle est ou non la seule formee; ensuite
de connaitre les ions etrangers qui la contaminent, pour essayer de voir si, et dans quelle mesure, ils
peuvent etre tenus pour responsables de la
pr6ci-pitation en question. Dans le domaine biologique, la sp6cificit6 est absolue, et si nous, nous pouvons
avoir grand mal a obtenir la variété correspondant
a nos d6sirs, 1’a,nimal, lui ou la plante - ne se trompent jamais.
En premier lieu, il faut pouvoir se referer a des
corps dont on soit sur qu’ils sont purs; et ceci pose
des probl6mes de preparation sur lesquels je
n’insis-terai pas. Mais j’ai pu constater qu’il etait
prati-quement impossible d’obtenir, d volonti et a coup
sur, l’une ou l’autre variete, non contamin6e. Il faut toujours operer la verification du produit prepare, au microscope polarisant, et souvent par d’autres
m6thodes, qui font l’objet de cette Communication.
Les xrnthodes chimiques ou microchimiques de
determination des carbonates de calcium (en parti-culier les m6thodes de coloration), lorsqu’il s’agit de calcaires d’origine biologique, s’av6rent
pratique-ment sans intérêt, etant donne qu’il persiste toujours
dans ces calcaires des traces de matières organiques
et d’impuretés diverses plus ou moins identifiables, qui faussent les réactions.
L’examen optique, au microscope polarisant,
est 6videmment indispensable : il nous renseigne sur 1’6tat de cristalinite du produit. Mais il est rare-ment possible d’observer les caract6res cristallo-graphiques et les indices.
L’analyse
spectrographique
du produit est nonmoins utile. Les spectres d’arc, pris entre électrodes
de charbon, examines dans la region comprise entre z 30o et 5 800 A, nous indiquent, qualitativement,
les impuret6s presentes dans le calcaire 6tudi6. La plupart sont a 1’6tat de traces, mais certaines d’entre elles, comme le phosphore et le silicium, peuvent
etre en quantités notables : la proportion de
phos-phate peut meme d6passer largement celle du carbo-nate, comme dans 1’os. Chez les végétaux, le silicium semble etre beaucoup plus fr6quent que le phos-phore ; je crois que la presence de ce dernier y est assez exceptionnelle.
L’6tude aux rayons X apporte des certitudes incontestables, et est d’autant plus intéressante en
l’occurrence que, pour obtenir un bon radiogramme
Debye-Scherrer, une quantite infime de substance
suffit : i / i oe mg, meme moins. De plus, les debris organiques ne nuisent generalement pas A la pr6-cision des diagrammes. Ceux-ci sont tres suffisamment
differents pour permettre une identification immediate
de la forme de calcaire a laquelle on a affaire, qu’elle ait ete préparée in vitro ou qu’elle provienne d’un organisme. Le probl6me se pose de savoir si l’on peut,
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par cette m6thode, détecter 1’existence et les
pro-portions de l’une des variétés dans 1’autre. C’est la calcite, dont l’une des raies est tr6s intense, qui
s’observe Ie plus facilement. Cependant, s’il n’y a qu’une faible quantite de l’une des varietes dans 1’autre (moins de 5 a o pour Ioo par exemple), elle n’est pas mise en evidence par la m6thode courante;
dans les m6langes, les radiogrammes sont peu
sen-sibles aux légères variations de proportions relatives
des constituants, et, pour toute analyse quantitative
ou meme qualitative fine, on se heurte A de grandes
difficult6s pratiques : la quantité de matiere et sa
texture, le temps de pose, interviennent; il faut choisir des raies intenses et voisines des deux compo-sants, mesurer les intensités au microphotom6tre, comparer avec des melanges etalonnes dont on a trace
les courbes. MM. R. Faivre et G. Sabatier ont ainsi
effectue des dosages avec une precision de i h 5 pour 100.
Dans le cas de melanges phosphates-carbonates
de Ca, la question se complique encore.
11 est evident que, par les rayons X, la presence
de carbonate amorphe n’est jamais detectee, lorsqu’il
se trouve avec un corps cristallisé.
L’6tude aux rayons infrarouges complete les résultats obtenus grace a l’utilisation des techniques pr6c6dentes. L’enregistrement des bandes d’absorption
entre 6 et i5pL permet d’etablfr sans ambigmte la presence de l’une ou 1’autre variete de calcaire.
La figure I montre Failure g6n6rale des spectres de carbonates de Ca, enregistr6s a I’ aide d’un spec-trographe Perkin-Elmer 12 C, muni d’un prisme
en chlorure de sodium. Les abscisses correspondent
aux longueurs d’onde et les ordonn6es aux intensités
des radiations dans le spectre.
Cette m6thode est extrêmement sensible, ce qui prdsente des avantages et des inconvenients ; quelques
inconvenients : meme en faible proportion, les
matières organiques, qu’il est tr6s difficile d’eliminer totalement des calcaires d’origine biologique, peuvent modifier les intensités relatives des bandes, elles peuvent meme masquer certaines d’entre elles et
faire apparaitre des bandes supplémentaires. Lorsque la cuve n’est pas tr6s homog6ne, les bandes s’61ar-gissent et s’ecrasent et le spectre est tres difficile a 6talonner. De plus, pour faire des comparaisons valables, il faut prendre soin de se placer dans des
conditions equivalents d’expérience : utiliser le
meme appareil si possible, et veiller A ce que la gros-seur des grains, 1’6paisseur de la cuve, les largeurs
de la fente, etc., soient comparables. Mais 1a sensi-bilit6 de la m6thode presente des avantages
impor-tants, car de tres faibles quantités d’une substance dans 1’autre peuvent etre mises en évidence, et, dans
certains cas, ces techniques permettront des
appli-cations quantitatives.
Les spectres de la calcite et de Faragonite sont
connus depuis longtemps, mais la vat6rite, le carbo-nate colloidal et l’hexahydrate n’avaient jamais 6t6
examines dans l’infrarouge. L’etude de ces quatre
variétés de G03Ca ete faite en collaboration avec
MIle J. Louisfert. Nous avons pu voir que des
quan-tit6s faibles de calcite pouvaient etre d6tect6es dans
la, vat6rite et dans l’ aragonite; dans la vat6rite, la bande de 745 em-l- est exalt6e et la bande de 714 cm-1
apparait; dans l’ aragonite, la bande de la calcite
situ6e vers 876 em-1 se marque sur le spectre de
1’a,ra,gonite, qui prend A cet endroit l’allure d’une
courbe h trois pointes; dans le cas d’aragonite dans
la calcite, la bande de 698 cm-1 apparait sur le spectre
de la calcite, ainsi que celle de 1080 cm-I. La encore,
la sensibilité est beaucoup plus grande pour des traces de calcite dans l’aragonite que pour des traces d’aragonite dans la calcite.
A la suite de discussions sur la nature de la
subs-tance min6rale osseuse, j’ai 6t6 amenee a observer
les spectres de quelques phosphates de Ca et de melanges de phosphate tricalcique a et de calcite.
Fig. i.
h, hexahydrate; a, aragonite; c.a., calcaire amorphe; c,
cal-cite ; v, vaterite.
Les resultats sont int6ressants et susceptibles
d’appli-cations ult6rieures.
La figure 2 montre quelques-uns de ces spectres :
la calcite et le calcaire amorphe pr6sentent, comme
tous les carbonates de Ca, une large et forte bande
vers 1380-1500 cm-1. Le phosphate tricalcique cx s’en
diff6rencie nettement par 1’existence d’un faible
epa,ulement dans cette region, par I’absence de la bande de 876 cm-1 remplacée par une bande plus large et moins nette (ressemblant A celle du calcaire
amorphe) vers 864 cm-1 et par la presence d’une large bande complexe vers Io30-i ioo cm-I
(compo-santes a io32, 1062 et iog/4cm-1).
Si Fen melanges de 3 a 5 pour 10o de calcite A du
phosphate tricalcique x, la large bande des phosphates
ne change pas, mais celle qui est situ6e vers 864 cm-1
passe a 876, position correspondant au maximum de
la calcite; au fur et a mesure que la proportion de
calcite croit, la bande des carbonates (au dela
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Entre 5 et 10 pour 100 de calcite, la bande de 714 cm-l apparait. Il semble possible de détecter des traces tres
faibles de calcaire dans le phosphate, peut-6tre meme
une carbonatation due a la simple action du gaz
carbonique de 1’air, par l’apparition de la bande
de 1380-1500 cm-1 : ce test s’av6re des plus sensibles,
mais il est pratiquement impossible a utiliser du
point de vue quantitatif, si l’on ne peut s’affranchir
des nombreuses bandes de la vapeur d’eau qui
encom-brent la meme region. Si, au lieu de calcite, il s’agit
Fig. 2.
c, calcite; p(+ c), phosphate + 5 pour i oo de calcite; c.a., calcaire amorphe; c( + p), calcite + 5 pour 100 de phosphate; p, phosphate tricalcique x; cr, pince de
crabe; os, poudre d’os frais.
de calcaire amorphe, ce qui peut etre le cas dans le
domaine biologique, au lieu de la bande de 876 cm-1, c’est la. bande de 1078-1080 cnx-1 qui se marque
sur le spectre. 11 est meme possible, par cette méthode, de mettre en evidence, dans du phosphate tricalcique, la presence simultanée du carbonate colloidal et d’un carbonate cristallis6.
Si l’on mélange, au contraire, environ 5 pour 100
de phosphate tricalcique a de la calcite, au spectre caract6ristique de cette derni6re s’ajoute la. bande
des phosphates (io3o-iiooem-1), r6solue en ses
composantes, car la calcite agit comme diluant et
permet d’obtenir une couche de phosphate plus
mince et plus reguliere.
Quelques resultats concrets deja obtenus mettent
en evidence le parti que l’on peut tirer de 1’utilisation
de ces m6thodes, l’une compl6tant l’autre. Le
tegu-ment des Crustac6s est impr6gn6 de calcaire contenant
une certaine quantite de phosphate de Ca, d’ailleurs variable. C’est le spectre infrarouge qui donne des
precisions sur la nature et les proportions des sels de
calcium : on note la bande de la calcite, la bande des
phosphates, peu profonde, sur laquelle se marque le
maximum caractéristique du calcaire amorphe. En
m6langeant de la calcite, du calcaire amorphe et du
phosphate tricalcique a, il a ete possible de
repro-duire, a peu de choses pr6s, 1’enregistrement obtenu :
1’ echantillon de calcaire 6tudi6 contenait environ 5
à 10 pour i oo de phosphate, 10 a 15 pour 10o de
cal-cite et 70 a 80 pour 10o de calcaire amorphe, ce qui
correspond assez bien aux analyses chimiques
effec-tu6es par ailleurs. La technique pourrait 6videmmeiit
etre améliorée par 1’etude en s6rie de melanges éta-lonn6s. La poudre d’os frais ne donne rien d’autre,
dans les diagrammes de rayons X, que les raies du
phosphate tricalcique oc. Le spectre infrarouge de la
poudre d’os frais (souvent d6fectueux car il est difh-cile d’obtenir une couche pulv6rulente homog6ne), montre les grandes bandes des phosphates et des
carbonates, mais les bandes de la calcite n’apparaissent
pas; ceci confirme l’id,6e que le C03Ca de l’os se
trouve, en majeure partie tout au moins, sous forme colloidale.
Les cystolithes (concr6tions calcaires) de certaines
Urticacées ou Morac6es, formes dans le vivant de
cellulose impr6gn6e de carbonate de Ca a 1’6tat colloidal, ne donnent rien aux rayons X. Les spectres
infrarouges montrent la grande bande des carbonates
et celle du calcaire amorphe, mais la presence de
mati6res organiques rend le spectre difficile a inter-pr6ter. L’analyse spectrographique r6v6le qu’il n’y a
pas trace de phosphore, mais qu’il y a, par contre,
de 5 a I o pour 10o de silice : c’est cette derni6re qui
stabilise le calcaire sous forme colloidale dans la cellule vivante. Le bois de certaines Moracées
pr6-sente de grosses concrétions calcaires : le microscope polarisant montre I’absence de matière amorphe,
mais ne permet pas de definir la substance cristal-line ; dans ce cas, c’est le diagramme de rayons X
qui est le plus net : diagramme de calcite pure, par-faitement cristallis6e. L’analyse spectrographique revele qu’il n’y a pas de phosphore, qu’il n’y a que
des traces de silice, mais que par contre on y trouve, en compagnie d’une quantite notable de Mg, des traces
de Ba, metal generalement non décelable dans les calcaires d’origine biologique.
Ces exemples montrent l’intèrêt que presente 1’etude d’une meme substance au moyen de ces
différentes techniques physiques, utilis6es paral-16lement. Ceci non seulement pour la verification
de corps prepares in vitro, mais encore et surtout pour l’identification et F analyse des calcaires
