Article
Reference
L'uranium dans les os fossiles
BAUD, Charles-Albert, MORGENTHALER, Peter W.
Abstract
La quantité d'uranium présent dans un os fossile dépend de facteurs intrinsèques et de facteurs extrinsèques. Facteurs intrinsèques - La pénétration et la fixation d'uranium dans les os comportent: 1. des processus de diffusion, qui sont conditionnés par la porosité et la perméabilité de l'os, donc par sa texture microscopique et submicroscopique; 2. des processus d'adsorption et d'échange qui dépendent de la constitution physique et chimique de la substance minérale osseuse. Facteurs extrinsèques - La teneur en uranium d'un os fossile dépend d'autre part: 1. de la présence d'uranium dans les eaux qui filtrent à travers le sol, et par conséquent dans les formations rencontrées par l'eau; 2. de la perméabilité du sol;
3. de la durée de contact de l'os avec l'eau chargée d'uranium. L'enrichissement des os fossiles en uranium est un phénomène analogue à l'enrichissement en fluor. La mesure de la radioactivité permet donc de distinguer, comme le dosage du fluor, des os fossiles d'âge différent dans un même environnement géologique.
BAUD, Charles-Albert, MORGENTHALER, Peter W. L'uranium dans les os fossiles. Archives suisses d'anthropologie générale , 1959, vol. 24, no. 1-2, p. 45-52
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:99164
Disclaimer: layout of this document may differ from the published version.
1 / 1
Extrait des Archives suisses d'Anthropologie générale. Tome XXIV, N°8 r-2, 1959.
L 'uraniun1 dans les os fossiles*
par
Ch.-Albert BAUD et Peter W. MoRGENTHALER.
Les géologues qui étudient la radioactivité des roches ont occasionnel- lement signalé· que les os pouvaient accumuler des substances radioactives au cours de leur fossilisation, et présentaient alors une nette radioactivité, plus forte même que les roches avoisinantes. Cette constatation a été le point de départ d'investigations systématiques, qui ont montré l'intérêt de ce phénomène pour l'étude des processus de la fossilisation et pour la datation.
Il nous a donc paru utile d'effectuer une série d'observations sur la fixa- tion in vitro de l'uranium dans les os fossiles, afin d'en préciser les méca- nismes et de comparer les résultats obtenus avec les données de la littéra- ture.
MATÉRIEL ET MÉTHODES
Le matériel a été constitué par la série d'os humains fossiles déjà utilisée pour nos précédentes recherches (Baud et Morgenthaler, [3]). Des coupes par usure et polissage de roo à 300 [L d'épaisseur ont été effectuées dans des diaphyses. Elles ont été immergées pendant 14 heures dans une solution de nitrate d'urane à l 0 / 00 dans un tampon de bicarbonate
0.025 N selon les indications de Neuman, Neuman, Main et Mulryan [16].
Après un lavage pendant ro heures dans l'eau distillée plusieurs fois renou- velée, et un repolissage destiné à éliminer les couches superficielles, les coupes ont été séchées à la température du laboratoire.
Les autoradiographies ont été obtenues en appliquant directement les coupes sur l'émulsion d'une plaque nucléaire. Nous avons utilisé les plaques Kodak Nuclear Track, type NTA, avec une épaisseur d'émulsion de ro [L, protégée par une couche superficielle anti-abrasion d'épaisseur inférieure à
* Travail exécuté avec l'aide d'une subvention de la Commission pour la Science Atomique du Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique.
CH.-A. BAUD ET P. W. MORGENTHALER
r µ. Le maintien d'un contact étroit entre la préparation et l'émulsion a été réalisé dans un châssis-presse de tirage photographique.
Les temps de pose nécessaires pour des observations satisfaisantes étaient d'environ 200 jours. Pendant tout ce temps, les châssis devaient être maintenus à l'abri de l'humidité et de la lumière, dans une chambre froide à 4° C.
Après développement dans le révélateur Kodak D-19 et fixation, on a observé au microscope les traces des particules alpha dans l'émulsion.
Après l'autoradiographie, l'épaisseur des coupes a été réduite à 70-roo µ, et des microradiographies ont été faites selon la technique antérieurement décrite (Baud et Morgenthaler, [3]).
RÉSULTATS
L'étude au microscope de la répartition des traces alpha des coupes d'os permet de faire les constatations suivantes.
r. La radioactivité est plus forte sur les bords des fragments, qui cor- respondent aux surfaces ayant été en contact direct avec la solution radio- active (fig. 2).
2. Dans l'intérieur des coupes, la radioactivité est forte en bordure des canaux de Havers et dans les ostéones faiblement minéralisés, faible au contraire dans les ostéones fortement minéralisés et les systèmes inter- médiaires (fig. r et 2).
3. La radioactivité est très forte et répartie de manière beaucoup. plus homogène dans les os creusés de canalicules de forage (fig. 3 et 4).
Ces trois constatations montrent que la répartition de l'uranium est en partie conditionnée par des phénomènes de diffusion. Plus les surfaces de contact entre la substance osseuse et la solution sont grandes, et plus les voies de diffusion sont larges (canaux de Havers, canalicules de forage, substance osseuse moins calcifiée donc plus poreuse et plus perméable), plus la quantité d'uranium est abondante.
4. Lorsque les canaux de Havers sont remplis de calcite, celle-ci apparaît toujours non radioactive (fig. 5 et 6). En effet, l'uranium se fixe
Pl. I. - Microradiographies (à gauche) et autoradiographies (à droite) de coupes transversales de diaphyses d'os humains fossiles, après marquage in vitro à l'uranium. Grossissement: 27 X.
I et 2. Os magdalénien bien conservé (n° I de la série).
3 et 4. Os burgonde mal conservé avec canalicules de forage (n° 6 de la série).
5 et 6. Os néolithique avec dépôts de calcite dans les canaux de Havers (n° 2c de la série).
L'Ul{AN(UM DANS LES OS FOSSILES
47
CH.-A. BAUD ET P. W. MORGENTHALER
par adsorption ou échange à la surface des cristaux de phosphate de cal- cium constituant la substance minérale osseuse; ce phénomène est sélectif;
il n'est possible qu'avec certaines substances minérales; il ne l'est pas avec d'autres, comme la calcite.
5. Bien que dans certaines circonstances l'uranium se dépose sous la forme d'une phase distincte (c'est le cas des os de Reptiles communément trouvés dans les dépôts de carnotite du· Colorado), nous n'avons jamais observé qu'une répartition diffuse correspondant à des phénomènes d'adsorp- tion et d'échange à la surface des cristaux de la substance minérale osseuse.
DISCUSSION
La teneur d'un os fossile en uranium dépend non seulement de facteurs extrinsèques (environnement), mais encore de facteurs intrinsèques (texture osseuse).
Nos expériences ont mis en évidence l'importance des facteurs intrin- sèques, c'est-à-dire des processus de diffusion, d'adsorption et d'échange, pour la répartition de l'uranium dans le tissu osseux compact fossile. Elles sont en accord complet avec nos observations précédentes concernant la fixation in vitro du calcium 45 dans l'os actuel (Dallemagne, Baud et Mor- genthaler, [ro]) et sur la substance minérale des os fossiles (Dallemagne, Baud et Morgenthaler, [9]).
Nos expériences ont également donné des résultats comparables à celles effectuées par Amprino [2] sur la fixation in vitro de l'uranium sur des coupes d'os actuel, en montrant que l'uranium se fixe en quantité d'autant plus grande que la substance osseuse est moins calcifiée.
La forme sous laquelle se trouve l'uranium adsorbé et échangé fait encore l'objet de controverses; il est possible qu'il soit sous la forme d'ions
u++++
(Davidson et Atkin, [n]) ou à l'état d'ions
uo
2++
(Neuman, Neuman, Main et Mulryan, [r6, 17, r8]). Ces derniers auteurs ont étudié particuliè- rement les échanges ioniques in vitro dans l'os actuel minéralisé.Il faut mentionner aussi l'importance de la nature chimique de la sub- stance cristalline à la surface de laquelle se font l'adsorption et l'échange, révélée par les observations radio-géologiques effectuées sur des roches calcaires et des roches phosphatées (Coppens, [8]). Les roches calcaires ne présentent pratiquement pas de radioactivité. Les roches phosphatése ont une teneur en uranium' proportionnelle à leur teneur en phosphate, et l'uranium est fixé au phosphate de calcium. Cela d'une part parce que la
!,'URANIUM DANS LES OS FOSSILES 49
présence de l'ion carbonate gêne considérablement l'adsorption de l'ura- nium, d'autre part parce que l'uranium peut participer à des échanges hétéroioniques dans le phosphate et non dans le carbonate.
La présence dans les os fossiles .d'éléments radioactifs de la série de l'uranium a été détectée pour la première fois par Strutt [22]. Mais au cours des dix dernières années les méthodes de détection et de mesure de la radio- activité, soit directement au moyen du compteur de Geiger-Müller par la méthode de Davidson et Atkin [n], soit sur autoradiographies suivant les procédés de Miller et Hoecker [14] et de Bowie [5], soit par dosage fluori- métrique selon Baynes-Cope [4] ont permis de nombreuses investiga,tions.
C'est ainsi que Hill [12], Jaffe et Sherwood [13], Davidson et Atkin [n], Bowie et Davidson [7], Altschuler, Clarke et Young [1] signalent tous la présence d'uranium dans des os fossiles.
La plupart des données quantitatives existant dans la littérature, sur l'uranium dans les os fossiles, concernent essentiellement le rôle des facteurs extrinsèques. L'investigation systématique d'un assez grand nombre d'échantillons effectuée par Morel [15] a montré qu'il y a une grande varia- tion dans la radioactivité d'un spécimen à l'aùtre, mais qu'en général les plus radioactifs sont trouvés dans des dépôts de sables ou de graviers.
Dans de telles conditions l'eau chargée d'uranium circule facilement dans le sol et le radioélément vient se concentrer dans les os où il atteint des taux beaucoup plus élevés que dans les roches ou les terrains avoisinants.
C'est ainsi que Smith et Bradley [20, 21], confirmant les premières observa- tions de Strutt [22), ont signalé des os de Dinosaure contenant de 0.040 à 0.135% d'uranium tandis que les roches engainantes contiennent seule- ment de 0.001 à 0.005% d'uranium.
De plus, la mesure des radioactivités d'os humains et animaux céno- zoïques, faite par Oakley [19], révèle que la teneur en uranium augmente avec le temps. De même les analyses faites par Bowie et Davidson [7]
pour un groupe d'os du Quaternaire et de la fin du Tertiaire suggèrent une certaine corrélation entre le degré de radioactivité et l'ancienneté.
Mais divers aspects observés sur les autoradiographies de coupes d'os fossiles ne peuvent être expliqués qu'en faisant appel aux phénomènes de diffusion. Ainsi, dans les os relativement imperméables, la radioactivité est plus grande au voisinage de la surface, tandis que si la substance osseuse est poreuse, l'uranium adsorbé tend à se distribuer d'une manière homo- gène dans toute l'épaisseur (Davidson et Atkin, [n]; Bowie et Atkin, [6];
Altschuler, Clarke et Young, [1]). Déjà Hill [12] avait constaté que les os à structure bien conservée présentaient une radioactivité plus forte à
Arcb. suisses d'antbrop. gén. - T. XXIV. - 1959. 4
50 CH.-A. BAUD ET P. W. MORGENTHALER
la surface que dans l'intérieur, tandis que les os mal conservés et silicifiés présentaient une radioactivité à peu près uniforme dans toute leur masse.
Il est à noter, dans le même ordre d'idées, que la dentine et le cément des dents fossiles sont presque toujours plus radioactifs que l'émail (environ deux fois) comme l'ont montré Oakley [r9] et Bowie et Davidson [7]. Cela s'explique facilement, puisque la porosité et la perméabilité de l'émail sont beaucoup moins grandes que celles de la dentine ou du cément.
En pratique, toutes ces recherches ont montré que la radioactivité d'un os fossile dépend de sa texture, de son âge géologique, de la perméabi- lité de la formation dans laquelle il se trouve et de la teneur en uranium des eaux qui ont traversé ces formations au cours des âges. Il s'agit d'un processus analogue ·à celui de l'enrichissement en fluor, et d'ailleurs la teneur en uranium et en fluor des os fossiles augmente souvent parallèle- ment comme l'a vu Oakley [r9]. Dans des circonstances favorables, la détermination de la radioactivité doit donc fournir un moyen de distinguer des os fossiles d'âges différents dans un même environnement géologique, comme le dosage du fluor. C'est ainsi que Oakley [19] a pu montrer que les dents d' Elephas planifrons trouvées dans le gisement de Piltdown ne pou- vaient pas provenir d'un dépôt anglais; leur radioactivité est au moins sept fois plus forte que la radioactivité maximum de tous les échantillons de gisements villafranchiens d'Europe et d'Asie; elle n'est comparable qu'à celle des gisements de Tunisie. Les dents d' Elephas planifrons ont donc bien été introduites artificiellement dans les graviers de Piltdown.
RÉSUMÉ
La quantité d'uranium présent dans un os fossile dépend de facteurs intrinsèques et de facteurs extrinsèques.
Facteurs intrinsèques. - La pénétration et la fixation d'uranium dans les os comportent
r. des processus de diffusion, qui sont conditionnés par la porosité et la perméabilité de l'os, donc par sa texture microscopique et submicrosco- pique;
2. des processus d'adsorption et d'échange qui dépendent de la consti- tution physique et chimique de la substance minérale osseuse.
Facteurs extrinsèques. - La teneur en uranium d'un os fossile dépend d'autre part
L'URANIUM DANS LES OS FOSSILES
51
I. de la présence d'uranium dans les eaux qui filtrent à travers le sol, et par conséquent dans les formations rencontrées par l'eau;
2. de la perméabilité du sol;
3. de la durée de contact de l'os avec l'eau chargée d'uranium.
L'enrichissement des os fossiles en uranium est un phénomène analogue à l'enrichissement en fluor. La mesure de la radioactivité permet donc de distinguer, comme le dosage du fluor, des os fossiles d'âge différent dans un même environnement géologique.
BIBLIOGRAPHIE
1. ALTSCHULER, Z. S., CLARKE, R. S.Jr. et YouNG, E. J. Geochemistry of uranium in apatite and phosphorite. U. S. Geol. Survey Prof. Paper, n° 314-D, 1958, pp. 45,90.
2. AMPRINO, R. Observations on the fixation in vitro of uranium to sections of bone.
Experientia, 9, 1953, pp. 291-293.
3. BAUD, C. A. et MoRGENTHALER, P. V{. Recherches sur le degré de mÎnéralisation de l'os humain fossile par la méthode microradiographique. Arch. suisses Anthr.
gén., 21, 1956, pp. 79-86.
4. BAYNES-COPE, A. D. The fiuorimetric determination of uranium in the Piltdown fossils. Bull. Brit. Museum (Natural History) Geology, 2, 1955, pp. 283-284.
5. BowIE, S. H. U. Autoradiographie techniques in geological research. Bull. Geol.
Survey G. B., 3, 1951, pp. 58-71.
6. - - et ATKIN, D. An unusually radioactive /ossil fish /rom Thurso, Scotland.
Nature, 177, 1956, pp. 487-488.
7. - - et DAVIDSON, C. F. The radioactivity of the Piltdown fossils. Bull. Brit.
Museum (Natural History) Geology, 2, 1955, pp. 276-282.
8. COPPENS, R. La radioactivité des roches. Paris, Presses universitaires de France, 1957.
9. DALLEMAGNE, M. J., BAUD, C. A. et MoRGENTHALER, P.
w :
Réaction d'échangedu calcium dans des os fossiles. Bull. Soc. Chim. biol., 38, 1956, pp. 1207-12n.
10. - - Autoradiographies de coupes d'os compact après marquage aux isotopes in vitro. Essai d'interprétation. Histochemie, I, 1959, pp. 185-189.
II. DAVIDSON, C. F. et ATKIN, D. On the occurrence of uranium in phosphate rock.
C. R. XIX• Congr. géol. internat. Alger, II, 1953, pp. 13-31.
12. HILL, W. S. Elementos radioactivos en los huesos f6siles del Terciario y del Cuater- nario. Ciencia e Investigaci6n, 6, 1950, pp. 43-44.
13. JAFFE, E. B. et SHERWOOD, A. M. Physical and chemical comparison of modern and fossil tooth and bone material. U. S. Geai. Survey, T:KM. 149, 1951, pp. 1-19.
52
CH.-A. BAUD ET P. W. MORGENTHALER14. MILLER, B. L. et HoECKER, F. E. Quantitation of alpha emitters in bone. Nucleonics, 8, n° 5, 1950, pp. 44-52.
15. MOREL, M. V. Non publié, cité par Davidson et Atkin, T953.
16. NEUMAN, W. F., NEUMAN, M. W., MAIN, E. R. et MuLRYAN, B. J. The deposition of uranium in bone. IV. Adsorption studies in vitro. J. Bio!. Chem., 179, 1949, pp. 325-333.
17. - -The deposition of uranium in bone. V. Ion exchange studies. Ibid., pp. 335-340.
18. - -The deposition of uranium in bone. VI. Ion competition studies. Ibid., pp. 341- 348.
19. ÜAKLEY, K. P. The Piltdown mammalia. Bull. Brit. Museum (Natural History) Geology, 2, 1955, pp. 247-253.
20. SMITH, K. G. et BRADLEY, D. A. Radioactive dinosaur bones /rom the Camp Davis region, western Wyoming. Papers Michigan Acad. Science, Arts and Letters, 37, 1952, pp. 257-263.
21. --Radioactive fossil bones in Teton County, Wyoming. Geai. Survey of Wyoming, Report of Invest. n° 4, 1954, pp. 1-12.
22. STRUTT, R. J. On the accumulation of helium in geological lime. Proc. Roy. Soc.
London, A 81, 1908, pp. 272-277.
Institut de Morphologie.
Ecole de Médecine, Genève.
