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Le calcaire et la vie

Dossier - Cristallographie : chimie de la calcite
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La calcite, le calcaire... sont partout : roches, matériau de construction, marbre, chaux nécessaire en agriculture, le bâtiment, l'industrie. Ils sont utilisés depuis la préhistoire par tous les peuples. Ils sont aussi nécessaires aux êtres vivants.

  
DossiersCristallographie : chimie de la calcite
 

Le calcaire - et/ou l'aragonite - et la vie : présent partout, dans un nombre incalculable d'organismes et à des degrés divers, il n'est pas possible de tout traiter ici, nous ne prendrons donc que quelques exemples choisis de manière tout à fait arbitraire...

1 - Les Unicellulaires : Les Foraminifères

Les Foraminifères sont des organismes unicellulaires, presque exclusivement marins et occupent de façon très importante les deux cents premiers mètres de tous les océans (environ 10 % du zooplancton) et se déplacent au gré des courants. D'autres, benthiques, restent fixés au fond. On estime à 38 000 le nombre d'espèces fossiles et entre 10 et 20 000 le nombre d'espèces existantes de nos jours. Ils proviennent de lignées développées depuis le Mésozoïque.

Foraminifères actuels de zone tropicale

Ils se caractérisent par un squelette appelé test qui peut être organique, composé de grains de sable agglomérés ou de calcaire. Le type le plus courant étant calcaire et poreux. Le test de certaines espèces peut atteindre un diamètre de 8 cm, mais la moyenne se situe autour de 0,05 cm. C'est l'étude de ces tests dans les sédiments qui permet la reconnaissance des espèces. Les Foraminifères sont des organismes particulièrement précieux pour les reconstitutions paléo-océanographiques: ils sont présents dans presque toutes les mers du globe, ce sont des individus très sensibles aux conditions environnementales de sorte que l'analyse statistique des populations fossiles permet de reconstituer de manière précise les conditions de milieu (ces analyses sont très fiables car les Foraminifères peuvent être très nombreux dans les sédiments).

Foraminifères actuels zone boréale

Du fait de leur abondance et de leur rapide évolution, les foraminifères sont d'excellents marqueurs biostratigraphiques qui permettent de dater les dépôts sédimentaires dans lesquels ils se trouvent. Un exemple d'utilisation des foraminifères est l'étude des cycles glaciaires-interglaciaires du Pléistocène (derniers 2 Ma).

2 - Les plantes : Les Algues

Chez les coraux durs bâtisseurs de récif (Madréporaires - voir plus loin - l'endoderme des polypes renferme, sans exception des algues unicellulaires, les Zooxanthelles, qui vivent en symbiose avec le corail et jouent un rôle très important dans le métabolisme de l'animal. Les Scléractiniaires- ces coraux- ne sont pas les seuls Anthozoaires à héberger des Zooxanthelles dans leur tissu. Cette association entre l'algue et le corail constitue une vraie symbiose car l'association profite aux deux partenaires.

Zooxanthelles.

Plus ou moins sphériques, les Zooxanthelles sont de couleur brune, jaune ou verte, font partie du groupe des Dinoflagellés. Les Zooxanthelles sont dans l'endoderme et sont donc intracellulaires. Elles sont déja présentes dans l'oeuf après la fécondation. Elles se multiplient par scissiparité chez l'adulte et sont présentes dans toutes les couches cellulaires endodermiques mais plus abondantes dans les zones exposées à la lumière. Cette biomasse végétale stockée varie selon les espèces et peut atteindre 60% de la biomasse en protéines du corail. Certains auteurs avancent le chiffre de 30000 algues/mm3 !

Leur densité et leur répartition dans les tissus dépendent du comportement du polype vis à vis de la lumière et de sa physiologie. La lumière est sans doute le facteur écologique le plus important. Un manque de lumière entraîne une plus forte dispersion des Zooxanthelles et une diminution de leur nombre. A l'inverse trop de lumière peut conduire à une abondance d'algues et une régression des polypes. Lorsque les conditions sont mauvaises, les Zooxanthelles dégénèrent et sont rejetées: les coraux blanchissent. Cette situation est plus ou moins réversible. En plus de la production d'oxygène gazeux par photosynthèse, les Zooxanthelles fabriquent d'autres molécules qui vont être profitables aux polypes et qui doivent impérativement traverser la membrane de l'algue pour se retrouver dans le cytoplasme des cellules du polype. En fait certaines observations suggèrent que la perméabilité de la membrane des Zooxanthelles est accrue en présence des tissus du polype. Des études en microscopie électronique montrent le passage à travers la membrane de glycogène et de lipides sous forme de granules. Dans cette association entre une algue et un animal, le corail n'est pas un profiteur et l'algue reçoit en retour une juste contrepartie de ce qu'elle apporte. Ainsi les déchets azotés et phosphorés du polype sont utilisés en partie par l'algue. Plusieurs travaux ont clairement montré que les phosphates, par exemple, sont utilisés par les Zooxanthelles pour leur métabolisme protidique.

Plusieurs autres travaux ont souligné l'importance des Zooxanthelles dans la calcification des coraux et plusieurs théories ont été émises sur les mécanismes mis en jeu. Toutefois à l'heure actuelle aucune de ces théories n'a pu être formellement validée expérimentalement. Du fait qu'elles absorbent du CO2 pour la photosynthèse les Zooxanthelles favoriseraient la précipitation du carbonate de calcium. Elles sécréteraient une substance (hormone ou vitamine) favorisant la croissance, ou augmentant le métabolisme des cellules responsables de la sécrétion du squelette calcaire, ou un produit entrant dans la constitution de la matrice organique du squelette essentielle au dépôt de carbonate de calcium. Elles absorbent les phosphates qui sont des inhibiteurs de la formation des cristaux d'aragonite et favoriseraient ainsi la calcification et, en plus, elles éliminent les ions ammoniums qui gênent la fixation du calcium.

3 - Les animaux 1 : Les coraux

Les Cnidaires sont considérés comme ayant un cycle de vie où alternent une phase polype, fixée, avec une phase méduse libre. Parmi les polypes certains sont spécialisés et se mettent à bourgeonner des méduses. Ces méduses assurent la reproduction sexuée. Les polypes ont des tentacules et passent par deux phases différentes au cours de leur vie. Sur la colonie adulte se forment les organes reproducteurs qui, à maturité libèrent les formes sexuées: les méduses. Celles-ci se reproduisent par fusion de gamètes, donnant ainsi naissance à une larve planctonique qui se fixe ensuite au substrat, où elle forme une nouvelle colonie. Ils sont essentiellement carnivores et capturent le plancton à l'aide des tentacules urticants dont ils sont pourvus.

Corail

On reconnaît actuellement 4 classes de Cnidaires :

Anthozoaires, Scyphozoaires, Cubozoaires et Hydrozoaires. C'est à partir du mode de reproduction que sont distinguées les différentes classes :

La première classe est celle des Anthozoaires, seule la phase polype existe.

Parmi les Anthozoaires, on distingue ceux qui ont une symétrie radiée de type 8 (présence de 8 tentacules) ou Octocoralliaires : coraux mous ou alcyonaires, gorgones et ceux qui ont une symétrie radiée d'ordre 6 (le nombre de tentacules correspond à un multiple de 6) ou Hexacoralliaires : corail noir, anémones et les coraux durs ou Sléractiniaires.

  • Les 3 dernières sont rassemblées sous-embranchement des "Medusozoa"
car elles concernent des animaux qui ont classiquement une cycle où alterne une phase polype et une phase méduse d'où leur nom. Ce qui les différencie c'est le mode d'apparition de la méduse : par scissiparité chez les Scyphozoaires, par métamorphose chez les Cubozoaires, par bourgeonnement chez les Hydrozoaires.

Structure du corail en ME

Le terme de "coraux du récif" désigne les Scléractiniaires (autrefois appelés Madréporaires), les Alcyonaires, les Gorgones et certains Hydrocoralliaires comme les coraux de feu (Millepores). Les Scléractiniaires, connus depuis 200 millions d'années (fin du Trias), sont de loin les plus importants (plus de deux milles espèces répertoriées). Avec les algues calcaires, ils construisent les récifs et sont à l'origine d'énormes dépôts de roches calcaires.

Le récif

Ce sont des constructions édifiées par des êtres vivants : Il existe des récifs d'algues corallinnacées, de mollusques, ou de vers polychètes mais la plupart des récifs sont édifiés par des coraux hermatypiques (Cnidaires) qui possèdent des algues microscopiques symbiotiques (les Zooxanthelles). Ce sont des constructions solides et persistantes: solides, car ils sont constitués par les parties dures du squelette, persistantes, car ils résistent aux chocs après la mort des organismes. Ils sont construits depuis le fond marin sur un substrat dur et peuvent, ou non, affleurer à la surface des océans. Les larves coralliennes se fixent sur le fond. Cette phase se déroule en eaux peu profondes, pour une croissance rapide des squelettes des coraux et des algues calcaires. Les matériaux détritiques viennent colmater les interstices (foraminifères, mollusques, piquants oursins, débris coralliens). L'ensemble est en perpétuel remaniement. Ils ont un développement important: parmi les plus grands récifs il faut citer la Grande Barrière Australienne, les récifs de Nouvelle Calédonie qui dépassent 2000 km de long et ceux de Mayotte. Ils sont capables de modifier les conditions écologiques du milieu : ils arrêtent les mouvements de l'eau (houles, vagues), protégeant ainsi les littoraux. Ces modifications sont chimiques tant par l'utilisation des nutriments du milieu que par les déchets qu'ils produisent. Globalement les récifs sont répartis dans les zones où la température hivernale reste supérieure à 18°C.

Grande Barrière Australie

Les récifs frangeants bordent une terre émergée. Les récifs barrières sont plus larges et plus éloignés de la côte. Ils sont séparés de la côte par un lagon. Les récifs plate-forme ou banc récifal sont des édifices en pleine mer. Les atolls sont de grands récifs annulaires, situés au large, enserrant un lagon central.

Mayotte vue du ciel

4 - Les animaux II : les Mollusques

Les Mollusques sont des animaux cœlomates, présentant fondamentalement une symétrie bilatérale (même si celle-ci se perd chez les Gastéropodes). Ces animaux possèdent un corps mou, non segmenté et présentant trois parties généralement distinctes : la tête, le pied ventral servant à la locomotion et la masse viscérale dorsale. Leur système nerveux se réduit à une courte chaîne ganglionnaire ventrale. La masse viscérale est enveloppée dans le manteau qui sécrète une coquille calcaire.

La formation de la coquille relève de processus complexes non encore tous élucidés. Les mollusques trouvent le calcaire dans leur alimentation. Le calcaire dissous dans le tube digestif passe dans le sang, ou chez certaines espèces, dans des cellules spécialisées du sang, les amibocytes qui stockent le calcaire et le transportent jusqu'au manteau. Il semble que le calcaire arrive au manteau sous la forme de phosphate de calcium qu'une enzyme (phosphatase) transforme en carbonate de calcium. Le carbonate de calcium précipite, selon les espèces de mollusques, sous différentes formes cristallines : calcite (huîtres, coquilles Saint-Jacques), aragonite (buccins, palourdes) ou les deux à la fois (escargots, moules).

Le manteau, par un pli libre de son bord, détermine avec le corps une cavité palléale où se trouvent les branchies. Chez les gastéropodes pulmonés, les branchies disparaissent. C'est la cavité palléale, très vascularisée qui fait office de " poumon ". Chez les mollusques, le pigment respiratoire, ou hémocyanine, contient du cuivre. La classification des mollusques fait apparaître 7 classes : les Aplacophores, les Polyplacophores, les Monoplacophores, les Gastéropodes, les Scaphopodes, les Pélécypodes (Bivalves ou Lamellibranches) et les Céphalopodes.

Polyplacophore Callochiton septemvalis

On ne sait pas si les Ammonites possédaient 2 ou 4 branchies. Mais ces céphalopodes qui possédaient une coquille, ont connu un formidable développement depuis le début du Dévonien jusqu'à la fin du Crétacé, au moins si l'on se réfère au nombre considérable de fossiles que ces animaux ont laissés dans les roches

Ammonites

La nacre

Les huîtres et d'autres mollusques fabriquent de la nacre et/ou des perles, le processus est plus ou moins le même, la nacre se déposant directement sur la coquille et la perle étant une protection contre un élément étranger à l'animal introduit dans sa coquille. L'animal sécrète de la conchioline et ensuite sur ce support organique se dépose l'aragonite, le tout formant la nacre.

Formation de la nacre, cours de Berkeley

5 - Les Animaux III : Les Mammifères et l'Homme.

Régulation de la calcémie chez l'homme

Ce paragraphe est, en gros, valable pour tous les Mammifères et, en très gros pour tous les vertébrés ! Les principes de base sont les mêmes...
La calcémie est la concentration de calcium plasmique (100mg/L) Le calcium assure la rigidité du squelette en formant la partie rigide des os, agit sous forme ionisée (Ca2+) dans plusieurs fonctions (par exemple les contractions musculaires et la transmission synaptique).

La régulation du calcium est stricte, et sa valeur n'est modifiée que de 3% par rapport à la valeur moyenne. Dans le hyaloplasme cellulaire, la concentration en Ca est de 0,1 µM. Il est stocké dans les membranes cellulaires, dans le réticulum endoplasmique et dans les mitochondries. Sous l'influence de certains stimuli, la concentration de calcium augmente jusqu'à 100 fois.

On trouve trois hormones de régulation :

a -- la parathormone (PTH) est hypercalcémiante et sécrétée par la parathyroïde,
b -- la vitamine D ou calciférol synthétisé dans l'épiderme lors de l'exposition aux UV, sa carence entraîne le rachitisme,
c -- la calcitonine, sécrétée par la thyroïde principalement est la seule qui agisse directement sur l'ostéoblaste en y fixant le calcium ce qui a un effet hypocalcémiant (diminution du Ca sanguin, antagoniste de la PTH, peut jouer un rôle dans la prévention de l'ostéoporose).

Selon l'OMS, «l'ostéoporose est une maladie caractérisée par une faible masse osseuse et la détérioration micro architecturale du tissu osseux, une fragilité osseuse et, par suite, une augmentation du risque de fracture».

Le bilan phosphocalcique apprécie l'équilibre phosphocalcique de l'organisme. En cas de pertubation de cet équilibre, sous la forme d'un excès ou d'une insuffisance de calcium dans le sang (hypercalcémie ou hypocalcémie) et/ou d'un excès ou d'une insuffisance de phosphore dans le sang (hyperphosphorémie ou hypophosphorémie), le bilan phospho-calcique essaie d'en quantifier l'importance et d'en retrouver l'origine.

Structure de l'os :

2 structures dans l'os : l'os cortical ou compact l'os trabéculaire ou spongieux.

L'os cortical représente 80 % du total de la masse osseuse. Situé au niveau de la diaphyse des os longs, il entoure les os plats, en particulier les vertèbres. L'os trabéculaire, qui représente les 20 % de la masse osseuse restante, est situé au niveau des métaphyses des os longs et à la partie centrale des os plats.

Légende d'un os long

Hormis les minéraux, le tissu osseux est constitué d'une matrice organique formée pour 90 % de collagène. Cette matrice est dégradée et synthétisée respectivement par deux types de cellules : les ostéoclastes et les ostéoblastes. L'activité de ces deux types de cellules contrôle le processus dynamique dit de «remodelage» qui, tout au long de la vie, renouvelle les tissus de la matrice osseuse et permet de conserver leurs propriétés biomécaniques

Structure osseuse – uni GE

L'eau du robinet et le calcaire (voir aussi chapitre chimie et physique)

Dans son parcours naturel, l'eau traverse plusieurs types de sols, de nature géologique différente. Elle se charge alors en sels minéraux et en oligo-éléments. Elle peut donc, selon les régions, présenter des teneurs différentes en ces divers composants. La dureté d'une eau, est proportionnelle à sa teneur en calcium et en magnésium. En France, l'eau du robinet se situe entre 15°f de dureté (eau douce) et 35°f (eau dure). La dureté de l'eau ne fait pas l'objet de normes sanitaires puisqu'il n'existe pas de toxicité reconnue pour l'homme.

Eau du robinet !

La consommation d'une eau riche en calcium permet d'augmenter la ration calcique et améliore ainsi la couverture des besoins de l'organisme. Même si les produits laitiers constituent la source majeure de calcium, les eaux calcaires en sont un excellent complément. En fait, les seuls désagréments de la dureté plus ou moins grande de l'eau sont de l'ordre du confort. Une eau trop dure a l'inconvénient d'entartrer les canalisations, en particulier d'eau chaude. Pourtant, cela ne justifie pas qu'on adoucisse l'eau du robinet dans le but de protéger les tuyaux de l'entartrage. Une eau trop douce est, plus agressive pour les canalisations, peut corroder les tuyaux, entraînant la libération de particules métalliques. Le problème se pose pour certaines habitations dont les canalisations sont en plomb, qui, lui, est très toxique.