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Manuel de sclérochronologie des poissons

 | 
Jacques Panfili
, 
Hélène de Pontual
, 
Hervé Troadec
, 
et al.

Chapitre VII. Microchimie de l’otolithe

H. de Pontual et A.J. Geffen

Texte intégral

A. Introduction

1Depuis le début des années soixante-dix, un effort de recherche croissant a été consenti pour utiliser la composition chimique des pièces calcifiées (pc) comme source d’information permettant d’aborder un large éventail de questions en halieutique. Cette approche suppose que la composition chimique des tissus durs des poissons reflète les caractéristiques physico-chimiques de l’environnement au sein duquel ces poissons évoluent.

2Les otolithes en particulier ont été qualifiés d’enregistreurs permanents de l’exposition à l’environnement (Campana et al., 1997). Les otolithes sont métaboliquement inertes, peu susceptibles d’être résorbés ou remaniés (Campana & Neilson, 1985) et ils grandissent tout au long de la vie du poisson, de sorte que leur composition présente vraisemblablement le potentiel d’information environnementale le plus élevé de toutes les pc existantes.

3Au cours des dernières années, on a assisté à un développement rapide des possibilités d’applications de la microchimie des otolithes (mco) globalement divisées en deux thèmes de recherche : d’une part, les applications relatives à l’écologie halieutique (reconstitution de l’histoire individuelle des poissons) et, d’autre part, celles concernant les populations (discrimination de populations de poissons, validation des estimations d’âge). Comparés à d’autres carbonates biogéniques, les otolithes sont d’une exceptionnelle pureté. La mco s’intéresse souvent à des variations à micro-échelle des concentrations élémentaires et dépend, par conséquent, d’un certain nombre d’avancées technologiques récentes en chimie analytique et en géochimie.

4Le décodage de l’information chimique de l’otolithe se heurte à plusieurs problèmes : (i) les mécanismes de l’incorporation des éléments chimiques et leurs systèmes de régulation sont mal connus, (ii) il est difficile d’estimer l’incertitude (probabilité d’erreur) associée au résultat d’un processus de mesure particulièrement complexe puisque toutes les étapes menant à ce résultat, à partir de la capture du poisson, sont des sources potentielles d’erreur de mesure, et (iii) les analyses sont relativement coûteuses. Il en a parfois résulté des interprétations spéculatives et des conclusions contradictoires. Cependant, les avancées en matière de mco se poursuivent, bénéficiant d’une base d’information croissante grâce aux études en cours, de développements technologiques et de progrès actuels concernant la compréhension du processus de biominéralisation.

5Ce chapitre vise à donner un aperçu de l’état de l’art en mco, en traitant des applications développées en écologie et gestion des pêcheries, des procédures analytiques et des incertitudes dans les processus analytiques. Il se réfère largement aux publications récentes de Campana (1999) et de Thresher (1999) qui offrent une vue d’ensemble des connaissances actuelles en chimie de l’otolithe des poissons. Quelques définitions et principes chimiques de base sont proposés pour permettre au lecteur d’acquérir les notions essentielles à la compréhension des applications de la microchimie. La composition de l’otolithe et ses relations avec les conditions physiologiques et environnementales sont décrites en préalable à une discussion sur diverses applications. L’utilisation d’autres pc (écailles, vertèbres, rayons de nageoire, etc.) n’est que brièvement traitée, le développement des méthodes et des applications ayant été principalement focalisé, ces dernières années, sur l’analyse des otolithes. La fin de ce chapitre expose certains des problèmes méthodologiques qui doivent être pris en considération au démarrage de toute étude de microchimie.

B. Quelques définitions et principes chimiques de base

6La théorie atomique de la matière de Dalton, laquelle constitue le fondement de la chimie moderne, définit l’atome comme la plus simple unité de matière capable d’une existence propre (i.e. qui ne peut être subdivisée en particules présentant les mêmes propriétés caractéristiques), l’élément comme une substance constituée d’un seul type d’atomes, le composé comme une substance constituée de plus d’un type d’éléments et la molécule comme une substance contenant deux atomes ou plus.

7Bien que de nombreuses particules subatomiques soient maintenant connues, dans la plupart des cas, l’atome peut être considéré comme composé d’un noyau chargé positivement, contenant des protons (chargés positivement) et des neutrons (neutres), et entouré par un nuage d’électrons chargés négativement.

8L’atome (et par conséquent l’élément et sa position dans le tableau périodique) est caractérisé par son numéro atomique (Z) correspondant au nombre de protons présents dans le noyau et par son nombre de masse (A) qui correspond au nombre total de protons et de neutrons (collectivement appelés nucléons) du noyau.

9Les atomes ayant la même valeur Z mais différentes valeurs A (i.e différents nombres de neutrons) sont appelés isotopes. Les isotopes d’un même élément ont des propriétés chimiques presque identiques mais peuvent présenter des propriétés nucléaires très différentes, en termes de radioactivité, de caractéristiques magnétiques ou de masse.

10Les variations de l’abondance relative des différents isotopes de chacun des éléments sont liées à différents processus tels que les fractionnements de masse, la désintégration radioactive ou certaines activités anthropiques (e.g. traitement des combustibles nucléaires, tests d’armes atomiques, etc.). Les isotopes radioactifs sont des isotopes instables qui se désintègrent spontanément pour former d’autres isotopes. Les isotopes stables ne se désintègrent pas mais peuvent être produits par la désintégration d’isotopes radioactifs et sont alors appelés radiogéniques. Par exemple, il existe quatre isotopes naturels du strontium : 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,86 %), 87Sr (7,0 %), 88Sr (82,58 %). Les nombres entre parenthèses indiquent l’abondance naturelle relative de ces isotopes stables. Le 87Sr peut provenir de la nucléosynthèse primordiale, avec les autres isotopes stables de Sr, ou de la désintégration radioactive de 87Rb.

11Les isotopes stables des éléments légers tels que H, C, N, O et S sont souvent mesurés dans diverses études : écologie trophique, effets de la température et du métabolisme. On s’intéresse également depuis peu à la chimie des isotopes d’éléments lourds (e.g. Sr, U, Pb) comme indicateurs environnementaux (Chesney et al., 1998 ; Hobson, 1999).

12Les données isotopiques sont exprimées comme étant la différence relative d’un échantillon par rapport à un standard, selon la notation suivante :

13(VII.1) δhM = ((hM / lM)x/(hM / lM)std – l). 1000

14hM et lM sont des isotopes respectivement lourd et léger d’un élément M, x est l’échantillon et std le standard. Les valeurs delta (δ) sont exprimées en pour mille. Une valeur delta positive (négative) indique que le rapport d’un isotope lourd à un isotope léger est plus élevé (plus faible) dans l’échantillon que dans le standard. Plusieurs standards sont utilisés en fonction de l’élément analysé. Pour des carbonates formés à basse température, les valeurs δ18O et δ13C sont rapportées relativement soit au standard Peedee belemnite (pdb), soit à l’équivalent Vienna-pdb (vpdb). Les valeurs isotopiques de l’oxygène dans l’eau sont généralement rapportées relativement au standard mean ocean water (smow) ou au Vienna standard mean ocean water (vsmow) pour les études en milieu marin, ou au Standard light Antarctic precipitation (slap) pour les études en milieu continental.

1. Fractionnement de masse des isotopes stables

15Dans les molécules, la force requise pour rompre une liaison chimique entre les atomes diffère entre un isotope lourd et un isotope léger, ce qui explique que des fractionnements isotopiques se produisent entre des phases coexistantes au cours de processus physiques ou chimiques. Le fractionnement se produit par des processus cinétiques ou d’équilibre thermodynamique, ce dernier donnant lieu à un fractionnement isotopique qui dépend de la température. C’est le fondement de l’utilisation des isotopes stables en thermométrie.

16Le fractionnement des isotopes entre deux phases A et B est exprimé, pour une température donnée, par le facteur de fractionnement α :

17(VII.2) αA-B = RA/RB

18où R est un rapport isotopique tel que 13C / 12C, 18O / 16O, etc.

19En termes de valeurs δ, cette expression devient :

20(VII.3) αA-B = (1000 + δA) / (1000 + δB)

21Les valeurs de α sont généralement très proches de l’unité pour la plupart des éléments intéressants, typiquement 1,00X, et il est habituel de discuter de fractionnement isotopique en termes de valeurs de X en pour mille.

22De plus, le fractionnement en pour mille est approximativement égal à 103lnα puisque 103ln(l,00X) ≈ X. En outre, quand les valeurs δA et δB sont inférieures à 10 environ, le fractionnement 103lnα est très bien approché par la valeur Δ, définie comme :

23(VII.4) ΔA-B = δA - δB ≈ 103lnα

24L’un des avantages de l’utilisation de l’expression « 103lnα » tient au fait qu’aux températures usuelles en biologie (<200° C), 103lnα est quasi proportionnel à l’inverse de la température (1/T).

25L’intérêt porté à l’utilisation des isotopes de l’oxygène des carbonates marins comme outil de mesure de paléotempératures remonte au début des années cinquante et Epstein et al. (1951, 1953) ont fourni les premières équations de paléotempérature à partir de l’étude de bivalves élevés en laboratoire. Le fractionnement isotopique est souvent mentionné comme étant à l’équilibre. Dans ce contexte, l’équilibre ne se réfère pas à une situation isotonique stable mais à un état d’énergie. L’état d’énergie d’équilibre peut être calculé directement à partir de la force des liaisons atomiques, qui diffère pour les différents isotopes. Étant donné que la température affecte l’état d’énergie d’une manière prévisible, le fractionnement isotopique lors de processus chimiques, tels que la précipitation, peut être calculé. Lorsque les rapports isotopiques mesurés dans les carbonates sont conformes aux prévisions (comme illustré dans les équations ci-dessus), le système est dit en équilibre.

2. Désintégration radioactive

26Seule une faible proportion d’isotopes sont connus pour être indéfiniment stables. Tous les autres se désintègrent spontanément par des processus désignés sous le nom de désintégration radioactive. Ce processus transmute un isotope radioactif dit « père » en un isotope plus stable, dit « fils », spécifique à l’isotope père. Le processus continue jusqu’à ce qu’un noyau stable soit produit. Par exemple, la série radioactive de 238U est constituée de 14 réactions de désintégration avant que l’isotope indéfiniment stable, 206Pb, ne soit formé. La désintégration radioactive est un processus statistique qui dépend uniquement de l’instabilité de chaque radio-isotope particulier. L’activité de décroissance en fonction du temps peut être exprimée par l’équation radioactive exponentielle suivante :

27(VII.5) At = A0.e-λt

28où A0 est l’activité initiale de l’isotope père (en becquerel ou en désintégration par unité de temps), At est l’activité au temps t et λ est la constante radioactive (en temps-1).

29Le taux de décroissance radioactive est exprimé soit par la demi-vie ou période radioactive T, temps nécessaire à la transformation de la moitié du stock initial d’un radio-isotope donné en son isotope fils, soit par la constante radioactive. Elles sont reliées comme suit :

30(VII.6) T = ln 2/λ = 0,693/λ

31Si l’activité initiale A0 d’un système clos est connue ou peut être estimée, le temps écoulé depuis la formation du système peut être estimé à partir de l’équation VII.5. C’est le principe de base de la datation radiométrique. Quand A0 n’est pas connu, la datation radiométrique peut être effectuée dans certains cas en employant les méthodes dites de déséquilibre radioactif, basées sur la mesure du taux d’activité de deux membres d’une famille radioactive.

32Le principe est le suivant : dès lors qu’un isotope père (P) a été incorporé à un système, il commence à se désintégrer, processus qui génère une augmentation de l’activité d’un descendant D de plus courte période. L’activité de D, qui dépend de l’équilibre entre sa propre décroissance et sa production par la décroissance de P, est donnée par l équation de Bateman :

33dans laquelle le second terme correspond à l’activité résiduelle du descendant D qui était présent à t = 0.

34Le rapport des activités des isotopes père et fils peut être dérivé des équations VII.5 et VII.7 :

35Si le système n’est pas perturbé, un état d’équilibre dans lequel le rapport des activités reste constant sera atteint à une vitesse qui dépend des demi-vies de l’élément fils et de l’élément père. Deux situations peuvent se produire :

36La première situation, connue sous le nom d’équilibre transitoire, apparaît lorsque les demi-vies de P et de D sont du même ordre, avec cependant, TP > TD. Dans ce cas, le rapport des activités augmente en fonction du temps, approchant la valeur de TP/(TP-TD) de manière asymptotique (fig. VII.la).

37La deuxième situation, appelée équilibre séculaire, se produit lorsque la demi-vie de P est beaucoup plus longue que la demi-vie de D et que la diminution de l’activité de P est négligeable à l’échelle de temps considérée. Dans ce cas, l’équation de Bateman se réduit à l’équation VII.9 et le rapport des activités se simplifie à l’équation VII.10 :

38Dans ce cas, le rapport des activités augmente avec le temps, approchant la valeur de 1 de manière asymptotique à une vitesse qui dépend de la demi-vie de l’isotope fils (fig. VII.1 b).

39En conclusion, dans les deux situations, la mesure du rapport des activités peut fournir une estimation du temps écoulé depuis l’incorporation de l’isotope père, dans l’échantillon de carbonate pour le cas présent. Les demi-vies respectives des isotopes père et fils régissent l’échelle de temps sur laquelle la méthode pourra être appliquée. En raison de la forme exponentielle de la loi de décroissance, la précision des estimations, qui dépend des erreurs de mesure analytiques de l’activité des isotopes père et fils, diminue au fur et à mesure que l’on s’approche de l’état d’équilibre (fig. VII.1). Il est important de noter que la méthode n’est valide que si le système satisfait à certains critères discutés ci-après pour la datation radiométrique des otolithes.

Figure VII.1 - Relations entre les activités de l’isotope père (courbe rouge) et de l’isotope fils (courbe bleue) et rapport des activités (courbe verte) en fonction du temps. (…..) estimations maximales et minimales du rapport des activités avec une erreur de mesure de ±10 % ; (→) effet de l’erreur de mesure sur l’intervalle d’estimation de l’âge.
a) Situation d’équilibre transitoire. Modélisée avec Tp = 5,76 années et TD = 1,91 année, correspondant respectivement aux demi-vies de 228Th et de 228Ra, et AP arbitrairement fixée à 2. En encart : même modèle avec un rapport des activités initial fixé à 0,2.
b) Situation d’équilibre séculaire. AP a été arbitrairement fixée à 2. En encart : même modèle avec un rapport des activités initial fixé à 0,2.

C. De quoi les otolithes sont-ils composés ?

40Les otolithes se composent de carbonate de calcium (CaCO3) cristallisé sur une matrice organique (Dannevig, 1956 ; Degens et al., 1969). Ce sont des composés relativement purs, comme l’ont montré de nombreux travaux ciblés sur l’analyse élémentaire. Il est apparu, en effet, que la quantité totale d’impuretés inorganiques représente moins de 1 % de la masse de l’otolithe (Edmonds et al., 1992 ; Thresher et al., 1994 ; Proctor et al., 1995 ; Campana et al., 1997). Des études récentes suggèrent également que l’otolithe soit imprégné d’endolymphe, liquide dans lequel il baigne (Gauldie & Coote, 1997 ; Gauldie & Cremer, 1998 ; Milton & Chenery, 1998 ; Proctor & Thresher, 1998), ce qui suppose que la composante fluide peut jouer un rôle essentiel dans la détermination de la composition ultime de l’otolithe (Thresher, 1999).

41Quelques études seulement ont été réalisées sur les composantes fluide et organique des otolithes bien qu’elles soient tout à fait essentielles à une meilleure compréhension de la croissance et de la composition des otolithes.

42Comparée au plasma sanguin, l’endolymphe est riche en K+, relativement pauvre en Na+, elle présente une concentration en Ca total de ~ 1-2 mM et une teneur en protéines relativement faible (fig. VII.2). Son pH est plus alcalin que celui du plasma sanguin, contrairement à ce qui est observé chez les Vertébrés supérieurs (Mugiya & Takahashi, 1985 ; Payan et al., 1997, 1998). Une caractéristique importante de l’endolymphe est que ses principaux constituants présentent des gradients de concentration proximo-distaux croissants ou décroissants. Ils agissent probablement comme des forces directrices dans le processus de biominéralisation et pourraient en outre générer une répartition hétérogène de certains éléments (e.g. K) à la surface de l’otolithe (Payan et al., 1999). Bien que les mécanismes en soient encore mal appréhendés, il est aujourd’hui admis que les protéines de l’endolymphe jouent un rôle clé dans la précipitation du carbonate de calcium ou dans l’inhibition du processus, comme elles le font d’ailleurs dans d’autres processus de biominéralisation ou d’organominéralisation (impliquant de la matière organique non vivante) (voir e.g. Trichet & Defarge, 1995).

43La matrice protéique de l’otolithe a été analysée pour la première fois par Degens et al. (1969) et dénommée « otoline ». La teneur en protéines totales d’un otolithe peut être divisée en deux composantes : protéines hydrosolubles (wsps), d’une part, et protéines insolubles dans l’eau (wips), d’autre part. Chez le tilapia, les wsps représentent près de 50 % du total des protéines. Elles sont caractérisées par une forte teneur en acides aminés acides et ont une excellente capacité de chélation du calcium (Asano & Mugiya, 1993). Elles contiennent une glycoprotéine probablement impliquée dans la régulation du taux d’accrétion en agissant comme inhibiteur de la calcification (Wright, 1991b). Le rôle des WIPs est vraisemblablement structural (Campana, 1999).

FigureVII.2
Concentrations en ions, en CO2 total et en protéines dans le plasma et l’endolymphe sacculaire de la truite (1) et du turbot (2). Les concentrations sont données en millimole par litre pour tous les constituants excepté pour les protéines qui sont données en gramme par litre. D’après les données de Payan et al. (1999).

44La composition élémentaire des otolithes a été largement établie ces dernières années pour une grande variété d’espèces et d’environnements. Campana (1999) fait état d’un total de 31 éléments détectés dans les otolithes, sans compter les radio-isotopes tels ceux de Th et de Ra. Comme on pouvait s’y attendre, étant donné les améliorations apportées aux limites de détection analytiques, d’autres éléments ont été détectés depuis (e.g. Sc, Ti, V : Geffen et al., données non publiées, et Tl, Rb : Pontual et al., 2000).

45La figure VII.3 montre, sur le tableau périodique, la répartition des éléments détectés dans les otolithes. Pour les espèces marines, les éléments les plus abondants appartiennent aux groupes 1-2 et 14-17 du tableau périodique, ce qui reflète dans une certaine mesure l’abondance relative de ces éléments dans l’eau de mer. Les métaux de transition ainsi que les lanthanides et actinides sont moins abondants.

46La gamme des concentrations élémentaires de l’otolithe en fonction des principaux types d’habitat est résumée dans la figure VII.4. Ca, C, et O constituent les éléments majeurs de l’otolithe du fait de la prédominance du carbonate de calcium. Sr, Na, K, S, N, Cl et P ont été trouvés à des concentrations supérieures à 100 ppm (éléments mineurs) tandis que tous les autres éléments sont présents à l’état de traces ou d’ultra-traces et ne peuvent être étudiés qu’au moyen de techniques analytiques extrêmement sensibles.

47Il convient de noter que la composition élémentaire dépend de la forme cristalline de CaCO3. Bien que l’aragonite soit la forme cristalline normale pour les sagittae et les lapilli, elle peut être remplacée, souvent partiellement, par la vatérite (ou plus rarement par la calcite) dans les otolithes anormaux dits « cristallins » (Carlstrom, 1963 ; Gauldie et al., 1993). Les mécanismes de remplacement ne sont pas encore entièrement compris mais il en résulte clairement des différences dans les teneurs en éléments mineurs et traces : à titre d’exemple, la portion vatéritique d’un otolithe de turbot présente des concentrations inférieures en Sr, Na et K et supérieures en Mg et Ca à celles observées dans la partie aragonitique normale de l’otolithe (fig. VII.5). Brown & Severin (1999) rapportent également une diminution des concentrations en Sr, Na et K dans des otolithes vatéritiques, mais ne fournissent aucune donnée sur la concentration en Mg. Il est donc important de s’assurer que les otolithes soumis à l’analyse chimique sont normaux (aragonitiques), les otolithes vatéritiques devant être écartés des analyses de routine. La spectroscopie micro-raman peut déterminer avec précision la présence et la localisation de changements dans la forme cristalline de CaCO3 (Gauldie et al., 1997), information qui peut être utile pour l’interprétation de changements soudains (à une échelle spatiale fine) dans la composition élémentaire.

Figure VII.3 - Distribution, sur le tableau périodique, des éléments détectés dans les otolithes. La masse atomique est précisée pour les isotopes utilisés en chimie des isotopes stables ou pour la datation radiométrique. Les gammes de concentration s’appliquent aux résultats obtenus à partir de l’étude d’espèces marines. L’azote est présent en quantité significative en tant qu’élément de la composante protéique, mais sa concentration absolue est difficile à quantifier.

Figure VII.4 - Visualisation synthétique des données publiées concernant la composition des otolithes en éléments mineurs ou traces (moyenne ± 1 ET) d’espèces occupant trois principaux types d’habitat. Les bâtons sans barres d’erreur indiquent les concentrations d’éléments qui n’ont été observées que dans une seule étude. La concentration en calcium (non représentée) correspond à 38,02 ± 0,50 % et 40,72 ± 1,82 % du poids des otolithes pour les espèces marines et d’eau douce respectivement. D’après les données de Campana (1999).

FigureVII.5
Changement dans la concentration élémentaire d’un otolithe de turbot partiellement vatéritique. Les mesures ont été obtenues en utilisant une microsonde WDS Cameca SX 50 équipée de cinq spectromètres (Pontual, données non publiées).

D. Incorporation des éléments dans l’otolithe : comment et où ?

48Bien que cette question n’ait, jusqu’à présent, suscité qu’une attention relativement faible, il est crucial pour les applications de la mco d’évaluer ce que recouvre réellement le processus de formation de l’otolithe.

49À la différence d’autres processus de biominéralisation, la formation de l’otolithe est un processus acellulaire totalement dépendant de l’endolymphe. La translation de facteurs environnementaux dans la composition de l’otolithe est un processus complexe qui implique quatre compartiments emboîtés :

  • le milieu extérieur où se produisent des variations des facteurs abiotiques ;

  • le plasma sanguin qui répond au milieu extérieur mais présente également des variations endogènes ;

  • l’endolymphe qui module les divers signaux et régule la formation de l’otolithe ;

  • l’otolithe lui-même qui intègre et enregistre une réponse à l’ensemble de ces signaux.

50L’état des connaissances concernant chacune de ces étapes dans la formation de l’otolithe et la façon dont elles affectent la composition de l’otolithe est résumé ci-après.

1. Du milieu extérieur (eau et nourriture) au plasma sanguin

51Le contenu inorganique du plasma est principalement dérivé des eaux environnantes, soit par les échanges branchiaux chez les poissons d’eau douce, soit par assimilation à travers l’épithélium intestinal chez les poissons marins qui avalent des quantités d’eau considérables, phénomène impliqué dans les processus d’osmorégulation (Simkiss, 1974). Les processus d’absorption dépendent de multiples facteurs, y compris des propriétés chimiques de chacun des éléments (voir e.g. Phillips & Rainbow, 1994). Schématiquement, l’absorption des principaux ions métalliques alcalins, tels que Ca, Na et Cl, et celle des espèces ioniques non métalliques, telles que le chlorure, le sulfate et le phosphate, s’effectuent par l’intermédiaire de pompes de transport actif et elles sont fortement régulées. L’absorption de métaux traces dépend des concentrations ioniques ambiantes relatives et peut varier en fonction de l’espèce et de l’environnement. Le processus d’incorporation est alors considéré comme passif, n’exigeant pas de dépense d’énergie. Il dépend de l’affinité des ions hydrosolubles avec des ligands organiques (e.g. protéines chélatrices de métaux) présents dans la membrane des surfaces d’échange.

52L’absorption des éléments dépend également des caractéristiques abiotiques de l’environnement telles que le pH, la salinité, l’oxygène dissous et la température, lesquelles déterminent la concentration en ions libres disponibles pour l’incorporation.

53Parallèlement à l’absorption réalisée à partir des eaux environnantes, certains éléments, micronutriments essentiels et contaminants en particulier, sont fournis, au moins partiellement, par la nourriture, comme l’ont montré diverses études en nutrition des poissons et en écotoxicologie (voir e.g. Bijvelds et al., 1998 ; Cooley & Klaverkamp, 2000). Actuellement, il est encore difficile de généraliser quant aux voies d’incorporation de tous les éléments. On a pu montrer, en particulier, que le Sr de l’otolithe provenait de l’assimilation à partir de la nourriture et de l’eau chez les stades juvéniles d’alose, Alosa sapidissima (Limburg, 1995), de tilapia, Oreochromis niloticus (Farrell & Campana, 1996) et de Girella elevata (Gallahar & Kingsford, 1996), et uniquement à partir de l’eau chez le tambour rouge, Sciaenops ocellatus (Hoff & Fuiman, 1995).

2. Du plasma sanguin à l’endolymphe

54Quelques rares études ont examiné les relations entre la chimie du plasma et celle de l’endolymphe. Dans la continuité des tout premiers travaux sur la biominéralisation de l’otolithe menés par Mugiya et ses collaborateurs (Mugiya, 1966 ; Mugiya & Takahashi, 1985), Kalish (1991a) a examiné les effets de la physiologie et de l’environnement sur la chimie de l’otolithe en analysant les variations saisonnières de sa composition (Ca, Sr, Na, K, S) en fonction des variations de la chimie du plasma et de l’endolymphe. Le contenu ionique et divers métabolites tels que les protéines ont été analysés. Ces dernières déterminent la proportion d’ions libres échangeables par l’épithélium sacculaire. Les résultats ont indiqué que le statut physiologique des poissons du point de vue de la reproduction était le facteur principalement impliqué dans la variation saisonnière du rapport Sr/Ca de l’otolithe. Le jeûne diminue légèrement la concentration plasmatique en Ca et modifie l’équilibre acido-basique du plasma et de l’endolymphe mais le contenu ionique des deux fluides reste similaire, que les poissons soient alimentés ou privés de nourriture (Payan et al., 1998). Edeyer et al. (2000) ont montré que la composition du plasma et de l’endolymphe varie au cours du nycthémère chez le turbot, les gradients ioniques endolymphatiques mis en évidence par Payan et al. (1999) étant cependant maintenus. Il n’existe aucune donnée sur le contenu de l’endolymphe en éléments traces et les mécanismes de transport des différents éléments par l’épithélium sacculaire sont encore discutés. Vu la complexité de la cartographie cellulaire de l’épithélium sacculaire, présentant différents types de ionocytes (Takagi, 1997 ; Pisam et al., 1998), il est probable que des transports ioniques actifs et régulés se produisent au niveau de cette interface. De la correspondance entre les rapports Sr/Ca plasmatique et endolymphatique, Kalish (1991a) a déduit que Ca et Sr sont vraisemblablement transportés dans l’endolymphe par une voie paracellulaire. Mugiya & Yoshida (1995), travaillant sur des sacculi isolés de Carassius auratus, ont conclu, quant à eux, au transport de ces éléments par une voie transcellulaire.

3. De l’endolymphe à l’otolithe

55La mesure dans laquelle les variations de la composition de l’endolymphe affectent effectivement la composition de l’otolithe n’est pas encore clairement établie et les rares données disponibles sur ce sujet ne concernent que le calcium et quelques ions mineurs. Bien qu’il existe des relations évidentes entre la composition de l’endolymphe et celle de l’otolithe (Kalish, 1989, 1991a ; Payan et al., 1999), il semble que la corrélation entre les deux milieux ne soit pas aussi forte qu’initialement présumée. Les données de Kalish (1991a) ne montrent pas de correspondance étroite entre les variations saisonnières de la composition de l’endolymphe et celles de l’otolithe pour Na, K et Sr, bien que des tendances générales semblables soient observées pour Sr. Payan et al. (1999) ont montré que l’augmentation de la concentration endolymphatique distale en K est reflétée par le rapport K/Ca dans la partie distale de l’otolithe. Cependant, la différence entre les valeurs du rapport Na/Ca observées sur les faces proximale et distale de l’otolithe n’a pu être expliquée par les variations du rapport Na/Ca dans l’endolymphe.

56Ce type d’étude pose divers problèmes du fait des caractéristiques propres de l’endolymphe et de l’otolithe et de limitations d’ordre méthodologique. Tout d’abord, la résolution temporelle diffère pour la mesure de la composition de l’endolymphe et celle de l’otolithe. Dans l’endolymphe, des changements instantanés peuvent être mesurés, ce qui permet d’observer des variations au cours du nycthémère (Edeyer et al., 2000). Dans l’otolithe, les variations sont intégrées sur une durée qui dépend du diamètre de la sonde analytique (voir ci-dessous) et du taux de croissance de l’otolithe. De plus, les études de la composition endolymphatique ont le plus souvent utilisé une méthode limitant la mesure au contenu ionique total, alors que c’est la concentration en ions libres (i.e. non liés aux protéines chélatrices de métaux) qui constitue l’information utile en termes d’incorporation élémentaire dans l’otolithe. Enfin, les méthodes de mesure de la composition chimique des otolithes peuvent également être limitées par des interférences analytiques pour certains des éléments intéressants. Les processus d’incorporation spécifiques aux éléments n’ont pas encore été étudiés en détail. Les éléments peuvent être incorporés au cristal, adsorbés à sa surface ou directement liés aux polymères de la matrice organique. L’incorporation au cristal peut se produire soit par substitution, qui a lieu pour des cations de taille et de charge semblables à Ca (e.g. le Sr peut remplacer le Ca), soit par coprécipitation (e.g. formation de magnésite MgCO3). On présume que Li et Ba partagent également ce mode d’incorporation tandis que des éléments tels que Na, Cl, Zn et K pourraient être adsorbés à la surface du cristal dans l’espace intercristallin (Campana, 1999). On ne sait pratiquement rien des éléments qui pourraient être liés aux composés organiques, à l’exception de ceux qui constituent les acides aminés (C, H, O, N, P, S). De façon générale, les modes d’incorporation des cations sont mieux connus que ceux relatifs aux anions. L’incorporation des cations bivalents, par substitution dans la partie minéralisée de l’otolithe, et celle des cations monovalents, par adsorption au niveau des espaces intercristallins, sont les hypothèses qui ont prévalu par le passé. Cependant, au fur et à mesure que s’améliore la fiabilité du dosage des éléments traces, l’existence des différents mécanismes d’incorporation devra être prise en compte et conciliée avec les modèles de composition de l’otolithe. Dans cette perspective, le manque actuel de données sur les éléments liés à la composante organique de l’otolithe s’avère particulièrement problématique.

4. Éléments susceptibles de varier en fonction de leur disponibilité dans l’environnement

57Cette question est évidemment de première importance pour la mco. Campana (1999) a identifié les éléments susceptibles de varier selon leur disponibilité environnementale, sur la base d’arguments résumés ici.

58Tout d’abord, le coefficient de distribution De d’un élément entre l’eau et l’otolithe est un indicateur utile de son niveau de régulation physiologique, permettant sa discrimination à l’une ou plusieurs des interfaces (branchie, intestin, épithélium sacculaire, otolithe). Le coefficient de distribution est donné par :

59De = (élément/Ca)otolithe / (élément/Ca)eau

60où élément et Ca sont des concentrations molaires.

61De très faibles coefficients de distribution (<0,05) sont observés pour des éléments tels que Na, K et Cl. Pour Sr, le coefficient de distribution est d’environ 0,14 et, pour de nombreux éléments traces, il est supérieur à 0,25, voire proche de 1.

62De plus, des comparaisons de données publiées sur les compositions (normalisées à Ca) de l’eau, du plasma sanguin et des otolithes pour des espèces vivant en eau douce et en mer ont donné des relations contradictoires pour Mg, Cu, P et Na. Une meilleure cohérence a pu être relevée dans le cas d’éléments tels que Sr, Zn, Pb, Mn, Ba et Fe, indiquant que leur abondance relative dans l’environnement pouvait être reflétée dans l’otolithe. Campana (1999) a également noté que les concentrations en Li, Cd, Ni et autres éléments moins abondants dans l’otolithe pourraient également refléter correctement leurs disponibilités environnementales.

63Cette classification demeure quelque peu spéculative et demande de plus amples recherches. Comme l’a noté Thresher (1999), la distinction entre, d’une part, les ions mineurs, régulés physiologiquement et, d’autre part, les éléments traces « non régulés » pourrait s’avérer problématique puisque certains éléments traces sont connus pour leur implication dans le métabolisme du poisson comme micronutriments essentiels ou pour leur toxicité (ou encore les deux en fonction du niveau de concentration). Par exemple, on sait que Zn, micronutriment essentiel impliqué dans la formation des tissus osseux et cartilagineux du poisson, devient toxique à des concentrations élevées. On pense par ailleurs que le cadmium, métal toxique également présent dans l’environnement, est susceptible d’interférer avec le métabolisme de Zn. Baskin et al. (1999) ont montré que l’assimilation intestinale des deux éléments pouvait varier, peut-être du fait de la présence de transporteurs de Zn dans l’intestin. En ce qui concerne l’incorporation de Zn dans l’otolithe, on ne sait pas, par exemple, si les oscillations annuelles de la concentration en Zn observées dans les otolithes de Salvelinus alpinus reflètent des variations de la biodisponibilité environnementale ou du métabolisme du poisson (Halden et al., 2000).

E. Applications de la microchimie de l’otolithe

1. Schémas migratoires et histoire environnementale

1.1. Salinité

1.1.1. Comportement migratoire révélé par le rapport Sr/Ca

64En milieu océanique, le Sr et le rapport Sr/Ca présentent une variabilité spatiale relativement faible (2-3 %), avec des eaux de surface légèrement appauvries par rapport aux eaux profondes, ainsi que des valeurs pour les eaux de surface plus élevées aux hautes latitudes et dans les zones d’upwelling (Villiers, 1999). Bien qu’elles varient fortement en fonction de la géologie et des conditions climatiques et hydrographiques, les concentrations en Sr et Ca en eau douce sont beaucoup plus faibles (environ 60 μg.l-1 et 1,5∙104 μg.l-1 respectivement, contre 8 000 μg.l-1 et 4,2.105μg.1-1 en eau de mer). La variabilité du rapport Sr/Ca (d’un facteur 5 environ) entre l’eau douce et l’eau de mer a servi de fondement à l’utilisation du rapport Sr/Ca dans les recherches sur les stratégies de migration de nombreuses espèces. Le rapport Sr/Ca peut être mesuré à l’aide de techniques diverses dont certaines offrent une résolution spatiale (donc temporelle) élevée (fig.VII.5 et chap. VII.G).

65Les espèces qui entreprennent des migrations diadromes au cours de leur cycle de vie ont été largement étudiées. Les anguilles (Anguilla spp.) présentent une nette diminution du rapport Sr/Ca dans l’otolithe lors de leur migration du milieu marin au milieu continental (Casselman, 1982 ; Otake et al., 1994 ; Tzeng et al., 1997). Cependant, la comparaison du profil chronologique de la concentration en Sr avec les discontinuités structurales observées sur l’otolithe au moment de la métamorphose indique que la diminution initiale du rapport Sr/Ca n’est pas due au changement d’habitat mais serait associée à la transformation de la larve leptocéphale en civelle. De tels profils chronologiques ont également fourni un certain nombre d’informations concernant la vitesse à laquelle les poissons colonisent les nourriceries estuariennes.

66Des relations étroites entre la concentration en Sr dans l’otolithe et la salinité ambiante ont également été observées chez des Salmonidés et ont été utilisées afin de distinguer les individus anadromes des individus sédentaires (Kalish, 1990 ; Halden et al., 1995 ; Babaluk et al., 1997). Certains cas de sédentarité ont également été identifiés chez des populations de bar d’Amérique Morone saxatilis auxquelles on attribuait auparavant un comportement migratoire anadrome (Secor et al., 1995b ; Secor & Piccoli, 1996).

67La concentration en Sr dans les otolithes a été également utilisée pour étudier l’avalaison de juvéniles d’aloses Alosa spp. (Limburg, 1995, 1998), la dépendance côtière spécifique à l’âge et la taille de Morone saxatilis adultes et les migrations de frai de différentes espèces (Secor & Rooker, 2000).

68Les études de terrain ont été confirmées par des validations en laboratoire. Par exemple, Secor et al. (1995b) ont montré que les rapports Sr/Ca dans les otolithes de juvéniles de M. saxatilis étaient corrélés à la salinité ambiante. Ces auteurs ont également montré que les otolithes de poissons exposés à des changements de salinité présentaient également des fluctuations du rapport Sr/Ca correspondant aux variations de salinité expérimentales (Secor et al., 1995b). Le rapport Sr/Ca dans l’otolithe reflète le rapport Sr/Ca ambiant, plus que la salinité per se ou que la concentration absolue de l’eau en Sr. Cela pourrait expliquer pourquoi les études ayant manipulé la salinité sur une gamme de variations relativement étroite (e.g. Fowler et al., 1995) ont échoué dans leurs tentatives d’établir une relation claire entre le rapport Sr/Ca dans l’otolithe et la salinité ambiante.

1.1.2. Composition isotopique du Sr

69Il est clairement établi que la composition isotopique de Sr dissous (mesurée par le rapport 87Sr/86Sr) dans les rivières dépend de la géologie locale et qu’elle est donc spécifique du lieu considéré. Partant de l’hypothèse selon laquelle il n’y a pas de fractionnement isotopique de Sr lors de l’absorption et de l’incorporation, l’existence d’une forte corrélation entre le rapport 87Sr/86Sr dans l’otolithe et le rapport 87Sr/86Sr dans l’eau ambiante était prévisible. Cette hypothèse a été validée pour la première fois sur des juvéniles de Salmo salar (Kennedy et al., 1997). En outre, Kennedy et al. (2000) ont montré que la nourriture contribuait à la majeure partie du Sr de l’otolithe de saumon, suggérant ainsi le risque d’identification erronée de l’origine des individus lorsque les comparaisons sont réalisées à partir de la seule signature chimique des eaux alimentant les écloseries (Ingram & Weber, 1999).

70En manipulant expérimentalement la température et la salinité de l’eau d’élevage de juvéniles de Brevoortia patronus, Chesney et al. (1998) ont trouvé que le rapport 87Sr/86Sr dans l’otolithe reflétait la salinité de l’eau d’élevage mais qu’il n’était pas affecté par la température de l’eau. Cependant, ils ont conclu que l’utilité des rapports isotopiques de Sr comme indicateurs précis de la salinité était limitée aux environnements de faible salinité (<20) ou pour des gammes de salinité étendues.

1.1.3. Isotopes stables

71Les masses d’eau sont souvent caractérisées par des différences dans les rapports isotopiques de l’oxygène. Ce phénomène permet de retracer les mouvements des poissons entre les masses d’eau en mesurant les rapports isotopiques de l’oxygène dans les otolithes. Le rapport des isotopes de l’oxygène dans l’otolithe dépend à la fois de la température et de la composition de l’eau. En milieu océanique, la gamme de variation des isotopes dans l’eau est étroite et la plupart des variations des rapports isotopiques de l’oxygène observées dans les otolithes sont dues à des différences de température (fig. VII.6a). En eau douce par contre, les rapports isotopiques de l’oxygène varient considérablement en fonction de l’origine de l’eau. Pour les poissons d’eau douce ou de zones côtières recevant des eaux continentales, ces rapports sont influencés à la fois par la température et par les rapports des isotopes de l’oxygène des eaux environnantes (fig. VII.6b). Dans ces milieux, une reconstitution précise des températures exige la réalisation d’échantillonnages simultanés de l’eau afin de mesurer les rapports isotopiques environnementaux. Cependant, pour étudier les migrations, des valeurs relatives de rapports isotopiques peuvent s’avérer suffisantes et permettre, par exemple, de différencier des individus migrateurs et sédentaires (Nelson et al., 1989 ; Kalish, 1990 ; North-cote et al., 1992).

Figure VII.6 - Relations entre le rapport des isotopes de l’oxygène dans l’otolithe (δ18O dans l’otolithe) et la température de l’eau (trait continu, axe inférieur) et le rapport des isotopes de l’oxygène dans l’eau (δ18O dans l’eau).
a) dans des environnements marins représentatifs comme spécifiés.
b) en milieux continentaux et marins représentatifs comme spécifiés.

72Jusqu’à une date récente, les rapports des isotopes de l’oxygène dans les otolithes ne pouvaient être mesurés que globalement (après dissolution d’otolithes entiers, éventuellement de noyaux d’otolithes) et il était, par conséquent, difficile de retracer des mouvements à petite échelle et des migrations individuelles. L’utilisation de micro-fraises permet aujourd’hui d’échantillonner l’otolithe de façon ponctuelle en suivant les zones de croissance. Jusqu’à 20 échantillons de ce type peuvent être retirés de chaque annulus grâce à des systèmes de micro-fraisage contrôlés par ordinateur (Wurster et al., 1999 ; Weidman & Millner, 2000).

1.2. Température

1.2.1. Les rapports Sr/Ca peuvent-ils servir d’indicateurs de l’histoire thermique individuelle ?

73Selon certaines études pionnières en géochimie, des quantités croissantes de Sr doivent se substituer à Ca dans les carbonates inorganiques au fur et à mesure que la température diminue (Kinsman & Holland, 1969 in Gallahar & Kingsford, 1996). Les rapports Sr/Ca ont été mesurés dans des squelettes coralliens et considérés comme des thermomètres enregistreurs (e.g. Smith et al., 1979). De nombreuses expériences de terrain et de laboratoire ont été réalisées sur les otolithes mais les conclusions avancées sont pour le moins contradictoires. Des relations négatives, positives, inexistantes ou non cohérentes ont été trouvées entre le rapport Sr/Ca et la température (tab. VII.1).

74Kalish (1989) a rapidement émis des doutes au sujet de la dépendance universelle du rapport Sr/Ca à la température dans les otolithes de poissons, suggérant que la concentration en Sr de l’endolymphe pouvait varier de manière saisonnière et en fonction de l’âge pour une espèce donnée, plutôt que répondre directement à la température.

75Townsend et al. (1992) ont avancé qu’à des températures extrêmement basses, les poissons perdent leur capacité à réguler physiologiquement la pénétration de Sr dans l’endolymphe par la concentration plasmatique en protéines chélatrices du calcium. Ces auteurs ont également montré que le ralentissement de la croissance et du métabolisme au cours de l’hiver confortait l’hypothèse de processus d’interférence physiologique sur l’incorporation du strontium. Cette hypothèse a été confirmée par Sadovy & Severin (1992, 1994) qui n’ont pas trouvé d’effet direct de la température mais ont rapproché la variation du rapport Sr/Ca de celle du taux de croissance somatique.

76L’absence d’un effet universel de la température a été « expliquée » par plusieurs auteurs comme résultant des différents processus de régulation de l’incorporation du strontium et, plus généralement, de chacun des éléments. À cause de l’influence potentielle de multiples facteurs endogènes (espèce, ontogenèse, âge, croissance somatique, sexe, statut reproductif) et exogènes (température, salinité, « stress » et régime alimentaire) et de leurs interactions, la généralisation de cet effet semble être aujourd’hui bien plus complexe que prévue.

Tableau VII.1 - Quelques effets de la température sur le rapport Sr/Ca (voir aussi Secor & Rooker, 2000).

Tableau VII.1 - Quelques effets de la temp&#xE9;rature sur le rapport Sr/Ca (voir aussi Secor & Rooker, 2000).

1.2.2. Isotopes stables

77Le δ18O des organismes marins a été largement utilisé en géosciences pour estimer les conditions de température rencontrées par les organismes au cours de leur vie. L’utilisation de coraux vivants et fossiles et de foraminifères est devenue un outil standard pour l’estimation des variations climatiques à l’échelle des temps géologiques et la littérature disponible sur le sujet est tout à fait considérable. De récents articles fournissent des exemples de la diversité des travaux : étude des oscillations du phénomène El Niño dans le Pacifique par l’analyse de coraux bâtisseurs de récifs (Wellington & Dunbar, 1995), étude des changements globaux de température, basée sur l’analyse de la silice biogène (Shemesh et al., 1992) et estimation du réchauffement au cours des périodes interglaciaires dans la mer Egée, en partie basée sur l’analyse de foraminifères fossiles (Aksu et al., 1995).

78L’application de ces techniques repose sur l’hypothèse selon laquelle le fractionnement des isotopes de l’oxygène au cours de la précipitation du carbonate biogénique est gouverné par des conditions d’équilibre thermodynamique prévisibles, uniquement déterminées par des propriétés physico-chimiques. La température affecte le rapport des isotopes de l’oxygène impliqués dans des réactions chimiques (et, dans le cas présent, lors de la précipitation du carbonate de calcium) parce que la force des liaisons chimiques diffère d’un isotope à l’autre. Le δ18O augmente quand la température diminue parce que les liaisons 18O sont plus résistantes et qu’une quantité d’énergie moindre est disponible pour relâcher ces isotopes dans les réactions chimiques. Deux processus essentiels peuvent affecter les rapports des isotopes de l’oxygène et, par conséquent, les estimations de température à partir de carbonates biogènes. Le premier processus concerne l’existence de possibles « effets vitaux » englobant les différences interspécifiques dans la relation température-isotope et les mécanismes physiologiques affectant potentiellement la participation préférentielle des isotopes. Des différences interspécifiques ont été notées. Lorsqu’ils existent, les écarts à l’équilibre sont généralement attribués à des facteurs biochimiques et métaboliques qui résultent en une modification des signatures isotopiques préservées dans le carbonate de calcium. Ainsi, des variations du taux de croissance peuvent générer des changements dans la cinétique de la précipitation et dans l’incorporation de CO2 respiratoire additionnelle à celle de CO2 inorganique dissous, normalement utilisé au cours de la calcification. Dans de telles circonstances, l’enregistrement isotopique conservé par l’aragonite n’est plus simplement fonction de la variation de la température et dépendra en partie de facteurs physiologiques pouvant être spécifiques à l’organisme. Il est par conséquent fondamental de vérifier l’hypothèse d’équilibre du fractionnement isotopique et, plus particulièrement, de pouvoir tester indépendamment les influences respectives du métabolisme individuel (ou du taux de croissance) et de la température. Il est par ailleurs probable que, à une température donnée, les différentes formes de carbonate telles que l’aragonite et la calcite diffèrent dans leur concentration en 18O (Grossman & Ku, 1986).

79Le second processus qui affecte le rapport des isotopes de l’oxygène dans les carbonates est le rapport des isotopes de l’oxygène dans l’eau (fig. VII.6), lequel varie principalement en fonction de la salinité et de l’origine de l’eau. De manière générale, les eaux marines présentent une gamme de variation peu étendue (-0,30 – 0,05). Les eaux polaires présentent des valeurs inférieures à celles de l’océan moyen. Les eaux appauvries en 18O par rapport au smow (δ négatif) sont dites plus légères. Les eaux douces quant à elles présentent des variations plus importantes. Ainsi, le δ18O du lac Baïkal est de -15,8, celui des Grands Lacs du Saint-Laurent variant de -6 à -9.

80L’utilisation des rapports isotopiques pour l’étude de la biologie de populations actuelles de poissons a été principalement basée sur l’étude d’échantillons provenant d’habitats naturels variés (Devereux, 1967 ; Mulcahy et al., 1979 ; Nelson et al., 1989 ; Doering, 1991 ; Iacumin et al., 1992 ; Meyer-Rochow et al., 1992 ; Norrhcote et al., 1992 ; Gauldie et al., 1994).

81À ce jour, la plupart des études expérimentales sur les poissons ont démontré une étroite relation entre la température et les rapports isotopiques de l’oxygène. Les rapports isotopiques du carbone sont plus fortement influencés par la croissance que par la température ambiante (Radtke, 1984 ; Kalish, 1991b,c ; Gauldie, 1996 ; Radtke et al., 1996, 1998 ; Thorrold et al., 1997 ; Gao & Beamish, 1999). Cependant, il existe peu d’études qui aient suivi ou contrôlé des facteurs importants tels que le taux de croissance individuel ou bien les rapports isotopiques dans l’eau des bassins expérimentaux. Au cours d’une expérience soigneusement contrôlée, Thorrold et al. (1997) ont montré que le rapport des isotopes de l’oxygène constituait un indicateur fiable de la température chez Micropogonias undulatus, et qu’il était en outre relativement indépendant du taux de croissance individuel.

82De nombreuses équations reliant la température aux rapports isotopiques de l’oxygène dans les carbonates ont été publiées (tab. VII.2 et fig. VII.7). Ces équations ont été obtenues sur différents taxons, voire différentes formes cristallines, et elles se distinguent principalement par l’ajustement de modèles polynomiaux ou linéaires. Elles diffèrent également par leurs ordonnées à l’origine et parfois leurs pentes (fig. VII.7). Peu d’études ont comparé des groupes d’espèces sur une large gamme de températures. Les travaux publiés concernent deux espèces de poissons marins, Micropogonias undulatus (Thorrold et al., 1997) et Gadus morhua (Radtke et al., 1996, 1998) et une espèce d’eau douce, Arripis trutta (Kalish, 1991c). Les gammes de température rencontrées dans ces études ne se chevauchent pas. Il est par conséquent difficile de généraliser sur la relation exacte entre la température et les rapports isotopiques de l’oxygène dans les otolithes de poissons. Il est vraisemblable que la relation soit curvilinéaire bien que les modèles polynomiaux publiés soient dérivés d’études sur les Invertébrés et non sur les Poissons.

83Toutes les preuves expérimentales disponibles indiquent qu’il existe une relation fiable entre la composition isotopique de l’oxygène de l’aragonite de l’otolithe et les conditions environnementales rencontrées par les individus bien que l’estimation de la température dépende de l’équation utilisée (tab. VII.2). Il existe de nombreuses applications pour lesquelles des variations relatives de température constituent de précieuses informations et où la justesse des estimations de température n’est en conséquence pas un problème essentiel. Pour obtenir des estimations de température justes, il faudrait davantage de données expérimentales afin de mieux définir la forme exacte de la relation entre le rapport des isotopes de l’oxygène dans l’otolithe et la température de l’eau.

Tableau VII.2 - Équations publiées donnant la température de l’eau en fonction des rapports isotopiques de l’oxygène dans les carbonates.

Tableau VII.2 - Équations publiées donnant la température de l’eau en fonction des rapports isotopiques de l’oxygène dans les carbonates.

Figure VII.7
Comparaison des estimations de température obtenues à partir du rapport des isotopes de l’oxygène dans les otolithes en utilisant différentes relations isotopes-température publiées (tableau VII.2).

2. Métabolisme et événements ontogéniques

84De nombreux facteurs affectent la composition chimique des otolithes de poisson et interagissent. Ils compliquent l’interprétation des données, ce qui a parfois généré des conclusions erronées concernant la relation entre les conditions environnementales et la composition de l’otolithe. Cette dernière reflète les effets combinés de processus endogènes tels que le développement et la reproduction ainsi que les conditions externes associées à l’habitat, au comportement et au régime alimentaire. Les paragraphes suivants traitent de l’influence des processus physiologiques sur la disponibilité des éléments et leur incorporation dans l’otolithe.

85Le taux métabolique est déterminant pour la croissance de l’otolithe et peut, de ce fait, en influencer la composition par le contrôle du taux d’incorporation de chacun des éléments. Le métabolisme d’un poisson détermine également son exposition aux facteurs de l’environnement en jouant sur la consommation de nourriture et sur le taux d’échanges à travers les branchies et les épithéliums. Ces facteurs pourraient lier métabolisme et composition de l’otolithe d’une manière générale de telle sorte que les concentrations en divers éléments dans l’otolithe varieront au niveau inter-individuel mais aussi intra-individuel en fonction des cycles saisonniers. Plusieurs études sur les concentrations en métaux dans les otolithes de poissons ont révélé l’existence de concentrations plus élevées dans les otolithes d’individus présentant une croissance rapide (Papadopoulou et al., 1978 ; Protasowicki & Kosior, 1988), ce qui pourrait indiquer que les taux d’incorporation de certains éléments sont positivement corrélés au taux métabolique.

86La meilleure démonstration de l’influence du métabolisme sur la composition de l’otolithe provient d’études du rapport Sr/Ca. Les fluctuations de ce rapport ont initialement été interprétées en relation avec les variations saisonnières de la température. De nouveaux résultats ont indiqué que ces fluctuations étaient plutôt induites par le métabolisme individuel. Le rapport Sr/Ca varie inversement au taux de croissance somatique (Sadovy & Severin, 1994 ; Friedland et al., 1998), suggérant ainsi que les quantités de strontium incorporées dans l’otolithe soient plus importantes lorsque la synthèse de la matrice protéique et le taux d’accrétion sont moindres.

87Des preuves expérimentales directes indiquent que le métabolisme est impliqué dans la détermination du δ13C dans les otolithes de poissons (Kalish, 1991 b ; Thorrold et al., 1997). À la différence de δ18O, le rapport δ13C ne montre pas toujours de relation étroite avec la température mais il est, en revanche, très souvent associé à la taille des poissons et au taux de croissance individuel. Il a été suggéré qu’une partie du carbonate de l’otolithe provienne de sources de carbone métabolisé (entrant dans le plasma comme CO2) et dépende ainsi du métabolisme du poisson plutôt que des conditions environnantes.

88Les variations observées dans la composition de l’otolithe ont souvent été attribuées à des changements ontogéniques. Pour la plupart, il reste à déterminer si ces variations sont directement liées à des événements du développement et sont, par conséquent, ontogéniques sensu stricto ou si elles sont fonction de la taille ou de l’âge du poisson. Des variations cycliques de la composition chimique ont été observées le long de profils temporels (axe allant du nucleus à la marge de l’otolithe) et l’amplitude de ces variations décroît souvent vers la fin du profil. Ce modèle est très probablement une fonction de l’âge du poisson et on peut, par exemple, émettre l’hypothèse que le poisson adulte se déplace pour minimiser les changements de température. Chez les poissons, les changements liés à la taille, à l’âge et au stade de développement sont souvent étroitement associés. Il est par conséquent difficile de différencier les réponses strictement ontogéniques de celles liées à la taille et à l’âge. Les modèles ontogéniques devraient être clairement reliés aux processus de développement et aux événements, aux stades de l’histoire individuelle du poisson. Certaines variations de la composition de l’otolithe seront à la fois d’origine ontogénique et liées à la taille. Par exemple, une variation due à la maturation des gonades et à l’activité de reproduction présente des composantes dépendant à la fois de la taille et du développement. Le passage à la maturité sexuelle est plus vraisemblablement lié à la taille qu’à l’âge et signale le commencement d’un stade de vie bien distinct. Certains modèles de migration sont uniquement liés à la taille et le fait qu’ils doivent ou non être considérés comme changements ontogéniques est une question encore débattue. Dans d’autres cas, tels que la métamorphose chez certains poissons plats, les changements liés au développement semblent indépendants de la taille du poisson. On observe souvent des tendances temporelles dans les concentrations de différents éléments dans l’otolithe mais, pour éviter toute confusion, ces changements ne devraient être considérés comme ontogéniques que s’ils sont clairement associés au développement. De la même manière, les fluctuations saisonnières ne doivent pas être confondues avec les changements de nature ontogénique, puisqu’elles peuvent être directement induites par les conditions externes plutôt que par des changements endogènes.

2.1. Métamorphose

89Chez certaines espèces de poissons, la transition entre les périodes larvaire et juvénile est marquée par de spectaculaires changements de morphologie, de comportement et d’utilisation de l’habitat. Ces changements peuvent être fréquemment observés à partir de modifications de la composition et de la structure de l’otolithe (chap. III.B.3). Bien que de telles variations de composition n’aient pas encore été examinées en détail, plusieurs études ont attribué des modifications de la composition de l’otolithe à des facteurs ontogéniques. Par exemple, il a été montré que le début de la métamorphose de la larve leptocéphale en civelle induisait une chute rapide des rapports Sr/Ca dans l’otolithe, coïncidant avec une augmentation rapide de la taille des micro-accroissements chez Anguilla japonica (Arai et al., 1997), A. rostrata et A. anguilla (Arai et al., 2000). Ces profondes modifications ne semblent pas être liées au changement d’habitat. Otake et al. (1994, 1997) ont associé la baisse du rapport Sr/Ca à celle de la teneur corporelle en Sr, en l’expliquant par la dégradation de la matrice gélatineuse extracellulaire composée de glycosaminoglycans (gag) sulfatés dont on sait qu’ils ont une forte affinité pour le Sr. Pontual et al. (données non publiées) ont également identifié des changements dans la composition des otolithes de larves de Solea solea, qui auraient pu être interprétés comme la conséquence de la migration des eaux côtières vers les estuaires si des modifications similaires n’avaient pas été observées dans les otolithes d’individus élevés en conditions stables. Fowler et al. (1995) ont également décrit des différences de composition significatives entre les noyaux et la marge des otolithes chez des poissons élevés en laboratoire en conditions constantes.

90Les changements d’habitat associés à la métamorphose peuvent certainement affecter la composition de l’otolithe, de même que les changements de régime alimentaire, même si les effets de ces derniers sont moindres. Les effets des changements anatomiques et physiologiques au cours de la métamorphose doivent être encore étudiés en milieux naturel et contrôlé. Des processus tels que la calcification et le développement du système circulatoire peuvent limiter les éléments et concentrations disponibles pour l’incorporation dans l’otolithe. Il est possible que le développement de systèmes enzymatiques en réponse aux changements de régime alimentaire soit à l’origine d’une compétition entre divers métaux qui pourraient avoir été incorporés dans les otolithes au cours de la période larvaire.

2.2. Reproduction

91Deux aspects de la reproduction peuvent potentiellement affecter la composition des otolithes de poissons par le biais de processus physiologiques endogènes. Chez les poissons femelles, la gamétogenèse implique la translocation de substances pour la constitution du vitellus de l’œuf en développement. Le processus de vitellogenèse nécessite du calcium, d’où une augmentation de la synthèse de protéines chélatrices du calcium (vitellogénine en particulier). Sur l’otolithe, les conséquences de ce processus sont une réduction des concentrations en calcium disponible et un détournement de la synthèse des protéines. Les discontinuités de reproduction observées sur les otolithes de femelles adultes pourraient être la traduction visible de ce processus, bien que trop peu d’études aient été réalisées pour déterminer systématiquement l’origine de ces structures. S’agissant de la composition de l’otolithe, on pourrait s’attendre à des fluctuations du rapport de la composante minéralisée à la composante organique, fluctuations éventuellement accompagnées de modifications dans le taux d’incorporation des éléments traces.

92Les poissons des deux sexes fabriquent des tissus adipeux pouvant être utilisés comme réserves d’énergie pour la gamétogenèse et les besoins métaboliques au cours de la saison de reproduction, et ceci plus particulièrement s’ils cessent de s’alimenter. De nombreux éléments peuvent être facilement incorporés dans les tissus adipeux et, par conséquent, la mobilisation de ces réserves peut induire ou accentuer des fluctuations saisonnières de la concentration de ces éléments dans l’otolithe.

93Quelques rares auteurs ont orienté leurs recherches sur l’étude directe des effets de la reproduction sur la composition de l’otolithe, malgré les impacts potentiels sur la planification des études et sur l’interprétation des résultats au niveau des populations (Thresher, 1999). Dans un certain nombre d’études, les variations de concentration des éléments les plus abondants de l’otolithe, Ca, Sr, Na et K, ont été interprétées comme étant liées à l’activité de reproduction (Fuiman & Hoff, 1995). Kalish (1989) a établi, chez Arripis trutta, la correspondance entre le changement de l’indice gonadosomatique et les concentrations plasmatiques en protéines chélatrices du calcium, en Ca et en Sr en les reliant à des variations du rapport Sr/Ca dans l’otolithe. Des travaux expérimentaux sur Poecilia reticulata (Thresher, 1999) ont suggéré que les augmentations en Sr et Na dans l’otolithe étaient liées à des épisodes de frai (incubation des œufs). Cependant, pour ces espèces comme pour d’autres, la variabilité interindividuelle est élevée chez les femelles et il est difficile de généraliser sur les effets effectifs de la reproduction en termes de changements spécifiques dans la composition de l’otolithe. Ces changements dépendant de processus endogènes, il est possible que la variabilité interindividuelle soit intrinsèque et que les variations cycliques de la concentration en certains éléments (Sr, Na) puissent apporter davantage d’information au niveau individuel (par exemple sur l’effort reproductif) qu’au niveau des populations.

3. Estimation de l’âge

94L’estimation de l’âge des poissons basée sur la mco n’entre pas en concurrence avec les méthodes conventionnelles d’estimation de l’âge. Ce champ d’investigation s’est développé afin de valider ces dernières lorsque leur application est problématique (e.g. espèces à grande longévité) ou de fournir des estimations susceptibles d’aider à l’élaboration de critères conventionnels pour l’estimation de l’âge. Trois types de méthode ont été examinés :

  • les méthodes radiométriques basées sur les déséquilibres naturels des radio-isotopes ;

  • l’utilisation comme traceur du 14C produit lors des essais nucléaires atmosphériques ;

  • les variations cycliques de la composition élémentaire des otolithes.

3.1. Utilisation des rapports 210Pb/226Ra et 228Th/228Ra

95Les deux paires de nucléides utiles à la datation radiométrique de l’otolithe sont 210Pb/226Ra et 228Th/228Ra, appartenant respectivement aux séries radioactives de 238U et de 232Th (tab. VII.3). Ces deux paires impliquent des isotopes du radium, lesquels existent à l’état naturel dans l’eau douce et dans l’eau de mer. Le radium est un analogue du calcium et emprunte des voies métaboliques similaires. Il peut de ce fait s’accumuler dans les pièces calcifiées.210Pb et 228Th y sont également présents bien qu’en moindre abondance. Du fait de leurs très faibles teneurs, ils présentent une activité radioactive faible, ce qui entraîne un certain nombre de difficultés dans l’obtention de mesures précises.

96Les deux paires de nucléides peuvent être considérées comme de simples paires de désintégration fils/père puisque, dans les deux cas, les nucléides intermédiaires ont une période extrêmement courte (tab. VII.3).

Tableau VII.3 - Datation radiométrique des otolithes de poissons : radionucléides intéressants provenant de la désintégration de 238U et de 232Th avec leurs demi-vies respectives. Les tirets indiquent l’existence de radionucléides intermédiaires non montrés.

Série 238U

Demi-vie

Série 232Th

Demi-vie

238U

4,49 109 années

232Th

1,41 1010 année

------

228Ra

5,76 années

226Ra

1622 années

228Ac

6,13 heures

222Rn

3,82 jours

228Th

1,91 année

218Po

3,05 minutes

------

214Pb

26,8 minutes

208Pb

stable

214Bi

19,7 minutes

214Po

164 microsecondes

210Pb

21 années

------

206Pb

stable

97La méthode 210Pb/226Ra, qui répond au modèle d’équilibre séculaire, devrait théoriquement être applicable pour estimer des âges de plus de 100 ans (cinq fois la durée de la demi-vie de 210Pb). En réalité, les niveaux actuels de précision analytique la rendent plus adaptée (avec une incertitude acceptable) à une gamme d’âge comprise entre 0 et 50 ans (Campana, 1999). Le facteur limitant est actuellement l’erreur de mesure sur 210Pb puisque la détermination de l’activité de 226Ra dans les otolithes a été récemment améliorée (Andrews et al., 1999b).

98Les demi-vies de 228Ra et 228Th sont similaires de sorte que le rapport de leurs activités varie au cours du temps conformément au modèle d’équilibre transitoire. Selon Campana (1999), la gamme d’âge applicable est de 0 à 8 ans (voir également fig. VII.1).

99La principale difficulté de la datation radiométrique provient de la croissance continue de l’otolithe au cours de la vie du poisson. Si l’on utilise des otolithes entiers, le dépôt continu de nouveau matériel doit être pris en compte et les équations radiométriques reformulées à l’aide d’un modèle tenant compte de l’augmentation de la masse dans le temps. De telles équations ont été dérivées pour la première fois par Bennett et al. (1982) dans leurs travaux novateurs sur l’estimation de l’âge des poissons par radiométrie et elles ont, par la suite, été corrigées et adaptées à différents modèles de croissance (Campana et al., 1993 ; Kimura & Kastelle, 1995). D’un autre côté, en partant du principe que le noyau a environ le même âge que le poisson (plus le temps passé entre l’échantillonnage et l’analyse), l’équation de Bateman peut être directement appliquée lorsque l’on utilise de la matière provenant uniquement du noyau. Cette méthode a été employée pour la première fois par Campana (1990) et devrait être privilégiée lorsque son utilisation est possible.

100L’estimation de l’âge par datation radiométrique repose sur 3 trois hypothèses :

  1. Dès lors qu’ils ont été incorporés, les radionucléides ne migrent pas dans l’otolithe et les pertes ou gains de tous nucléides, y compris les nucléides intermédiaires, sont dus au seul processus de désintégration radioactive. En d’autres termes, l’otolithe est un système chimique clos pour tous ces nucléides ;

  2. Le rapport initial des activités fils/père dans l’otolithe est faible, idéalement proche de zéro et il peut être estimé ;

  3. Les nucléides père et fils sont incorporés à l’otolithe à un taux constant en poids.

101La question de la fermeture du système est la plus problématique et a été largement débattue de façon théorique dans plusieurs articles. A l’exception des travaux de Gauldie & Cremer (1998), qui ont démontré la possibilité d’une diffusion de 222Rn hors de l’otolithe de Hoplostethus atlanticus, il y a un manque évident de preuve expérimentale permettant de valider l’hypothèse de fermeture pour les principaux radionucléides des otolithes. En tout état de cause, une perte significative de 222Rn au cours de la désintégration de 226Ra devrait résulter en une activité moindre de 210Pb, avec pour corollaire l’obtention d’âges sous-estimés. Cependant, un certain nombre de travaux ont abouti à des estimations d’âge radiométriques élevées, souvent comparables aux estimations obtenues par des méthodes conventionnelles. Il a été démontré que certaines méthodes de stockage et de préparation des otolithes pouvaient affecter la stabilité spatio-temporelle de la distribution de certains éléments chimiques dans l’otolithe (Milton & Chenery, 1998 ; Proctor & Thresher, 1998), ce qui pourrait avoir des incidences sur les méthodes radiométriques d’estimation de l’âge. Il convient de noter que le problème de la migration interne des éléments ne se pose que pour les études basées sur l’analyse du noyau.

102La seconde hypothèse concerne le problème de l’incorporation allogène (i.e. de source externe) de l’isotope fils ou de tout autre produit intermédiaire. On peut résoudre cette question en utilisant les otolithes de jeunes poissons pour estimer le rapport initial des activités fils/père. Si la méthode utilisée est celle du noyau, les « poissons de référence » devront avoir le même âge que celui des noyaux des poissons adultes devant être analysés et pouvoir être disponibles pour des classes d’âge et localisations adéquates.

103La troisième hypothèse n’a d’importance que lorsque des otolithes entiers et un modèle de croissance en masse de l’otolithe en fonction du temps sont utilisés. Elle suppose que le taux d’incorporation des nucléides père et fils soit constant par rapport à Ca tout au long de la vie du poisson. La violation de cette hypothèse peut éventuellement apparaître pour des espèces qui subissent d’importants changements d’habitat au cours de leur cycle de vie (Fenton et al., 1990 ; Andrews et al., 1999a) ou si le taux d’incorporation est un processus dépendant de l’âge (Kastelle et al., 2000). Elle suppose également que le taux de croissance en masse de l’otolithe soit connu ou estimé, ce qui aboutit à un raisonnement circulaire si un modèle de croissance est construit sur la base d’âges estimés par une méthode conventionnelle que l’on cherche elle-même à valider (West & Gauldie, 1994 ; Francis, 1995b ; Kimura & Kastelle, 1995).

104Le déséquilibre 228Th/228Ra a été utilisé pour étudier la longévité de Hirundichthys affinis, espèce pour laquelle ni les écailles ni les otolithes ne peuvent être utilisés pour des estimations d’âge conventionnelles (Smith et al., 1991 ; Campana et al., 1993). Bien que l’incertitude liée à la mesure de Ra soit encore un facteur limitant (l’activité étant extrêmement basse), cette méthode pourrait trouver de nombreuses applications pour l’étude d’espèces à faible longévité.

105Le déséquilibre 210Pb/226Ra a été utilisé de manière plus intensive afin de confirmer les estimations d’âge ou la longévité de certaines espèces tels que les Sebastes spp. (Bennett et al., 1982 ; Campana et al., 1990 ; Kastelle et al., 2000), Anoplopoma fimbria (Kastelle et al., 1994), Hoplostethus atlanticus (Fenton et al., 1992 ; Francis, 1995b ; Smith et al., 1995), Allocyttus verrucosus (Stewart et al., 1995), Coryphaenoides acrolepis (Andrews et al., 1999a), Macruronus novaezelandiae (Fenton et al., 1990) et Lutjanus spp. (Milton et al., 1995).

3.2. Utilisation du radiocarbone de la bombe atomique comme chronomètre

106Le 14C est un radio-isotope cosmogénique naturellement produit par la désintégration du noyau de 14N (stable) lorsqu’il entre en collision avec des rayons cosmiques. Le 14C est instable et se désintègre en 14N avec une période de 5 730 années, si bien que la célèbre méthode de datation au 14C (basée sur la désintégration de 14C) n’a pas d’intérêt pratique pour des travaux sur la validation d’estimations d’âge (voir cependant Kalish, 1995). Cependant, les niveaux de radiocarbone atmosphérique naturel ont été modifiés par les activités humaines depuis le début de l’ère industrielle (émission des combustibles fossiles, énergie nucléaire) et ils ont été plus particulièrement affectés dans les années cinquante-soixante, par les essais nucléaires atmosphériques. En moins de dix ans, les concentrations atmosphériques de 14C ont doublé après plusieurs milliers d’années de relative stabilité. Depuis la fin de ces essais atmosphériques, cette concentration a chuté (fig. VII.8a) du fait des échanges de radiocarbone, sous sa forme oxydée 14CO2, avec les autres réservoirs de CO2. Ainsi, les couches supérieures des océans ont subi un apport significatif de radiocarbone clairement visible dans les séries historiques de 14C dérivées de mesures du carbone inorganique dissous (dic) dans l’eau de mer ou provenant de l’utilisation de proxies tels que les coraux (e.g. Druffel & Linick, 1978) ou les coquilles de bivalves (Weidman & Jones, 1993). Les analyses de la distribution spatiale de 14C et de ses variations temporelles tridimensionnelles (fig. VII.8b,c) par le mélange et l’advection fournissent des informations inestimables dans plusieurs domaines de recherche (cycle du carbone, circulation océanique globale, etc.). Kalish (1993) a démontré que le traceur 14C de la bombe était également incorporé dans les otolithes de poissons et a suggéré son utilisation comme moyen de datation. Les analyses ont été faites sur des noyaux d’otolithes de poissons de Nouvelle-Zélande, dont les âges avaient été estimés au préalable à l’aide de méthodes conventionnelles. Les séries temporelles de 14C reconstituées ont révélé une remarquable concordance de phase avec les séries dérivées de mesures sur des coraux de régions proches (fig. VII.8d), confirmant ainsi l’estimation de l’âge de ces poissons basée sur le dénombrement des annuli. Dans l’hypothèse où un échantillon adéquat de jeunes poissons d’une espèce et d’un endroit donnés peut être utilisé pour établir une courbe de référence, alors des références externes de 14C ne sont pas nécessaires (Campana, 1997).

Figure VII.8 – Le 14C des essais nucléaires atmosphériques utilisé comme chronomètre.
a) Relevés historiques du Δ14C dans l’atmosphère des hémisphères nord (20° N) et sud (20° S) montrant l’importance des effets des essais atmosphériques des armes nucléaires. Reproduit de Broecker et al. (1985).
b) Valeurs de surface de la section Pacifique orientale de geosecs (1973) comparées aux données collectées le long du méridien 135°W section P17 (1992) du programme woce. Les valeurs dans les zones tempérées des deux hémisphères ont diminué tandis que celles des latitudes tropicales et équatoriales ont augmenté. Reproduit de Key (1997).
c) Graphique 3D des variations de Δ14C (woce P17 : astérisques noirs - Pacifique oriental geosecs : X gris) entre 1973 et 1992. Reproduit de Key (1997).
d) Δ14C (± 1 ET) de l’aragonite des otolithes de Pagrus auratus de Nouvelle-Zélande au cours de la période 1918 à 1990. Les mesures deΔ14C de coraux hermatypiques prélevés aux Fiji et à l’île du Héron, Australie, sont présentées pour comparaison. Reproduit de Kalish (1993) avec la permission de Elsevier Science.

107Si l’on regarde la chronologie de la contamination au radiocarbone de la surface de l’océan, les otolithes de poissons dont les dates d’éclosion présumées se situent entre 1960 et 1970 sont les plus adaptés aux études de validation, bien que les années suivantes (de 1970 à nos jours) puissent être utilisées si le taux de décroissance de 14C dans la région concernée est suffisamment rapide (Kalish, 1995). Il convient de noter que les estimations de l’âge au 14C fournissent des âges minimums puisque la contamination potentielle du noyau par du matériel adjacent plus récent augmenterait la concentration en 14C dans l’échantillon pour un poisson né au cours de la période d’augmentation du signal. Cette observation ne s’applique pas si l’on travaille sur la période de décroissance du signal. Le synchronisme de la contamination des couches supérieures de l’océan au 14C nucléaire a été bien établi, bien qu’il y ait des variations spatiales substantielles dans l’amplitude du phénomène (fig. VII.8b). C’est la raison pour laquelle cette approche est plus utile (ou plutôt moins problématique) pour des espèces dont les stades de vie précoces se déroulent dans les couches mélangées de surface (Kalish, 1995). Pour les espèces vivant en deçà de cet habitat, la méthode reste applicable à des profondeurs modérées (Kalish et al., 1997). Un facteur de correction pour les âges de poisson déduits de 14C doit cependant pouvoir être estimé à l’aide des données existantes sur le taux de pénétration du radiocarbone, ce taux présentant d’importantes variations géographiques (fig. VII.8c). En ce qui concerne les espèces vivant en estuaires, le signal 14C des essais nucléaires semble se situer à un niveau intermédiaire, en phase et en amplitude, entre les séries temporelles atmosphériques et océaniques (Campana & Jones, 1998). Ce phénomène s’explique du fait d’échanges eau-air plus intenses et rapides dans les zones peu profondes et fortement brassées, caractérisées en outre par d’importants apports d’eaux fluviales. Comme l’a indiqué Campana (1999), au sein des habitats de type estuaire ainsi qu’en eau profonde, le signal du radiocarbone de l’otolithe peut être obscurci dans une certaine mesure par la proportion de carbone d’origine métabolique (un tiers selon Kalish, 1991b) si le poisson se nourrit de proies dont la teneur en 14C est différente de celle des eaux environnantes.

108Ce type d’étude nécessite l’utilisation de la spectrométrie de masse par accélérateur (Accelerator mass spectrometry ou ams), une technique particulièrement précise mais extrêmement coûteuse. C’est probablement l’une des raisons pour lesquelles les applications en matière de biologie des poissons demeurent relativement peu nombreuses en dépit d’avantages indiscutables, en comparaison, par exemple, à la précision relativement faible de l’estimation de l’âge par datation radiométrique.

109Il convient de noter que, hormis les études de validation des estimations de l’âge, les données de radiocarbone peuvent fournir un certain nombre d’informations susceptibles d’aider à résoudre différentes questions relatives à la biologie des poissons telles que la localisation des habitats occupés à des stades de vie précoces (Kalish, 1995). De plus, en utilisant des poissons d’âge connu ou validé, les séries temporelles de 14C dans l’otolithe peuvent constituer une source d’informations utiles à d’autres disciplines.

3.3. Autres chronomètres potentiels

110Les résultats de travaux déjà anciens ont suggéré que les variations des concentrations élémentaires et des rapports de concentrations pouvaient être utilisées pour valider les estimations d’âge des poissons, si toutefois ces variations étaient induites par des facteurs saisonniers cycliques tels que la température. Des différences de concentration en Ca coïncidant avec des zones de densités optiques différentes ont été utilisées comme indicateurs de cycles saisonniers dans les otolithes d’anguille (Casselman, 1982, 1987). L’utilisation du rapport Sr/Ca comme chronomètre a également été suggérée (Radtke & Targett, 1984) mais des études plus poussées ont révélé que l’incertitude de la relation entre le Sr de l’otolithe et les conditions environnementales était trop grande pour cette application. Cependant, Thorrold & Shuttleworth (2000) ont récemment observé des variations cycliques du rapport Sr/Ca correspondant étroitement au patron des anneaux annuels validés dans les otolithes de Pogonias cromis.

111La concentration de certains autres éléments présente également des oscillations. Par exemple, Halden et al. (2000) ont observé un modèle oscillatoire de la concentration en Zn dans les otolithes de Salvelinus alpinus, correspondant étroitement aux structures optiques annuelles. Dans certaines situations, de tels signaux pourraient être d’utiles chronomètres bien que leur utilisation nécessite une étude préalable rigoureuse.

112Weidman & Millner (2000) ont mesuré des oscillations de δ18O sur des profils temporels d’otolithes de morue par le microforage de très petits échantillons pour des analyses à l’irms. Le nombre d’oscillations observées correspondait à l’âge estimé par une lecture conventionnelle, suggérant ainsi que ces profils puissent être utilisés pour estimer l’âge chez des espèces soumises à un cycle annuel de température.

4. Discrimination de stocks et populations

113L’application principale ayant guidé la plupart des développements de la microchimie des otolithes concerne la discrimination de stocks. Dans de nombreuses régions du monde, les stocks de poissons se mélangent sur des aires de reproduction ou d’engraissement et la gestion des pêcheries, ainsi que certaines questions juridiques, impliquent de pouvoir identifier et quantifier les proportions relatives des composantes individuelles de ces stocks. Même pour un stock donné, il est souvent souhaitable de pouvoir identifier les sous-populations séparées pouvant contribuer à l’ensemble de la pêcherie.

114La discrimination de stocks à l’aide de la mco ne s’appuie pas sur des différences génétiques. Elle se fonde sur les différences observées dans les « empreintes » élémentaires pouvant être induites par la physiologie ou l’environnement chez des poissons qui évoluent dans des milieux différents pendant une partie au moins de leur existence.

115Les études de discrimination de stocks font appel à l’analyse de la composition élémentaire de l’otolithe entier (analyses globales, chap. VII.G.1.1.2) ainsi qu’à l’analyse de zones spécifiques de ce dernier (analyses de surface, chap. VII.G.1.1.1). Les informations obtenues à partir d’otolithes entiers dissous peuvent être généralement collectées plus rapidement et avec des risques de contamination moindres. Pour autant, dans de nombreux cas, l’information requise est contenue dans les couches internes de l’otolithe et ne peut être extraite qu’à l’aide de techniques de surface. Deux axes de recherche sont actuellement retenus afin de poursuivre le développement des applications d’identification de stock. Le premier porte sur le perfectionnement continuel des outils et protocoles analytiques afin de permettre une analyse efficace et précise d’un plus grand nombre d’éléments. Le second concerne le développement de techniques d’analyse de données, techniques qui permettront d’obtenir la meilleure classification des composantes d’un stock sur la base du plus petit nombre d’éléments. Il est vraisemblable que les techniques analytiques et les méthodes d’analyse de données varieront en fonction d’applications spécifiques. En effet, en certains endroits, des différences peuvent exister pour quelques éléments mineurs (Sr, Na) alors que, dans d’autres, les différences peuvent être plus subtiles et déterminées en premier lieu par la présence ou l’absence d’éléments traces ou ultra-traces. Thresher (1999, fig. 9) cite Na, Sr, Ba et Mg comme étant les éléments les plus fréquemment utilisés pour les applications réussies de discrimination de stocks.

116La microchimie de l’otolithe a été utilisée dans des études d’identification de stocks pour des espèces occupant divers types d’habitats, qu’ils soient côtiers ou océaniques. Dans leur majorité, les travaux publiés rapportent de bonnes performances de discrimination de groupes de poissons mais on ignore encore si cette technique peut être appliquée de manière universelle ou si les échecs de cette approche pour la discrimination de stocks sont peu publiés. Cependant, Kalish et al. (1996) n’ont détecté aucune différence indicative d’éventuelles variations géographiques dans la composition de l’otolithe de Macruronus novaezelandiae, Merlucciidae de l’océan Austral capturé sur différentes zones de reproduction. Le taux de succès des identifications de stocks décroît à mesure que des analyses stratifiées plus spécifiques sont réalisées. Des différences attribuées au facteur géographique peuvent disparaître lorsque la composition des otolithes est contrôlée pour la taille du poisson par des méthodes statistiques appropriées (Edmonds et al., 1989) ou par l’analyse de différentes portions de l’otolithe (Dove et al., 1996), pour la classe d’âge (Edmonds et al., 1995)ou pour le sexe (Kalish et al., 1996).

117Les travaux publiés sur l’identification des stocks représentent la majorité de la littérature disponible sur la microchimie de l’otolithe et la plupart de ces travaux sont passés en revue dans la synthèse de Thresher (1999). Des études préliminaires ont été réalisées un peu partout dans le monde. Elles se sont généralement intéressées aux stocks d’importance commerciale et dont les différentes composantes étaient déjà bien connues (Campana et al., 1995) ou elles ont utilisé une population témoin pour comparaison (Secor & Zdanowicz, 1998). Des chercheurs australiens ont monté des applications à grande échelle (Edmonds et al., 1991, 1992, 1999) et ils ont inclus la microchimie de l’otolithe dans leurs méthodes standard d’évaluation des stocks.

118La composition de l’otolithe peut encore servir à identifier les changements d’habitat des individus, les empreintes élémentaires étant alors utilisées comme marques naturelles. Cette information peut être utilisée pour suivre les mouvements de poissons évoluant entre divers environnements ou masses d’eau et analyser la composition du stock. Les différences de composition du noyau de l’otolithe ont aussi été utilisées pour identifier les zones de frai et de nourricerie, comme première étape vers l’évaluation des contributions relatives de ces composantes au stock d’adultes. La plupart des travaux menés sur l’identification des zones de nourricerie sont préliminaires et se limitent à démontrer l’applicabilité de la méthode. Des différences de composition de l’otolithe en fonction de l’origine ont été détectées chez des juvéniles de différentes espèces : Cynoscion regalis (Thorrold et al., 1998b), Alosa sapidissima (Thorrold et al., 1998a) et Solea solea (Pontual et al., 2000). L’analyse des isotopes de l’oxygène et du carbone a permis de différencier des individus migrateurs et sédentaires (Northcote et al., 1992) ainsi que des saumons nés dans des rivières différentes (Gao & Beamish, 1999). Les différences de composition peuvent être utilisées pour identifier l’origine des individus contribuant à la formation de la population adulte, pourvu que la caractérisation des individus en conditions d’isolement géographique (frayères ou nourriceries) et celle des individus du stock composite soient réalisées dans un laps de temps pendant lequel les caractéristiques physico-chimiques environnementales restent stables. Ce point a été débattu dans deux applications intégrales récentes, la première basée sur l’analyse du noyau de Tenualosa toli au stade juvénile (Milton et al., 1997) et la seconde sur l’analyse d’otolithes entiers de Gadus morhua (Campana et al., 2000).

119Les données microchimiques sont généralement traitées par des techniques statistiques de discrimination multivariées. Ces dernières autorisent la prise en compte d’un grand nombre d’éléments (ou d’isotopes) et disposent de procédures permettant de quantifier l’importance de chacun des éléments pour la discrimination. Les analyses en composantes principales (acp) constituent une famille de techniques fournissant des représentations synthétiques de vastes ensembles de données, généralement au moyen de visualisations graphiques. La relative proximité des variables (en l’occurrence concentrations élémentaires ou isotopiques dans l’otolithe) est interprétée en termes de corrélation, tandis que la proximité des individus est interprétée en termes de similarité globale des valeurs observées. L’analyse discriminante est un ensemble de techniques développées pour la classification (i.e. l’affectation à des classes préexistantes, en l’occurrence des groupes de poissons) d’individus caractérisés par un grand nombre de variables numériques. L’analyse discriminante linéaire, méthode la plus couramment employée, est à la fois descriptive et prédictive. La puissance des fonctions discriminantes devrait être estimée au moyen de méthodes de « bootstrap » ou de « jack-knife » qui procurent des estimations précises et leurs intervalles de confiance. Les méthodes basées sur le maximum de vraisemblance peuvent s’avérer plus adaptées à la classification d’échantillons provenant de stocks mixtes quand les analyses discriminantes manquent de résolution.

5. Autres applications

5.1. Caractérisation de l’habitat par les empreintes élémentaires

120Outre des informations essentielles concernant les populations de poissons, les différences de composition de l’otolithe peuvent également servir à dégager certaines inférences sur les habitats et les environnements. Les microstructures des otolithes ont permis d’évaluer la qualité de l’habitat en utilisant la taille des accroissements de l’otolithe comme indicateur du taux de croissance du poisson (Szedlmayer & Conti, 1999). La compréhension des processus d’incorporation des différents éléments dans l’otolithe est encore incomplète et il est peu probable que les concentrations élémentaires individuelles puissent être directement utilisées pour déterminer les concentrations présentes dans l’environnement. Cependant, les variations de concentrations élémentaires sur des profils temporels d’otolithe pourraient indiquer des modifications à court terme du milieu et permettraient de distinguer les environnements stables des environnements dynamiques. Certains éléments peuvent probablement être utilisés pour tracer des masses d’eau spécifiques et identifier la fréquence d’incursion dans un habitat occupé par une population de poissons, plus particulièrement lorsque cette dernière est connue comme pouvant être sédentaire ou migratrice. Le baryum, par exemple, est associé aux eaux océaniques et sa présence dans l’otolithe permettrait d’enregistrer les échanges entre les milieux côtiers et le large. Comme nous l’avons mentionné précédemment, à l’instar de Sr, d’autres éléments (ou rapports isotopiques) tels que Pb et U pourraient également s’avérer être de précieux indicateurs d’incursion en eau douce ou en mer.

5.2. Marquage en masse

121Parmi les méthodes développées pour le marquage des otolithes et plus généralement celui des pièces calcifiées de poissons (chap. IV.A.1.2), le radiomarquage à l’aide du radioisotope85Sr et le marquage à l’aide d’éléments spécifiques reposent plus particulièrement sur des techniques de MCO. La première approche fut utilisée par Lehtonen et al. (1992) afin de marquer des Coregonus lavaretus anadromes récemment éclos, avant leur relâchement en milieu naturel, dans le but d’étudier le rythme de leur dévalaison.

122L’immersion d’alevins d’Oncorhynchus kisutch dans de l’eau enrichie en lanthanides (La, Ce et Sm) a permis d’observer des concentrations détectables dans les tissus osseux jusqu’à 10 mois après le traitement (Ennevor & Beames, 1993 ; Ennevor, 1994).

123L’immersion dans une solution de chlorure de strontium (SrCl2) a été également proposée comme méthode efficace, peu coûteuse et relativement respectueuse de l’environnement pour le marquage de grandes quantités de petits poissons. Des marques de Sr parfaitement identifiables ont été observées, après 21 mois d’élevage en eau douce, sur des otolithes de saumons (Oncorhynchus keta et O. nerka) marqués au stade alevin (Schroder et al., 1995). Le potentiel de cette méthode a été récemment évalué comme moyen de marquage de l’épine dorsale de Pagrus auratus (Pollard et al., 1999).

124À partir d’une expérience à grande échelle de marquage-recapture, Clear et al. (2000) ont prouvé, à l’aide d’injections de SrCl2, que les macrostructures des otolithes de Thunnus maccoyii ont une périodicité annuelle au moins jusqu’à l’âge de treize ans.

125En fonction des expériences, diverses méthodes analytiques de mesure du Sr ont été utilisées : microscopie électronique rétrodiffusée, eds, wds et icp-ms (chap. VII.G). Bien qu’elle soit très utile pour diverses recherches sur les pêcheries, l’utilisation de SrCl2 sur les poissons destinés à l’alimentation n’est pas approuvée dans tous les pays, limitant ainsi la généralisation de son usage.

5.3. Analyse de carbonates biogéniques fossiles en paléoclimatologie et paléoécologie

126Les tissus osseux des poissons, les dents et les otolithes ont été analysés dans le cadre d’études géologiques, paléontologiques et archéologiques. Les rapports des isotopes de l’oxygène d’otolithes fossiles (Devereux, 1967 ; Patterson et al., 1993) et de dents de poissons fossilisées (Kolodny et al., 1983) peuvent fournir un certain nombre d’informations sur les paléotempératures. Smith & Patterson (1994) et Patterson et al. (1993) ont non seulement estimé des températures à partir d’otolithes fossiles mais ont également reconstruit les variations saisonnières de température subies par les populations de poissons étudiées. L’un des aspects les plus discutés parmi les paléontologistes et les géochimistes concerne l’opportunité de l’application à des matériaux fossiles de relations isotopes-température établies expérimentalement (tab. VII.2). Au cours de la fossilisation, un phénomène de diagenèse peut exister et transformer l’aragonite en calcite, forme cristalline plus stable de CaCO3. Plusieurs études ont tenté de reproduire ce processus de manière expérimentale pour en extraire des facteurs de conversion (Yoshioka et al., 1985 ; Nelson et al., 1986). L’effet de la diagenèse sur les rapports isotopiques de l’oxygène est peu concluant, même si on observe un rejet de Mg et de Sr lorsque l’aragonite se transforme en calcite (Yoshioka et al., 1985).

5.4. Historique de la pollution et influences anthropogéniques

127Les programmes de surveillance de la qualité de l’eau et les études d’impact de la contamination environnementale se fondent sur l’analyse du milieu physico-chimique et du biote. L’impact de la pollution sur les organismes peut se mesurer au niveau de l’écosystème, de la communauté, de la population et de l’individu. Malencontreusement, la surveillance et l’évaluation impliquent des études à long terme et il est particulièrement difficile de détecter une pollution dans les régions pour lesquelles on ne dispose pas de données de référence. L’analyse chimique de la composition des otolithes de poissons peut permettre d’améliorer de façon significative la capacité à détecter les niveaux de contamination actuels, récents ou anciens et, en même temps, d’évaluer l’impact de cette pollution au niveau des individus et des populations. Un changement environnemental affecte la physiologie des individus, effet qui se propage également à des niveaux d’organisation plus élevés, modifiant ainsi les populations de poissons et la communauté aquatique dans son ensemble.

128Les otolithes peuvent être analysés pour révéler des informations cruciales concernant l’histoire environnementale des poissons, les taux de croissance comparatifs dans différents milieux et les effets à long terme de l’exposition à une pollution de l’environnement. Bien que les mouvements et les migrations des poissons ne facilitent pas la localisation précise du lieu de contamination d’un individu, l’enregistrement des concentrations présentes dans l’otolithe peut fournir une preuve de la durée de cette exposition. Chez les espèces dont les populations sont locales, et plus particulièrement en eau douce, la puissance de cette approche pour la mise en évidence d’événements spécifiques de pollution et de leur localisation est considérablement améliorée. Les collections historiques d’otolithes peuvent également révéler l’enregistrement de pollutions survenues sur des périodes de plusieurs décennies. Sur un certain nombre d’espèces échantillonnées en milieu côtier, des concentrations en métaux lourds ont pu être mesurées dans des otolithes entiers après dissolution. Les concentrations mesurées dans les otolithes reflètent généralement des différences spatiales de concentrations environnementales de métaux. Par exemple, la teneur en zinc d’otolithes de poissons prélevés dans les eaux côtières de la Grèce s’est avérée plus élevée à proximité des villes opérant des rejets industriels de ce métal (Papadopoulou et al., 1978). Des métaux lourds ont par ailleurs été analysés dans des otolithes de Gadus morhua de la mer Baltique (Protasowicki & Kosior, 1988) et de Scomberomorus cavalla (Grady et al., 1989). Des études plus récentes ont utilisé les techniques d’icpms et de la-icp-ms pour étudier les variations temporelles de l’exposition des poissons à une pollution d’origine anthropique (Dove & Kingsford, 1998 ; David Milton, csiro, comm. pers.).

129En complément à ces résultats de terrain, les études en laboratoires montrent que les concentrations métalliques dans les otolithes de poissons répondent à différentes concentrations d’exposition (Geffen et al., 1998). À ce jour, les travaux expérimentaux indiquent que l’incorporation des éléments dans l’otolithe n’est pas simplement le reflet de leur disponibilité dans le milieu. Les éléments présentent différents coefficients de distribution (Milton & Chenery, 1998 ; Campana, 1999 ; Bath et al., 2000) du fait de caractéristiques chimiques propres, d’exigences métaboliques et de réponses aux éléments toxiques. Les conditions environnementales telles que le pH et la température peuvent modifier la biodisponibilité et l’assimilation des métaux et autres éléments toxiques par le poisson. Une fois assimilés, les différents éléments, et tout particulièrement les métaux, sont métabolisés, séquestrés ou détoxifiés par divers processus, ce qui en affecte la teneur disponible pour l’incorporation dans l’otolithe. Les toxines stockées dans les tissus adipeux peuvent n’être libérées que lorsque les réserves lipidiques sont sollicitées, ce qui peut induire un déphasage entre l’exposition et l’incorporation dans l’otolithe. Les caractéristiques chimiques propres des métaux et les conditions présentes dans l’endolymphe peuvent engendrer des précipitations différentielles ou des inclusions dans l’otolithe. En outre, les interactions entre métaux et protéines sont extrêmement complexes et il est vraisemblable que de nombreux éléments puissent être incorporés à l’otolithe par le biais des composants organiques. Bien que cette hypothèse n’ait, jusqu’à présent, suscité que peu d’attention, elle découle des études réalisées sur les tissus minéralisés d’autres taxons.

F. À propos des autres pièces calcifiées

130On a très rapidement admis la nécessité d’évaluer dans quelle mesure les organismes possèdent des marquages naturels ou empreintes chimiques, le temps pendant lequel ils sont conservés ainsi que la possible acquisition de nouvelles marques (Calaprice, 1971), ce qui a conduit à initier de nombreuses études concernant la composition chimique des tissus squelettiques tels que les écailles, le cleithrum et les vertèbres.

131Bien que l’otolithe soit la pc la plus couramment utilisée pour des études en écologie et en halieutique, des analyses basées sur les écailles et les tissus osseux sont régulièrement menées. Les analyses d’écailles et de rayons de nageoire peuvent être les seules méthodes d’échantillonnage envisageables sur des espèces en voie de disparition ou à haute valeur commerciale (pêcheries récréatives, Salmonidés, esturgeon, etc.) pour lesquelles soit les individus ne peuvent être sacrifiés, soit l’extraction des otolithes réduit fortement la valeur commerciale du spécimen.

132La description de ces structures et de leurs processus de minéralisation sont hors de portée de ce chapitre (voir cependant chap. II.B et II.C et e.g. Francillon-Vieillot et al., 1990). D’un point de vue chimique, tous les tissus squelettiques sont constitués de composants organiques et minéraux. En résumé, la matrice organique est constituée de substances collagènes et non collagènes (protéoglycans, phosphoprotéines, phospholipides, etc.). La phase minérale est constituée d’hydroxyapatites « impures » (Ca5(PO4)3OH) contenant du carbonate, du fluorure qui se substitue aux ions OH en fluoroapatite, ainsi que des constituants mineurs et traces (Mg, Si, Sr, Mn, Ba, Na, etc.).

133Il est important de noter que, à la différence des otolithes, excepté dans de très rares situations, les tissus squelettiques sont impliqués à divers degrés dans le contrôle de l’homéostasie, par le stockage et le relargage de calcium et de sels de phosphore et subissent, par conséquent, des processus de résorption et de remaniement. De telles propriétés doivent être prises en compte lors de l’interprétation de la composition chimique de ces pièces osseuses.

134L’étendue des applications reflète approximativement celle de l’analyse de la composition de l’otolithe (tab. VII.4).

135Les recherches en écotoxicologie et la surveillance de la pollution des systèmes aquatiques se sont également appuyées sur l’analyse de la composition chimique des écailles et des tissus osseux de poissons. La littérature en la matière est particulièrement abondante et représente sans aucun doute une source d’information précieuse concernant les mécanismes de l’assimilation d’éléments ou de radionucléides à partir de l’eau ou de la nourriture ainsi que leurs distributions différentielles dans les tissus corporels.

Tableau VII.4 - Exemples d’études sur la composition chimique des PC (la littérature citée est loin d’être exhaustive).

Tableau VII.4 - Exemples d’études sur la composition chimique des PC (la littérature citée est loin d’être exhaustive).

G. Microchimie : exigences méthodologiques et problèmes rencontrés

1. Techniques analytiques

136De nombreuses techniques analytiques ont été utilisées pour les études de mco. En tout état de cause, aucune méthode particulière ne peut satisfaire à l’ensemble des exigences sous-jacentes à l’éventail des questions abordées. La décision relative au choix de la technique la plus appropriée dépend de l’application, de l’information chimique à extraire, de la sensibilité requise et du degré de résolution spatiale (temporelle) exigé. Ces considérations sont illustrées par un diagramme synoptique reliant les principales applications, types de mesure, résolutions et techniques (fig. VII.9). Parallèlement, certaines caractéristiques des principaux outils analytiques sont présentées dans le tableau VII.5. Dans les sections suivantes, nous résumons les principes de base et potentialités des techniques les plus importantes, sans pour autant essayer de couvrir l’ensemble de leurs possibilités et limites respectives.

1.1. Composition élémentaire

137Les techniques analytiques se divisent globalement en techniques d’analyse de « surface » permettant d’obtenir des informations sur la composition de l’otolithe à des endroits spécifiques (i.e. ponctuels) et en techniques d’analyse globale qui permettent de collecter des informations sur la composition globale, généralement intégrée sur l’ensemble de l’otolithe. Certaines techniques mesurent simultanément les concentrations de divers éléments (techniques multi-élémentaires) tandis que d’autres ne peuvent mesurer qu’un seul élément à la fois. La sélection de la technique la plus appropriée pour une application donnée est fonction de l’hypothèse que l’on doit tester, cette dernière déterminant la résolution spatiale requise et les éléments à doser. Divers critères, tels que les limites de détection (lods) par rapport aux concentrations attendues, la nécessité d’obtenir des concentrations absolues (par opposition à l’obtention de rapports élémentaires ou de différences relatives) ainsi que la justesse et la précision des mesures par rapport aux standards analytiques (srm), doivent être pris en compte lors de la sélection de la méthodologie la plus appropriée.

Tableau VII.5 - Techniques analytiques utilisées en MCO et leurs principales caractéristiques.

Tableau VII.5 - Techniques analytiques utilisées en MCO et leurs principales caractéristiques.

S : technique de surface ; B : technique globale ; meb : microscope électronique à balayage ; met : microscope électronique à transmission ; x : taille du spot d’analyse ; z : profondeur de l’échantillonnage. Pour les techniques globales, les lods sont données pour des solutions. Elles doivent donc être multipliées par le facteur de dilution pour être comparées au matériel solide.

Figure VII.9 - Schéma synoptique des principales applications de la microchimie de l’otolithe. Pour chaque application, le signal chimique mesuré est précisé avec les techniques analytiques appropriées. Flèches solides : méthodes généralement utilisées ; flèches en traits et points : méthodes plus rarement utilisées ; flèche en pointillés : méthode non recommandée ; texte en caractère gras : techniques les plus fréquemment utilisées.

138La pratique consistant à exprimer les compositions élémentaires en termes de rapports élémentaires s’est répandue dans les travaux publiés en microchimie. Dans certains cas, il s’agit d’un résultat ou d’une limitation inhérent au fonctionnement des machines analytiques. Pour certaines applications, il peut être également raisonnable d’examiner les relations existant entre les rapports élémentaires, particulièrement lorsque l’on s’attend à ce que le rapport soit influencé par des conditions spécifiques. Cependant, le fait d’exprimer de manière automatique des concentrations élémentaires sous forme de rapports élémentaires, et particulièrement par rapport au calcium, est inapproprié, voire biologiquement inexact.

1.1.1. Analyses de surface

139De nombreuses techniques analytiques utilisent l’interaction d’un rayonnement d’énergie incident (photons, électrons, ions) avec la matière. L’interaction donne lieu à une émission secondaire (rayon X, électrons ou ions) dont les caractéristiques dépendent de la nature, de la structure et de la composition de l’échantillon. Parmi les instruments couramment utilisés en mco (cf. tab. VII.5 pour la signification des acronymes), l’eds et la wds utilisent un faisceau incident d’électrons, alors que le pixe utilise un faisceau de protons. Tous ces instruments analysent l’émission de rayons X. Ils sont multi-élémentaires (le nombre d’éléments pouvant être analysé simultanément avec la wds dépend du nombre de spectromètres équipant la machine), non destructifs en conditions « normales » et permettent une excellente résolution spatiale. Leurs lods respectives, qui varient généralement d’un élément à l’autre, diffèrent par plusieurs ordres de grandeur (tab. VII.5). Ils ne peuvent pas mesurer la composition isotopique.

140Plusieurs autres techniques sont dérivées de la spectrométrie de masse (sm). Les techniques sm séparent les atomes ou les molécules ionisés sur la différence de leur rapport masse/charge (m/z) et peuvent ainsi être utilisées pour mesurer les compositions isotopiques ou élémentaires. La première étape de l’analyse consiste à créer une phase gazeuse ionisée à partir d’un matériel donné. Cette étape est réalisée en sims à l’aide d’un rayon ionique incident accéléré et focalisé sur la surface du matériau. Il convient de noter que la sims permet l’obtention de profils en profondeur par pulvérisation continue et régulière de la surface du matériau. Pour la technique la-icp-ms, la source d’excitation (icp pour Inductively coupled plasma) est un plasma d’argon à haute température qui assure avec une bonne efficacité l’excitation et l’ionisation des atomes. L’icp-ms a été à l’origine développée pour analyser des échantillons sous forme liquide. Le récent couplage d’une sonde à ablation laser (la) opérant dans l’uv lointain autorise à présent l’échantillonnage de points localisés à la surface d’échantillons solides (surfaces brutes, poudre, sections polies ou lames minces).

141La mise en œuvre de ces techniques nécessite le montage des otolithes sur des lames de verre ou dans des blocs de résine époxy. Certaines techniques sont particulièrement sensibles à la rugosité de la surface (eds, wds, sims, pixe). Elles requièrent en conséquence la réalisation de préparations parfaitement polies, présentant une excellente planéité et exemptes de défauts. D’autres techniques telles que la-icpms peuvent être employées avec des méthodes de préparation plus légères après la coupe et le nettoyage. Des détails complémentaires sur les préparations sont proposés dans le chapitre VIII.C.

1.1.2. Analyses globales

142Les analyses globales en mco font appel aux méthodes de spectrométrie atomique ou aux méthodes de sm. Les premières sont basées sur l’interaction des radiations électromagnétiques avec la matière. La spectrométrie d’absorption atomique (aas) mesure l’absorption de la lumière pour déterminer la concentration des atomes dans une phase gazeuse. La source de lumière est généralement une lampe à cathode creuse constituée de l’élément à mesurer, ce qui fait de cette technique un procédé de mesure mono-élémentaire. L’échantillon est désolvaté puis vaporisé (pour obtenir des atomes libres) soit par une flamme, soit dans un four en graphite. La première de ces techniques d’atomisation ne s’applique que sur des solutions tandis que la seconde peut également être appliquée à des échantillons solides et elle présente un meilleur rendement d’atomisation. La Spectrométrie d’émission atomique (aes, également appelée oes : spectrométrie d’émission optique) détermine les concentrations élémentaires d’échantillons en solution en mesurant l’émission optique des atomes excités. On peut utiliser diverses sources d’excitation, y compris une flamme ou un plasma (icp-aes) qui assure une bien meilleure efficacité de l’atomisation. L’aes est une technique multi-élémentaire, ce qui constitue l’un de ses principaux avantages par rapport à l’aas.

143Du fait de meilleures potentialités (meilleure sensibilité et réduction des problèmes d’interférence sauf pour quelques éléments ; voir ci-dessous), l’icp-ms supplante actuellement les autres techniques pour la détermination d’éléments traces et ultra-traces. Elle peut être opérée en mode standard ou par dilution isotopique (id-icp-ms), ce dernier fournissant une précision de mesure inégalée. Comparés aux icp-ms conventionnels (quadrupôles), les icp-ms haute résolution (hr-icpms) récemment développés offrent des améliorations considérables en termes de sensibilité et de problèmes d’interférences. Certains fabricants annoncent des limites de détection inférieures à 1 ppq (pg.l-1) pour des isotopes non interférés.

144L’analyse globale est généralement réalisée sur des échantillons en solution obtenus par la dissolution de l’otolithe dans une solution acide. Préalablement à la dissolution, les échantillons sont nettoyés, séchés et pesés (voir chap. VII.G.2 et VIII.C pour plus de détails).

1.2. Mesure des isotopes stables

145Les techniques de spectrométrie de masse sont utilisées afin de mesurer les isotopes stables. Cependant, les méthodes analytiques adaptées dépendent des isotopes analysés. Les éléments lourds tels que Sr peuvent être mesurés par des techniques de surface ou globales (la- ou sb-icp-ms), mais les éléments légers tels que C, N et O sont mesurés par la spectrométrie de masse de rapports isotopiques (irms pour Isotope ratio mass spectrometry). La source de vaporisation utilisée en icp-ms ionise les éléments, mais le risque existe qu’une partie seulement des éléments légers et volatils soit canalisée dans le détecteur MS, conduisant ainsi à des sous-estimations de leurs concentrations.

146La procédure d’analyse en routine des isotopes de C et de O implique une dissolution soigneuse de l’otolithe dans un système hermétique, afin de capturer le dégagement de CO2. Les molécules gazeuses sont ionisées et chargées positivement. Les molécules chargées passent dans un champ magnétique qui les sépare en fonction de leur masse. Des collecteurs de Faraday mesurent alors l’intensité des faisceaux d’ions de masse donnée après qu’ils aient été séparés. Les rapports de masse de l’échantillon gazeux sont mesurés par rapport à un gaz de référence calibré avec un standard international. Les rapports isotopiques doivent être corrigés pour les effets de 17O conformément aux procédures de Craig (1957). De plus, le fractionnement (température-dépendant) des isotopes de l’oxygène entre l’aragonite et le CO2, généré par la réaction avec l’acide phosphorique, doit être lui-même corrigé en utilisant un coefficient de fractionnement (α) de 1,01034 (Friedman & O’Neill, 1977).

147Avant de procéder aux analyses, les otolithes doivent être traités afin de retirer les composants organiques puisque les protéines contiennent du carbone et de l’oxygène avec des rapports isotopiques différents de ceux de l’aragonite. Les protéines peuvent être détruites par brûlage ou oxydation chimique (hypochlorite de sodium ou peroxyde d’hydrogène). On peut également effectuer un traitement au plasma d’oxygène (à haute température) pour retirer la matière organique des otolithes, bien que ce procédé de pré-traitement ne soit pas encore répandu.

148Les précisions analytiques typiques (σn-1) obtenues pour des réplicats de mesure sur des matériaux standard sont de 0,05 et 0,07 ‰ pour les rapports isotopiques du carbone et de l’oxygène respectivement. Pour l’oxygène, cette valeur correspond à une précision de ± 0,2 °C pour l’estimation de la température.

149Une irms peut être équipée d’un dispositif de préparation automatique permettant de travailler avec des échantillons de carbonate extrêmement petits (5 μg) et associée à un système de prélèvement automatisé (micro-fraiseuse pilotée par ordinateur) capable de prélever des échantillons discrets sur des sections d’otolithes (Wurster et al., 1999).

150Les développements récents des sondes ioniques (sims) et laser (la-irms) ont permis de mesurer les isotopes de C et O in situ, c’est-à-dire à la surface d’échantillons solides. Avec une résolution spatiale de 20 à 30 pm, les sims se sont déjà avérées des outils performants dans l’analyse des isotopes de l’oxygène de carbonates géologiques (Graham et al., 1996). La précision analytique a été estimée à ± 1 , correspondant à une précision de l’estimation de la température de ± 4° C. Les sondes à laser produisent un échauffement modéré de l’échantillon pour en extraire lentement le CO2 et ne permettent pas l’obtention d’une résolution spatiale aussi fine que celle de la sims. Toutefois, une précision analytique de 0,08 ‰ (± 0,4° C) a été rapportée pour les isotopes de l’oxygène mesurés sur des dents (apatite) d’herbivores (Kohn et al., 1996). Dans un proche avenir, ces développements pourraient permettre de réaliser des analyses de rapports isotopiques à une échelle spatiale très fine sur les otolithes. Pour ces analyses de surface, le prétraitement des otolithes par traitement à l’hypochlorite de sodium ou brûlage pourrait s’avérer nécessaire avant l’enrobage afin d’extraire les composants protéiques.

1.3. Radionucléides

151Un certain nombre de méthodes peuvent être utilisées pour l’analyse des isotopes radioactifs selon la masse de ces isotopes, leur abondance, le type de désintégration mis en jeu et la précision requise. Les méthodes employées dans l’estimation de l’âge radiométrique comprennent la spectroscopie alpha, la spectroscopie gamma, la spectrométrie de masse à ionisation thermique (tims) et la spectrométrie de masse par accélérateur (sma).

152La spectroscopie alpha et la spectroscopie gamma sont basées sur le type de désintégration des radionucléides par émission de particules (soit une particule α, qui est un noyau d’hélium, soit une particule β qui est un électron ou, plus rarement, un positron β+) et de photons de haute énergie appelés rayon gamma (γ).

153Les particules α émises à partir d’un nucléide donné ont toutes la même énergie ou sont divisées en quelques groupes mono-énergétiques entre 4 et 6 MeV. Les radionucléides émetteurs de particules alpha sont généralement quantifiés par spectroscopie alpha. Cette technique requiert une séparation chimique des éléments préalablement à l’analyse, afin de minimiser les interférences entre les différents nucléides émetteurs de particules α dont les énergies peuvent varier dans une fourchette proche de la résolution des détecteurs utilisés sur les spectromètres alpha.

154Comme les particules α, les rayons gamma sont mono-énergétiques. Les radionucléides γ-émetteurs produisent lors de leur désintégration des spectres gamma caractérisés par des pics d’énergie bien définis, fréquemment utilisés pour quantifier des nucléides spécifiques. S’agissant des otolithes, 210Pb est généralement dosé indirectement par spectroscopie α par la mesure de son petit-fils 210Po (T1/2 =138 jours), émetteur de particules α. Ce dernier se situe à 5 % ou moins de l’équilibre séculaire avec 210Pb pour des otolithes analysés une année ou plus après échantillonnage (Bennett et al., 1982 ; Fenton et al., 1990).

155Dans l’otolithe, 226Ra a pu être mesuré soit directement par spectroscopie alpha (Fenton et al., 1990), soit par la technique dite d’émanation de 222Rn, ce dernier (T1/2 = 3,82 jours) étant utilisé comme proxy de l’isotope père 226Ra (Bennett et al., 1982).

156La spectroscopie alpha a également été utilisée pour mesurer 228Th, tandis que 228Ra a été mesuré par spectroscopie gamma au moyen des énergies gamma de l’isotope fils 228Ac (T1/2 = 6,13 heures).

157Il convient de noter qu’en préalable à l’analyse, les échantillons doivent être minutieusement nettoyés afin d’enlever toute contamination exogène puis soumis à des processus de séparation chimique. Les procédures détaillées pourront être consultées dans Fenton et al. (1990) pour l’analyse 210Pb/226Ra ainsi que dans Smith et al. (1991) pour l’analyse 228Th/228Ra.

158Afin d’améliorer la précision de l’estimation radiométrique de l’âge des otolithes, une technique de séparation de Ra par échange d’ions en préalable à l’analyse par tims a été récemment utilisée (Andrews et al., 1999b). Comparée aux méthodes conventionnelles, cette dernière s’est avérée plus juste et précise et plus rapide ; elle nécessite en outre une moindre quantité de matériel calcifié.

159Étant donné la très faible abondance naturelle de 14C (1 atome de 14C pour 1012 atomes de 12C) et l’incapacité de la sm conventionnelle à distinguer 14C de 14N, isotope de l’azote très abondant, les mesures de 14C de l’otolithe nécessitent l’utilisation de la sma (spectrométrie de masse par accélérateur).

2. Qualité des données

160Un certain nombre de questions relatives à la qualité des données ont émergé au fur et à mesure du développement des applications sans cesse plus nombreuses de la mco. Il est important de réaliser que l’obtention d’informations sur la composition des otolithes de poissons exige de nombreuses étapes de traitement pendant lesquelles divers facteurs peuvent potentiellement affecter la qualité des données. Ces difficultés affectent directement l’interprétation des données de microchimie puisqu’elles ont des incidences directes sur les données quantitatives (e.g. concentration élémentaire) attribuées à chaque individu ou zone de l’otolithe. De plus, il est essentiel d’évaluer la justesse et la précision des différents outils analytiques utilisés de façon à sélectionner la technique la plus appropriée pour une application donnée. La qualité des données et la nécessité de quantifier l’incertitude des mesures analytiques sont des sujets de préoccupation permanents pour les analystes. Un guide pratique présentant un certain nombre de procédures recommandées pour quantifier l’incertitude analytique est proposé par un groupe de travail d’Eurachem/Citac (Ellison et al., 2000). Bien que ce guide soit plutôt orienté vers des applications en routine, il constitue une source de méthodes utiles dans le cadre de l’évaluation de la qualité des données dans les études en mco.

2.1. Sources potentielles d’incertitude

161Il apparaît clairement de la discussion et des exemples fournis dans ce chapitre que la mco est une discipline récente et encore en plein développement. On ne dispose pas encore d’informations suffisantes pour quantifier précisément toutes les opérations et processus susceptibles d’altérer les données sur la composition des otolithes de poissons. Certains facteurs d’incertitude tiennent aux processus biologiques qui sont encore mal compris. D’autres facteurs interviennent au niveau de la capture du poisson, de la préparation de l’échantillon ou de l’analyse (fig. VII.10). L’incertitude (probabilité d’erreur) induite par chacun de ces facteurs n’a pas encore été quantifiée et seuls quelques-uns peuvent être manipulés pour minimiser l’erreur. Si l’incertitude n’est pas complètement connue pour les mesures d’éléments intéressant la mco, il semble aujourd’hui évident que les mesures des éléments qui sont soit liés à la matrice organique, soit adsorbés à la surface de l’otolithe sont les moins robustes (i.e. plus affectées par la procédure analytique). Les paragraphes suivants traitent des différentes étapes mentionnées dans la figure VII. 10 et les mots en italique font, quant à eux, référence aux problèmes listés pour chacune des étapes.

2.1.1. Échantillonnage

162La stratégie d’échantillonnage utilisée pour la collecte d’échantillons de poissons peut engendrer par inadvertance des problèmes dans l’interprétation des résultats de MCO. En fonction de l’application, il convient de décider si l’échantillonnage doit être sélectif ou représentatif. La méthode de capture est, elle aussi, essentielle car les conditions de capture peuvent aggraver les modifications de l’endolymphe induites par le stress ou les changements post mortem. L’intervalle de temps entre la capture du poisson et la récupération peut suffire à altérer la concentration de certains éléments si le poisson est capturé à l’aide de pièges ou au filet maillant.

2.1.2. Conservation des poissons

163Les poissons sont conservés après la capture jusqu’à l’extraction et l’analyse des otolithes. On a montré que la méthode de conservation peut altérer la composition de l’otolithe. Des différences significatives de concentration en Na et K ont pu être observées entre les otolithes de poissons congelés et ceux conservés dans de l’éthanol (Milton & Chenery, 1998 ; Proctor & Thresher, 1998). Par ailleurs, la pureté du milieu de conservation est très probablement un facteur important et on ignore les effets de la durée de conservation. La plupart des études ont testé des méthodes de conservation pendant des semaines ou des mois, mais certaines applications impliquent l’analyse d’échantillons conservés pendant beaucoup plus longtemps. Il doit exister un seuil à la quantité d’éléments libérée ou incorporée dans l’otolithe pendant la conservation mais celui-ci dépend probablement de l’élément considéré. L’effet de la méthode et de la durée de conservation varie également en fonction de la taille du poisson et de l’espèce, puisque la taille des otolithes et leur position dans la boîte crânienne affectent le taux d’échange entre l’otolithe et le milieu externe ou les tissus du poisson au cours de la décongélation ou de la conservation dans l’éthanol.

Figure VII.10 - Sources potentielles d’incertitude liées au processus d’analyse de la composition chimiques d’otolithes et d’autres PC de poissons.

2.1.3. Extraction de l’otolithe

164Il existe un risque de contamination de l’otolithe lors de son extraction, en particulier si l’on utilise des outils de dissection métalliques ou des enveloppes en papier pour le stockage. En outre, le nettoyage de la surface après l’extraction est essentiel afin de retirer tous les tissus adhérents. Le nettoyage peut également engendrer une contamination pour certains éléments (en particulier Na) s’il est fait à mains nues. Les effets de la contamination sont difficiles à quantifier car ils diffèrent pour chaque otolithe et chaque opération. Aussi est-il préférable d’utiliser des outils en plastique ou en céramique pour l’extraction et des récipients chimiquement inertes pour le stockage. La composition de l’otolithe est souvent analysée après une phase de lecture d’âge et les lecteurs d’otolithe utilisent parfois des procédés destinés à améliorer le contraste des structures optiques. Les otolithes sont parfois immergés dans de l’eau, de la glycérine ou de l’huile, ce qui peut les contaminer ou mobiliser différents éléments et modifier leur distribution spatiale. Les otolithes sont généralement conservés à sec avant l’analyse, à la fois pour la facilité de stockage et du fait du risque potentiel de mobilisation d’éléments par les fluides de conservation. La dessiccation ajoute, elle aussi, une erreur non quantifiée, la composante protéique et les éléments qui lui sont associés perdant leur intégrité. Les éléments situés dans les espaces intercristallins peuvent enfin être déplacés.

2.1.4. Préparation de l’otolithe

165La contamination de l’otolithe est quasiment inévitable au cours de la préparation d’échantillons pour l’analyse de surface. Les noyaux ou les parties marginales de l’otolithe coupés pour une analyse globale sont également exposés à la contamination. Les scies, les liquides de lubrification, les disques de ponçage et de polissage ainsi que les suspensions doivent être soigneusement sélectionnés afin de minimiser la contamination (chap. VIII.C). Même si l’on utilise de l’eau ultra-pure pour le nettoyage et la lubrification, l’immersion en elle-même peut engendrer la mobilisation de certains éléments (notamment Na). Les otolithes sont poreux et les fluides pénètrent facilement dans les espaces intercristallins par capillarité. Il est important de s’assurer de la pureté des produits utilisés de façon à ne pas introduire de contaminants. Certains sprays ou suspensions de polissage contiennent de l’éthanol ou des huiles, les disques et suspensions utilisés pour le ponçage pouvant également présenter des teneurs significatives en Al et autres métaux. Le verre est une source de Si, de S et de Pb et il peut contaminer la surface de l’otolithe. Les résines utilisées pour l’enrobage de l’otolithe peuvent contenir de faibles teneurs en éléments traces et il est souvent très utile d’analyser la résine parallèlement aux échantillons d’otolithe afin d’évaluer les concentrations de base ou les niveaux potentiels de contamination. Le port de gants est fortement recommandé pendant la préparation de l’échantillon afin de prévenir toute contamination provenant des sels et graisses cutanés.

166Les analyses globales donnent des résultats qui doivent être normalisés par rapport à la masse de l’otolithe. La précision de la pesée a donc un effet direct et quantifiable sur le calcul de la concentration des éléments.

2.1.5. Analyse de la composition

167L’étape la plus difficile en mco concerne la mesure des éléments dans les échantillons. Cette tâche est rendue plus délicate encore par le fait que la plupart des applications exigent que le biologiste connaisse certains principes de physique et de chimie et apprenne parfois à opérer sur des machines construites et développées pour d’autres disciplines scientifiques. Les applications biologiques ont aussi tendance à pousser ces machines à la limite de leurs performances parce que les concentrations des éléments intéressants ainsi que la quantité de matière disponible sont faibles et que la résolution spatiale requise peut être élevée. Les sources d’incertitude liées à l’étape de mesure de la composition ne sont pas toujours évidentes pour les nouveaux utilisateurs. Des expériences analytiques systématiques peuvent être réalisées pour quantifier l’essentiel de l’erreur de mesure mais seules quelques rares études ont été à ce jour publiées (chap. VII.G.2.2).

168Les conditions opératoires des instruments ont un effet considérable sur la mesure des concentrations élémentaires. Par exemple, pour les microsondes électroniques, la qualité des données dépend de l’interaction entre le diamètre du faisceau d’électrons, l’intensité et la tension du courant d’excitation, et le temps d’acquisition. La sensibilité des analyses globales est affectée par les taux de dilution des échantillons et par le nombre d’éléments mesurés. Elle varie également en fonction de l’élément ou de l’isotope mesuré. Dans tous les cas, les réglages de l’instrument représentent un compromis entre les exigences parfois incompatibles de justesse, de précision et de rapidité d’analyse.

169L’une des principales sources d’incertitude de mesure résulte de la difficulté à se procurer des matériels de référence adaptés (chap. VII.G.2.2). L’amplitude de l’erreur peut être évaluée en comparant des analyses incluant différents matériels de référence certifiés (crm). La disponibilité de nouveaux crm pour les otolithes devrait limiter ce problème. Même avec des crm adaptés, les effets de matrice doivent être contrôlés ou pris en compte. Deux types d’effet peuvent être considérés en mco. Le premier est dû au fait que l’ensemble des éléments associés à la composante protéique, et leurs concentrations relatives, ne sont pas connus. Or, certains protocoles de digestion utilisés pour les analyses globales aboutissent à la dissolution des protéines de sorte que les deux composantes organique et inorganique sont mesurées. D’autres protocoles de digestion laissent un « fantôme » organique visible qui représente une partie de la composante organique initiale de l’otolithe. Les effets de la matrice protéique sur la mesure des éléments par les méthodes de surface sont plus difficiles à quantifier mais ils incluent les variations de la qualité de la surface, lesquelles altèrent l’efficacité des sondes. En chimie analytique, les effets de matrice à proprement parler se rapportent aux difficultés analytiques liées à la mesure d’éléments dans des composés. En icp-ms et wds, la mesure des différents éléments de l’otolithe est compliquée par la prédominance de CaCO3. L’erreur induite par ces effets de matrice peut être contrôlée par la prise en compte de la matrice avec, notamment, la réalisation de standards analytiques présentant des concentrations comparables en CaCO3. Il est plus facile d’y parvenir pour la technique sb-icp-ms que pour les techniques la-icp-ms ou wds pour lesquelles on ne dispose pas de crms adaptés. Seule la technique la-icp-ms est insensible à la qualité de la surface (la surface devant être cependant toujours exempte de contamination). Des micro-fissures à la surface de l’otolithe entraînent la dispersion des électrons et induisent par conséquent des erreurs dans la détection des éléments et dans la quantification de leurs concentrations.

170La conversion du signal mesuré par la machine en concentrations élémentaires dépend du modèle de calibration, modèle établi à partir du signal mesuré sur les standards analytiques. L’ajustement de la calibration doit être vérifié avant l’analyse des échantillons d’otolithes, sans quoi des effets de calcul généreront des erreurs de mesure.

171La dérive instrumentale est l’un des problèmes importants de ces techniques analytiques. Ce terme désigne la variation graduelle ou parfois abrupte de la sensibilité de la machine au cours d’une ou plusieurs session(s) d’analyse(s) consécutive(s). Plusieurs méthodes sont utilisées pour minimiser les effets de dérive sur la détermination de la composition de l’otolithe. L’approche habituelle consiste à analyser les échantillons sur une courte durée. On peut aussi remesurer un sous-échantillon à des intervalles réguliers afin de quantifier et corriger la dérive de l’instrument lors de l’étape ultérieure de calcul. Le passage des échantillons dans un ordre aléatoire permet de s’assurer que les erreurs liées à la dérive n’affectent pas systématiquement un groupe d’échantillons particulier.

172Le blanc analytique est une source d’erreur de mesure significative. La qualité des blancs analytiques affecte la correction du blanc utilisée par le logiciel de l’instrument pour le calcul des concentrations. Les blancs sont également utilisés pour le calcul des lods et toute contamination ou effet de matrice résultera en une sensibilité amoindrie. Les procédures logicielles de correction de la valeur du blanc peuvent générer des valeurs négatives de concentrations. Elles sont équivalentes à des concentrations inférieures à la limite de détection.

173En wds, les limites de détection (lod) sont estimées pour chaque élément à partir de l’écart type des mesures du fond lorsque les standards sont mesurés. Pour l’icp-ms en solution, les limites de détection sont estimées à partir l’écart type de mesures répétées sur des blancs correspondant à la solution utilisée pour dissoudre les échantillons. Les estimations de concentration correspondent à celles des échantillons en solution et doivent être corrigées par le facteur de dilution pour se référer à l’échantillon solide, i.e. pour exprimer les lods en microgramme par gramme (ppm) d’otolithe. À ce jour, il n’y a pas de consensus sur la méthode d’estimation des limites de détection en la-icp-ms et plusieurs méthodes ont été proposées :

  • estimation à partir de mesures sur le flux d’argon (i.e. sans ablation) ;

  • estimation à partir de mesures sur des standards (e.g. verres dopés NIST 612 & 610) ;

  • estimation à partir de mesures sur des standards de poudre.

174Chaque méthode conduit à une estimation différente des lods mais aucune d’entre elles n’est satisfaisante du fait d’un manque d’ajustement à la matrice de l’otolithe. La première est la moins « conservatrice » puisqu’elle ne prend pas en compte la quantité de matière ablatée qui influe de manière significative sur les valeurs des lods.

175Lorsque la quantité de matière réellement analysée varie entre les différents points d’analyse (comme dans le cas de l’ablation laser), ou lorsqu’elle n’est pas mesurée, les concentrations élémentaires sont généralement rapportées à une constante. Dans l’analyse des isotopes stables, l’irms mesure les rapports isotopiques dans les échantillons et compare ce résultat à celui obtenu sur un standard (pdb, smow, etc.). En la-icp-ms, la méthode habituelle consiste à normaliser le nombre de coups obtenu sur chacun des éléments par le nombre de coups obtenu simultanément sur Ca. Lorsque la concentration en calcium n’est pas connue, le calcul de la concentration élémentaire est basé sur le calcul stœchiométrique du calcium dans CaCO3. Si l’on considère les otolithes comme du carbonate de calcium pur, la proportion de calcium est de 40 %. La différence par rapport à la valeur « vraie » affectera les concentrations élémentaires dans les otolithes mais elle n’affectera pas les abondances relatives. Cependant, toute hétérogénéité dans la distribution du calcium au sein de l’otolithe aboutira à une sous- ou sur-estimation des concentrations élémentaires effectives.

2.1.6. Analyse des données

176Concernant les applications en mco, il existe de nombreuses situations dans lesquelles les concentrations mesurées sont proches des lods. Les méthodes de traitement de valeurs inférieures aux lods doivent alors être arrêtées avant l’analyse statistique. Malheureusement, la littérature disponible en matière de mco ne contient que peu de détails sur le calcul des lods ou sur le traitement de valeurs inférieures à ces dernières. Il est indispensable de rapporter la façon dont les lods ont été calculées, la manière dont les résultats analytiques inférieurs aux lods sont traités sur un plan statistique et quel pourcentage des résultats pour chaque élément se situe en deçà des lods. Ces données doivent être prises en compte séparément pour chaque groupe d’échantillons. Des différences de valeurs entre les sessions peuvent obscurcir les comparaisons réelles entre les groupes et générer des tendances trompeuses dans les données.

177Il existe plusieurs options pour le traitement des résultats analytiques situés en deçà des lods :

  • inclure toutes les données en utilisant les valeurs inférieures aux lods dans les calculs statistiques ultérieurs ;

  • affecter la valeur 0 aux valeurs inférieures aux lods en utilisant 0 dans les calculs statistiques ultérieurs ;

  • affecter la valeur de la lod aux valeurs inférieures aux lods, en utilisant la valeur de lod dans les calculs statistiques ultérieurs ;

  • considérer les valeurs inférieures aux lods comme données manquantes ;

  • convertir toutes les valeurs des éléments présentant des mesures en deçà ou proches de la limite de détection en données de présence/absence et utiliser des méthodes statistiques appropriées.

178Dans certaines applications, il est possible d’ignorer les éléments qui présentent de nombreuses valeurs inférieures aux lods. Cette option est utile pour améliorer la qualité des données lorsqu’elles sont soumises à des analyses multivariées, en particulier pour les problèmes de discrimination de stocks. Dans tous les cas, l’existence de valeurs inférieures aux lods doit être rapportée pour chaque élément comme :

  • pourcentage des mesures inférieures aux lods ;

  • pourcentage des individus présentant des points inférieurs aux lods.

179Des méthodes statistiques incluant l’analyse de la proportion des points inférieurs aux lods devraient être développées pour aider à la caractérisation des populations et des réponses individuelles.

180Les valeurs obtenues pour les concentrations élémentaires ne sont fiables que si les mesures sont exemptes d’interférences chimiques ou spectrales. Les interférences peuvent augmenter artificiellement les concentrations mesurées ou rendre la mesure difficile. La présence d’interférence peut généralement être détectée en examinant les concentrations calculées à partir des différents isotopes d’un élément donné. Si les rapports entre les concentrations isotopiques dans l’échantillon correspondent aux proportions apparaissant naturellement, les données peuvent être considérées comme non interférées. Avant de commencer une étude en mco, il est utile de connaître les sources probables d’interférence. Les interférences spectrales entre les raies d’émission X sont publiées pour la wds et l’eds, tandis que les logiciels des icp-ms récents permettent de vérifier les interférences probables (avec une quantification associée) pour chacun des isotopes d’un élément donné avec des composants de masse nominale semblable. En icp-ms, les interférences spectrales risquent de se produire avec les ions isobariques (e.g. 87Sr et 87Rb), les oxydes réfractaires (MO+) et les ions d’argon polyatomiques (ArX+ avec X = H,C,O,N) formés à partir du plasma d’argon. Concernant cette dernière situation, le cas le plus souvent évoqué est celui de l’interférence entre 40Ar16O+ et 56Fe+. Un certain nombre d’ions ArX+ peuvent interférer avec les différents isotopes de Fe, à des degrés variables, ce qui complique la mesure de cet élément par cette technique. Le fait qu’une interférence puisse être séparée d’un isotope intéressant dépend de la résolution en masse de l’instrument, paramètre qui a été considérablement amélioré ces dernières années.

181Comme nous l’avons indiqué plus haut, la dérive instrumentale peut produire des tendances dans les données de mco, tendances qui sont en fait des artefacts de l’analyse. Certaines techniques utilisent des logiciels automatiques pour corriger la dérive de l’instrument avant de produire les valeurs de concentration finales. Il est important d’examiner les données de concentration avant l’analyse statistique afin de détecter la présence et l’influence de la dérive instrumentale. Les valeurs de chaque élément doivent être portées sur un graphique en fonction de l’ordre des mesures. S’il existe des tendances temporelles dans les données, elles peuvent parfois être estimées et corrigées à l’aide d’un modèle de régression ajusté sur les mesures de blancs ou de standards réalisées au début, au milieu et en fin de session d’analyse. Préalablement aux analyses statistiques, les données doivent être examinées et des critères de sélection appliqués afin d’exclure les points aberrants, ou résultats analytiques aberrants. Certains points de données doivent être écartés des analyses ultérieures et plus particulièrement lorsqu’ils résultent d’irrégularités ou de fractures à la surface de l’otolithe, de la présence de résine à un point d’analyse, etc. En analyse wds, les mesures peuvent parfois être effectuées par inadvertance sur des fractures ou des rayures présentes sur la préparation, notamment si le dispositif de visualisation possède un faible grossissement ou si les mesures sont faites le long de radiales pré-programmées. Des points aberrants en wds peuvent être facilement identifiés par leurs valeurs en Ca. Les résultats concernant l’ensemble des éléments mesurés sur ces points doivent être rejetés. En la-icp-ms, les points d’ablation peuvent inclure, par erreur, des fractures voire de la résine en périphérie de l’otolithe, le volume exact de l’ablation étant variable et ne pouvant être contrôlé. Ces points doivent être identifiés par les valeurs d’éléments abondants tels que Sr ou Mg. Les améliorations constantes de la technologie laser devraient réduire les erreurs liées à l’ablation. L’identification et le rejet de points aberrants doivent être basés sur des critères déterminés en fonction de l’amplitude de l’écart de la mesure à la moyenne. Des zones localement contaminées peuvent également produire des points aberrants, lesquels doivent être, de la même manière, rejetés.

182Lorsque des points de mesures suspectes résultent de problèmes analytiques, ils doivent être retirés avant l’analyse statistique. Il arrive que l’on observe des valeurs anormales ne pouvant être attribuées à des problèmes analytiques. Cela peut se produire lors de déterminations multi-élémentaires pour lesquelles un élément est en concentration « anormale » alors que les concentrations de tous les autres éléments sont « normales » sur un même point de mesure. Dans certaines publications, ces données aberrantes sont retirées de l’analyse statistique sans qu’il y ait de réelle justification à ce choix.

183L’analyse des données de composition de l’otolithe présente un risque d’erreurs de pseudoréplication. La mco est onéreuse et très chronophage, ce qui entraîne une incitation forte à réduire le nombre d’échantillons soumis à l’analyse. Dans certaines études, des points mesurés le long d’une radiale sur un otolithe sont regroupés de façon à représenter une mesure sur un individu. De la même façon, plusieurs points mesurés sur une zone donnée de l’otolithe sont souvent analysés statistiquement comme étant des réplicats indépendants de cet individu. Les valeurs mesurées le long d’une radiale ne sont généralement pas indépendantes à cause de l’existence de tendances liées à l’âge ou à la taille. Dans l’idéal, des réplicats indépendants pour chaque individu devraient être obtenus par l’analyse des deux otolithes. Un sous-échantillon aléatoire des mesures d’une radiale peut être utilisé pour l’analyse statistique afin d’éviter le problème de co-dépendance. Thresher (1999) évoque d’autres problèmes de pseudoréplication associés à la stratégie d’échantillonnage et au traitement du poisson.

2.2. Justesse et précision des outils analytiques

184Très peu d’études se sont focalisées sur les aspects méthodologiques. Gunn et al. (1992) ont passé en revue les principes d’utilisation de la micro-analyse par sonde électronique (epma) pour l’analyse de la composition de l’otolithe (Ca, Sr, Na, K et S). Ils ont fourni la première comparaison quantitative des capacités de détection de l’eds et de la wds et en ont conclu que l’eds n’était pas une technique suffisamment sensible et précise pour produire des données adaptées à l’analyse de la composition de l’otolithe. Ils ont étudié les effets des conditions opératoires de la wds (diamètre du faisceau (A), tension d’accélération (E), intensité du courant (I) et temps d’acquisition) sur la qualité des données et conclu qu’une densité de puissance du faisceau (bpd = EI/A) de 3μW.μm-2 était un compromis acceptable. Toole & Neilsen (1992) ont également discuté les effets des erreurs de mesure associées à la quantification de Sr et Ca par wds sur les hypothèses tirées de l’analyse des rapports Sr/Ca dans les otolithes.

185Plus récemment, une expérience internationale sur la composition de l’otolithe a comparé les potentialités des techniques de surface les plus répandues (eds, wds, la-icp-ms et pixe) et examiné les différences entre les laboratoires utilisant un même type d’instrument (Campana et al., 1997). Les résultats ont montré que :

  • aucune technique n’est préférable à une autre pour l’analyse élémentaire. Na et K ont été mesurés uniquement par epma (eds et wds) tandis que les éléments traces ont été mesurés par la-icp-ms ou pixe ; comme attendu, les moins bonnes lods et la plus mauvaise précision ont été obtenues avec l’utilisation de l’eds ;

  • la justesse, la précision et les lods diffèrent entre laboratoires utilisant le même type d’instrument. De telles différences peuvent être imputées en partie à des conditions opératoires spécifiques aux laboratoires. Ce fait rend particulièrement difficile la comparaison des données publiées et indique, en outre, qu’une intercalibration est nécessaire lorsque des projets impliquent plusieurs laboratoires ;

  • le développement de matériels de référence certifiés (crms) adaptés à l’analyse des otolithes est essentiel à la progression de cette discipline et c’est, en outre, une condition préalable à la comparaison des données publiées. En fait, les crms géologiques souvent utilisés en mco ne correspondent pas à la matrice de l’otolithe (aragonite et protéines), ni les substituts qui ont été proposés pour l’analyse par des techniques de type sonde tels que les poudres d’otolithes fusionnées dans des billes de verre (Campana et al., 1997) ou encore le pastillage de carbonate sous presse (Perkins et al., 1991 ; Pearce et al., 1992). Un crm pour les analyses en solution, préparé à partir d’otolithes de Lutjanus sebae a été annoncé, avec des valeurs certifiées pour Na, Mg, K, Ca, Sr, et Ba et des valeurs de référence pour Cu, Zn, Cd et Pb (Yoshinaga et al., 2000).

Table des illustrations

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Légende Figure VII.1 - Relations entre les activités de l’isotope père (courbe rouge) et de l’isotope fils (courbe bleue) et rapport des activités (courbe verte) en fonction du temps. (…..) estimations maximales et minimales du rapport des activités avec une erreur de mesure de ±10 % ; (→) effet de l’erreur de mesure sur l’intervalle d’estimation de l’âge.a) Situation d’équilibre transitoire. Modélisée avec Tp = 5,76 années et TD = 1,91 année, correspondant respectivement aux demi-vies de 228Th et de 228Ra, et AP arbitrairement fixée à 2. En encart : même modèle avec un rapport des activités initial fixé à 0,2.b) Situation d’équilibre séculaire. AP a été arbitrairement fixée à 2. En encart : même modèle avec un rapport des activités initial fixé à 0,2.
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Légende FigureVII.2Concentrations en ions, en CO2 total et en protéines dans le plasma et l’endolymphe sacculaire de la truite (1) et du turbot (2). Les concentrations sont données en millimole par litre pour tous les constituants excepté pour les protéines qui sont données en gramme par litre. D’après les données de Payan et al. (1999).
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Légende Figure VII.3 - Distribution, sur le tableau périodique, des éléments détectés dans les otolithes. La masse atomique est précisée pour les isotopes utilisés en chimie des isotopes stables ou pour la datation radiométrique. Les gammes de concentration s’appliquent aux résultats obtenus à partir de l’étude d’espèces marines. L’azote est présent en quantité significative en tant qu’élément de la composante protéique, mais sa concentration absolue est difficile à quantifier.
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Légende Figure VII.4 - Visualisation synthétique des données publiées concernant la composition des otolithes en éléments mineurs ou traces (moyenne ± 1 ET) d’espèces occupant trois principaux types d’habitat. Les bâtons sans barres d’erreur indiquent les concentrations d’éléments qui n’ont été observées que dans une seule étude. La concentration en calcium (non représentée) correspond à 38,02 ± 0,50 % et 40,72 ± 1,82 % du poids des otolithes pour les espèces marines et d’eau douce respectivement. D’après les données de Campana (1999).
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Légende FigureVII.5Changement dans la concentration élémentaire d’un otolithe de turbot partiellement vatéritique. Les mesures ont été obtenues en utilisant une microsonde WDS Cameca SX 50 équipée de cinq spectromètres (Pontual, données non publiées).
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Légende Figure VII.6 - Relations entre le rapport des isotopes de l’oxygène dans l’otolithe (δ18O dans l’otolithe) et la température de l’eau (trait continu, axe inférieur) et le rapport des isotopes de l’oxygène dans l’eau (δ18O dans l’eau).a) dans des environnements marins représentatifs comme spécifiés.b) en milieux continentaux et marins représentatifs comme spécifiés.
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Titre Tableau VII.1 - Quelques effets de la température sur le rapport Sr/Ca (voir aussi Secor & Rooker, 2000).
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Titre Tableau VII.2 - Équations publiées donnant la température de l’eau en fonction des rapports isotopiques de l’oxygène dans les carbonates.
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Légende Figure VII.7Comparaison des estimations de température obtenues à partir du rapport des isotopes de l’oxygène dans les otolithes en utilisant différentes relations isotopes-température publiées (tableau VII.2).
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Légende Figure VII.8 – Le 14C des essais nucléaires atmosphériques utilisé comme chronomètre.a) Relevés historiques du Δ14C dans l’atmosphère des hémisphères nord (20° N) et sud (20° S) montrant l’importance des effets des essais atmosphériques des armes nucléaires. Reproduit de Broecker et al. (1985).b) Valeurs de surface de la section Pacifique orientale de geosecs (1973) comparées aux données collectées le long du méridien 135°W section P17 (1992) du programme woce. Les valeurs dans les zones tempérées des deux hémisphères ont diminué tandis que celles des latitudes tropicales et équatoriales ont augmenté. Reproduit de Key (1997).c) Graphique 3D des variations de Δ14C (woce P17 : astérisques noirs - Pacifique oriental geosecs : X gris) entre 1973 et 1992. Reproduit de Key (1997).d) Δ14C (± 1 ET) de l’aragonite des otolithes de Pagrus auratus de Nouvelle-Zélande au cours de la période 1918 à 1990. Les mesures deΔ14C de coraux hermatypiques prélevés aux Fiji et à l’île du Héron, Australie, sont présentées pour comparaison. Reproduit de Kalish (1993) avec la permission de Elsevier Science.
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Titre Tableau VII.4 - Exemples d’études sur la composition chimique des PC (la littérature citée est loin d’être exhaustive).
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Titre Tableau VII.5 - Techniques analytiques utilisées en MCO et leurs principales caractéristiques.
Légende S : technique de surface ; B : technique globale ; meb : microscope électronique à balayage ; met : microscope électronique à transmission ; x : taille du spot d’analyse ; z : profondeur de l’échantillonnage. Pour les techniques globales, les lods sont données pour des solutions. Elles doivent donc être multipliées par le facteur de dilution pour être comparées au matériel solide.
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Légende Figure VII.9 - Schéma synoptique des principales applications de la microchimie de l’otolithe. Pour chaque application, le signal chimique mesuré est précisé avec les techniques analytiques appropriées. Flèches solides : méthodes généralement utilisées ; flèches en traits et points : méthodes plus rarement utilisées ; flèche en pointillés : méthode non recommandée ; texte en caractère gras : techniques les plus fréquemment utilisées.
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Légende Figure VII.10 - Sources potentielles d’incertitude liées au processus d’analyse de la composition chimiques d’otolithes et d’autres PC de poissons.
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© IRD Éditions, 2002

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