L’analyse isotopique est largement applicable dans les sciences naturelles. Celles-ci incluent de nombreuses applications dans les sciences biologiques, de la terre et de l’environnement.
Archéologiedit
Reconstruire des régimes antiques
Les matériaux archéologiques, tels que les os, les résidus organiques, les cheveux ou les coquillages, peuvent servir de substrats pour l’analyse isotopique. Les rapports isotopiques du carbone, de l’azote et du zinc sont utilisés pour étudier les régimes alimentaires des personnes passées; Ces systèmes isotopiques peuvent être utilisés avec d’autres, comme le strontium ou l’oxygène, pour répondre à des questions sur les mouvements de population et les interactions culturelles, telles que le commerce.
Les isotopes du carbone sont analysés en archéologie pour déterminer la source de carbone à la base de la chaîne alimentaire. En examinant le rapport isotopique 12C / 13C, il est possible de déterminer si les animaux et les humains mangeaient principalement des plantes en C3 ou en C4. Les sources de nourriture potentielles en C3 comprennent le blé, le riz, les tubercules, les fruits, les noix et de nombreux légumes, tandis que les sources de nourriture en C4 comprennent le millet et la canne à sucre. Les rapports isotopiques du carbone peuvent également être utilisés pour distinguer les sources de nourriture marines, d’eau douce et terrestres.Les rapports isotopiques du carbone
peuvent être mesurés dans le collagène osseux ou le minéral osseux (hydroxylapatite), et chacune de ces fractions osseuses peut être analysée pour éclairer les différents composants de l’alimentation. Le carbone contenu dans le collagène osseux provient principalement de protéines alimentaires, tandis que le carbone contenu dans le minéral osseux provient de tout le carbone alimentaire consommé, y compris les glucides, les lipides et les protéines.
Pour obtenir une image précise des paléodiètes, il est important de comprendre les processus de diagenèse qui peuvent affecter le signal isotopique d’origine. Il est également important pour le chercheur de connaître les variations des isotopes au sein des individus, entre les individus et au fil du temps.
Approvisionnement en matériaux archéologiquesdit
L’analyse isotopique a été particulièrement utile en archéologie comme moyen de caractérisation. La caractérisation des artefacts implique de déterminer la composition isotopique des matériaux sources possibles tels que les corps de minerai métalliques et de comparer ces données à la composition isotopique des artefacts analysés. Une large gamme de matériaux archéologiques tels que les métaux, le verre et les pigments à base de plomb ont été obtenus par caractérisation isotopique. En particulier dans la Méditerranée de l’âge du bronze, l’analyse des isotopes du plomb a été un outil utile pour déterminer les sources de métaux et un indicateur important de la structure des échanges. L’interprétation des données sur les isotopes du plomb est cependant souvent controversée et fait face à de nombreux défis instrumentaux et méthodologiques. Des problèmes tels que le mélange et la réutilisation de métaux provenant de différentes sources, des données fiables limitées et la contamination des échantillons peuvent constituer des problèmes d’interprétation difficiles.
Écologiemodifier
Tous les éléments biologiquement actifs existent sous un certain nombre de formes isotopiques différentes, dont deux ou plus sont stables. Par exemple, la plupart du carbone est présent sous forme de 12C, environ 1% étant du 13C. Le rapport des deux isotopes peut être modifié par des processus biologiques et géophysiques, et ces différences peuvent être utilisées de plusieurs manières par les écologistes. Les principaux éléments utilisés en écologie isotopique sont le carbone, l’azote, l’oxygène, l’hydrogène et le soufre, mais comprennent également le silicium, le fer et le strontium.
Analyse des isotopes stables dans les écosystèmes aquatiquesdit
Les isotopes stables sont devenus une méthode populaire pour comprendre les écosystèmes aquatiques, car ils peuvent aider les scientifiques à comprendre les liens de sources et les informations sur les processus dans les réseaux trophiques marins. Ces analyses peuvent également être utilisées dans une certaine mesure dans les systèmes terrestres. Certains isotopes peuvent signifier des producteurs primaires distincts formant les bases des réseaux trophiques et du positionnement au niveau trophique. Les compositions isotopiques stables sont exprimées en valeurs delta (δ) en permil (‰), c’est-à-dire parties pour mille différences par rapport à un étalon. Ils expriment la proportion d’un isotope qui se trouve dans un échantillon. Les valeurs sont exprimées comme suit :
δX = × 103
où X représente l’isotope d’intérêt (par ex., 13C) et R représente le rapport entre l’isotope d’intérêt et sa forme naturelle (par ex., 13C/12C). Des valeurs delta plus élevées (ou moins négatives) indiquent une augmentation de l’isotope d’intérêt d’un échantillon par rapport à la norme, et des valeurs inférieures (ou plus négatives) indiquent des diminutions. Les matériaux de référence standard pour le carbone, l’azote et le soufre sont respectivement le calcaire de Belamnite de Pee Dee, l’azote gazeux dans l’atmosphère et la météorite de Cañon Diablo. L’analyse est généralement effectuée à l’aide d’un spectromètre de masse, détectant de petites différences entre les éléments gazeux. L’analyse d’un échantillon peut coûter de 30 $ à 100 $. Les isotopes stables aident les scientifiques à analyser les régimes alimentaires et les réseaux trophiques des animaux en examinant les tissus animaux qui portent un enrichissement ou un épuisement isotopique fixe par rapport au régime alimentaire. Les fractions musculaires ou protéiques sont devenues le tissu animal le plus couramment utilisé pour examiner les isotopes, car elles représentent les nutriments assimilés dans leur alimentation. Le principal avantage d’utiliser l’analyse des isotopes stables par opposition aux observations du contenu de l’estomac est que quel que soit le statut de l’estomac de l’animal (vide ou non), les traceurs isotopiques dans les tissus nous permettront de comprendre sa position trophique et sa source de nourriture. Les trois principaux isotopes utilisés dans l’analyse des réseaux trophiques des écosystèmes aquatiques sont le 13C, le 15N et le 34S. Bien que tous les trois indiquent des informations sur la dynamique trophique, il est courant d’effectuer des analyses sur au moins deux des 3 isotopes mentionnés précédemment pour une meilleure compréhension des interactions trophiques marines et pour des résultats plus solides.
Carbone-13Edit
Les isotopes du carbone nous aident à déterminer la source de production primaire responsable du flux d’énergie dans un écosystème. Le transfert du 13C à travers les niveaux trophiques reste relativement le même, à l’exception d’une légère augmentation (un enrichissement < 1 ‰). De grandes différences de δ13C entre les animaux indiquent qu’ils ont des sources de nourriture différentes ou que leurs réseaux trophiques sont basés sur différents producteurs primaires (c’est-à-dire différentes espèces de phytoplancton, graminées des marais. Étant donné que δ13C indique la source d’origine des producteurs primaires, les isotopes peuvent également nous aider à déterminer les changements dans les régimes alimentaires, à court terme, à long terme ou permanents. Ces changements peuvent même être corrélés aux changements saisonniers, reflétant l’abondance du phytoplancton. Les scientifiques ont découvert qu’il peut y avoir de larges plages de valeurs de δ13C dans les populations de phytoplancton sur une région géographique. Bien qu’il ne soit pas tout à fait certain de la raison, il existe plusieurs hypothèses pour cet événement. Ceux-ci comprennent les isotopes dans les bassins de carbone inorganique dissous (CID) qui peuvent varier en fonction de la température et de l’emplacement et que les taux de croissance du phytoplancton peuvent affecter leur absorption des isotopes. δ13C a été utilisé pour déterminer la migration des animaux juvéniles des zones côtières abritées vers des sites offshore en examinant les changements de leur régime alimentaire. Une étude de Fry (1983) a étudié les compositions isotopiques des crevettes juvéniles des prairies herbeuses du sud du Texas. Fry a constaté qu’au début de l’étude, la crevette avait des valeurs isotopiques de δ13C = -11 à -14‰ et de 6 à 8 ‰ pour δ15N et δ34S. Au fur et à mesure que la crevette a mûri et migré vers le large, les valeurs isotopiques ont changé pour celles ressemblant à des organismes offshore (δ13C = -15‰ et δ15N = 11,5‰ et δ34S = 16‰).
Soufre-34Edit
Bien qu’il n’y ait pas d’enrichissement de 34S entre les niveaux trophiques, l’isotope stable peut être utile pour distinguer les producteurs benthiques des producteurs pélagiques et les producteurs de marais des producteurs de phytoplancton. Semblable au 13C, il peut également aider à distinguer les différents phytoplanctons en tant que principaux producteurs primaires dans les réseaux trophiques. Les différences entre les sulfates d’eau de mer et les sulfures (c. 21‰ contre -10‰) aident les scientifiques dans les discriminations. Le soufre a tendance à être plus abondant dans les zones moins aérobies, telles que les systèmes benthiques et les plantes des marais, que les systèmes pélagiques et plus aérobies. Ainsi, dans les systèmes benthiques, il existe des valeurs δ34S plus petites.
Azote-15Edit
Les isotopes de l’azote indiquent la position au niveau trophique des organismes (reflétant le moment où les échantillons de tissus ont été prélevés). Il existe un composant d’enrichissement plus important avec δ15N car sa rétention est supérieure à celle de 14N. Cela peut être vu en analysant les déchets d’organismes. L’urine de bétail a montré qu’il y avait une déplétion de 15N par rapport au régime alimentaire. Au fur et à mesure que les organismes se mangent, les isotopes 15N sont transférés aux prédateurs. Ainsi, les organismes situés plus haut dans la pyramide trophique ont accumulé des niveaux plus élevés de 15N (et des valeurs δ15N plus élevées) par rapport à leurs proies et aux autres avant eux dans le réseau trophique. De nombreuses études sur les écosystèmes marins ont montré qu’il y a en moyenne un enrichissement en 15N par rapport au régime alimentaire de 3,2 ‰ entre différentes espèces de niveau trophique dans les écosystèmes. Dans la mer Baltique, Hansson et al. (1997) ont constaté que lors de l’analyse d’une variété de créatures (telles que la matière organique particulaire (phytoplancton), le zooplancton, les mysidés, le sprat, l’éperlan et le hareng), il y avait un fractionnement apparent de 2,4 ‰ entre les consommateurs et leurs proies apparentes.
En plus du positionnement trophique des organismes, les valeurs δ15N sont devenues couramment utilisées pour faire la distinction entre les sources de nutriments d’origine terrestre et les sources naturelles de nutriments. Lorsque l’eau se déplace des fosses septiques aux aquifères, l’eau riche en azote est acheminée dans les zones côtières. Le nitrate des eaux usées a des concentrations plus élevées de 15N que le nitrate que l’on trouve dans les sols naturels des zones proches du rivage. Pour les bactéries, il est plus pratique pour elles d’absorber 14N par opposition à 15N car c’est un élément plus léger et plus facile à métaboliser. Ainsi, en raison de la préférence des bactéries lors de la réalisation de processus biogéochimiques tels que la dénitrification et la volatilisation de l’ammoniac, le 14N est éliminé de l’eau à un rythme plus rapide que le 15N, ce qui entraîne l’entrée de plus de 15N dans l’aquifère. 15N est d’environ 10-20‰ par opposition aux valeurs naturelles de 15N de 2-8‰. L’azote inorganique émis par les fosses septiques et autres eaux usées d’origine humaine se présente généralement sous la forme de NH 4+{\displaystyle{\ce{NH4+}}}
. Une fois que l’azote pénètre dans les estuaires par les eaux souterraines, on pense que parce qu’il y a plus de 15N entrant, qu’il y aura aussi plus de 15N dans le pool d’azote inorganique livré et qu’il est davantage capté par les producteurs qui absorbent de l’Azote. Même si le 14N est plus facile à absorber, car il y a beaucoup plus de 15N, il y aura toujours des quantités plus élevées assimilées que la normale. Ces niveaux de δ15N peuvent être examinés chez des créatures vivant dans la région et non migratrices (telles que les macrophytes, les palourdes et même certains poissons). Cette méthode d’identification des niveaux élevés d’apport d’azote devient une méthode de plus en plus populaire pour tenter de surveiller l’apport de nutriments dans les estuaires et les écosystèmes côtiers. Les gestionnaires de l’environnement sont de plus en plus préoccupés par la mesure des apports anthropiques en nutriments dans les estuaires, car un excès de nutriments peut entraîner une eutrophisation et des événements hypoxiques, éliminant ainsi entièrement les organismes d’une zone.
Oxygène-18Edit
L’analyse du rapport de 18O à 16O dans les coquilles de la palourde du Delta du Colorado a été utilisée pour évaluer l’étendue historique de l’estuaire dans le delta du fleuve Colorado avant la construction de barrages en amont.
Hydrogène-2Edit
Le rapport de 2H, également connu sous le nom de deutérium, à 1H a été étudié dans les tissus végétaux et animaux. Les isotopes de l’hydrogène dans les tissus végétaux sont corrélés aux valeurs locales de l’eau, mais varient en fonction du fractionnement lors de la photosynthèse, de la transpiration et d’autres processus de formation de la cellulose. Une étude sur les rapports isotopiques des tissus des plantes poussant dans une petite zone au Texas a révélé que les tissus des plantes CAM étaient enrichis en deutérium par rapport aux plantes C4. Les rapports isotopiques de l’hydrogène dans les tissus animaux reflètent le régime alimentaire, y compris l’eau potable, et ont été utilisés pour étudier la migration des oiseaux et les réseaux trophiques aquatiques.
Science forensiquemodifier
Un développement récent de la science forensique est l’analyse isotopique des mèches de cheveux. Les cheveux ont un taux de croissance reconnaissable de 9 à 11 mm par mois ou 15 cm par an. La croissance des cheveux humains est principalement fonction de l’alimentation, en particulier de la consommation d’eau potable. Les rapports isotopiques stables de l’eau potable sont fonction de l’emplacement et de la géologie à travers laquelle l’eau percole. Les variations des isotopes 87Sr, 88Sr et de l’oxygène sont différentes partout dans le monde. Ces différences de rapport isotopique sont ensuite biologiquement « fixées » dans nos cheveux au fur et à mesure de leur croissance et il est donc devenu possible d’identifier des histoires géographiques récentes par l’analyse des mèches de cheveux. Par exemple, il pourrait être possible d’identifier si un suspect de terrorisme s’était récemment rendu à un endroit particulier à partir d’une analyse capillaire. Cette analyse capillaire est une méthode non invasive qui devient très populaire dans les cas où l’ADN ou d’autres moyens traditionnels n’apportent aucune réponse.
L’analyse isotopique peut être utilisée par les enquêteurs médico-légaux pour déterminer si deux échantillons d’explosifs ou plus sont d’origine commune. La plupart des explosifs à haute teneur en carbone contiennent des atomes de carbone, d’hydrogène, d’azote et d’oxygène et la comparaison de leurs abondances relatives d’isotopes peut donc révéler l’existence d’une origine commune. Les chercheurs ont également montré que l’analyse des rapports 12C / 13C permet de localiser le pays d’origine d’un explosif donné.
L’analyse isotopique stable a également été utilisée pour identifier les voies de trafic de drogue. Les abondances isotopiques sont différentes dans la morphine cultivée à partir de coquelicots d’Asie du sud-Est par rapport aux coquelicots cultivés en Asie du sud-ouest. Il en va de même pour la cocaïne qui provient de Bolivie et celle de Colombie.
Traçabilité
L’analyse isotopique stable a également été utilisée pour retracer l’origine géographique des aliments et du bois.
GéologiEdit
HydrologiEdit
En hydrologie isotopique, les isotopes stables de l’eau (2H et 18O) sont utilisés pour estimer la source, l’âge et les voies d’écoulement de l’eau traversant les écosystèmes. Les principaux effets qui modifient la composition isotopique stable de l’eau sont l’évaporation et la condensation. La variabilité des isotopes de l’eau est utilisée pour étudier les sources d’eau dans les cours d’eau et les rivières, les taux d’évaporation, la recharge des eaux souterraines et d’autres processus hydrologiques.
Paléoclimatologiemodifier
Le rapport de 18O à 16O dans les carottes de glace et de haute mer dépend de la température et peut être utilisé comme mesure indirecte pour reconstruire le changement climatique. Pendant les périodes plus froides de l’histoire de la Terre (glaciaires), comme pendant les périodes glaciaires, le 16O s’évapore préférentiellement des océans plus froids, laissant derrière lui le 18O légèrement plus lourd et plus lent. Les organismes tels que les foraminifères qui combinent l’oxygène dissous dans l’eau environnante avec du carbone et du calcium pour construire leurs coquilles incorporent donc le rapport 18O à 16O dépendant de la température. Lorsque ces organismes meurent, ils s’installent sur le fond de la mer, préservant un historique long et inestimable du changement climatique mondial pendant une grande partie du Quaternaire. De même, les carottes de glace sur terre sont enrichies en 18O plus lourd par rapport à 16O pendant les phases climatiques plus chaudes (interglaciaires) car plus d’énergie est disponible pour l’évaporation de l’isotope 18O plus lourd. L’enregistrement isotopique de l’oxygène conservé dans les carottes de glace est donc un « miroir » de l’enregistrement contenu dans les sédiments océaniques.
Les isotopes de l’oxygène conservent un enregistrement des effets des cycles de Milankovitch sur le changement climatique au Quaternaire, révélant une cyclicité d’environ 100 000 ans dans le climat terrestre.