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Il y a beaucoup de silicesilice dans les êtres vivants, deux exemples : l'écorce de riz contient 95 % de silice et le boisbois 90 kilos de silice par hectare ! La silice est stockée par certains organismes vivants comme les diatoméesdiatomées et les prêles chez les végétaux, les RadiolairesRadiolaires et les éponges chez les animaux.
La capacité qu'ont les cellules de produire des matériaux minéralisés, calcairecalcaire ou silice, implique la constitution de structures « squelettiques » de support. La plupart des cellules des organismes pluricellulaires sont en contact avec un enchevêtrement de macromolécules sécrétées localement qui constituent la matrice extracellulairematrice extracellulaire et qui édifient des structures spéciales comme les tendons à fortes teneurs en fibres élastiques, ou les os, les cuticulescuticules, les coquilles où les fibres sont progressivement saturées par des dépôts de cristaux de calcium, de silice.
Une croissance orientée et optimisée
La matrice extracellulaire des animaux est essentiellement protéique (collagènecollagène), alors qu'elle est glucidique chez les végétaux (cellulose). La chitinechitine des crustacéscrustacés et des insectesinsectes est également un sucre complexesucre complexe. Une cellule, dans un tissu, a une forme plus ou moins polyédrique. Les fibres de la matrice vont se disposer entre les cellules, le long des arêtes ou le long des faces. La « minéralisation » se produira par une saturation progressive des fibres par des ions minérauxminéraux. Les organismes vivants peuvent orienter la croissance des cristaux et optimiser leur répartition. À partir d'un nucléus, les cristaux croissent par addition, la morphologiemorphologie du cristal étant déterminée par la vitesse de croissance dans les différentes directions. Lorsque les matériaux minéraux ou fibreux se condensent entre les cellules en suivant les arêtes, il s'ensuit la formation d'aiguilles ou de spicules. S'ils se condensent le long des faces on aura des plaques plus ou moins criblées de petits trous permettant à la cellule de maintenir ses échanges avec l'extérieur.
Les diatomées sont des algues brunes, très abondantes dans les mers froides, qui stockent la silice. On trouve des diatomées un peu partout : dans les lacs, sur des sols temporairement inondés par de violents oragesorages comme c'est le cas sous les tropiquestropiques par exemple... L'incorporation de la silice se fait à travers la membrane à l'aide de la pompe Na-K, sous forme Si(OH)4 ou H4SiO4. Elle est consommatrice d'énergieénergie et se fait avec l'échange d'un ion Na. La concentration des ions Na va subir un déséquilibre, ce qui risquerait de provoquer l'arrêt du processus. Mais les concentrations en ions Na et K sont maintenues de part et d'autre de la membrane cellulairemembrane cellulaire grâce à la pompe Na-K qui va donc, ici, balancer l'effet de l'incorporation de l'acideacide monosilicique. Pour commencer la silice se localise dans une toute petite vésicule au centre de la cellule puis va s'étendre dans le sens de la longueur suivant une voie tracée par une membrane : la silicalemma. Une première couche de matériel dense se dépose, quand elle atteint une extrémité de la cellule elle revient vers le centre en formant un U (les 2 côtés du U forment le raphé), même chose pour l'autre moitié de la cellule simultanément ; enfin la silicalemme va fournir la trame de remplissage pour les futurs dépôts de silice de la cellule qui se fait le long des parois. On obtient donc des plaques qui ont l'aspect suivant.
La silice, un constituant essentiel de la composition minérale des plantes
Chez les plantes, comme la prêle, la silice en solution intègre la plante par la racine sans s'y déposer, gagne les vaisseaux qui l'acheminent vers les parties aériennes de la plante. Par association à des substances glucidiques elle donne naissance à des complexes silico-organiques, observables au MEBMEB, voir ci-dessous, à l'état de petits grains dans les espaces entre la membrane cellulaire et la paroi squelettique de la cellule. Parvenue à l'épidermeépiderme, par un transport organisé vers l'extérieur à cause de la transpirationtranspiration du végétal, la formation d'opaleopale a un devenir différent s'il s'agit de la tige ou de la feuille.
Dans le cas des tiges dont les entre-nœudsnœuds sont cannelés, le dépôt d'opale s'effectue sur la tige adulte seulement, perpendiculairement à la direction de la tige et forme ainsi une striation transversale qui s'avère caractéristique de chaque espèceespèce et peut être utilisé en taxinomietaxinomie. Il n'y a pas de silice à l'extrémité de la tige des prêles, dans le méristèmeméristème, là où se fait la croissance. Les feuilles s'insèrent sur la tige au niveau des nœuds formant une sorte de gaine plaquée contre la partie inférieure de l'entrenœud supérieur.
L'épiderme qui regarde la tige, intérieur donc et pourvu des stomatesstomates aquifèresaquifères, n'a pas de silice du tout. Seuls les stomates aérifères et l'épiderme de la face externe de la feuille sont pourvus de nombreux spicules de silice.
De l'importance des Radiolaires en stratigraphie
Les Radiolaires sont des protozoairesprotozoaires appartenant à la classe des Actinopodes, marins et pélagiquespélagiques. Ils vivent en principe à l'état isolé, mais il existe quelques formes coloniales dans lesquelles chaque individu garde son identité fonctionnelle. Ils subsistent dans les sédimentssédiments de grande profondeur et ont existé à toutes les époques géologiques du CambrienCambrien à l'actuel. Ils se caractérisent par la présence d'une capsule centrale séparant physiquement un ectoplasme d'un endoplasme. Leur classification est encore l'objet de débats. Ils possèdent une capsule centrale percée de nombreux petits pores, des alguesalgues symbiotiques et un squelette en célestite (sulfate de strontiumstrontium) très soluble dans l'eau :
- acanthaires : ils présentent une capsule centrale percée de trois pores seulement, n'ont pas d'algues symbiotiques mais ont un pigmentpigment granulairegranulaire marron (= phaeodium) ;
- phéodaires : leur capsule centrale est perforée sur toute sa surface ou à une extrémité , ils possèdent des algues symbiotiques et un squelette de silice intra- et/ou extracapsulaire. Le test siliceux est réticulé à symétrie axialeaxiale (Nassellaires) ou sphérique (Spumellaires). Seuls les Radiolaires Polycystines sont préservés à l'état fossilefossile, donc utilisés par les paléontologues ;
- et polycystines.
Résumé historique pris sur le site Radiolaires du MNHNMNHN (musée national d'histoire naturelle).
La première publication concernant les Radiolaires date de 1834 : l'auteur, Meyen, décrit et illustre trois espèces parmi « plusieurs polypes et autres animaux inférieurs ». Le premier travail important est effectué par Ehrenberg, auteur de 26 publications entre 1838 et 1875, dans lesquelles sont décrites plusieurs centaines d'espèces vivantes ou fossiles (cénozoïquescénozoïques). Muller les baptise Radiolaria en 1858, et en établit le premier la nature unicellulaire. Haeckel, le plus célèbre des précurseurs, a d'abord étudié les Radiolaires de Méditerranée dont il a publié une monographie en 1862, puis il s'est intéressé aux Radiolaires collectés par le navire océanographique ChallengerChallenger lors de son tour du monde (1873-1876). Dans un travail de plus de 1.800 pages et 140 planches, publié en 1887, Haeckel décrit 785 nouvelles espèces et présente une classification exhaustive basée sur la morphologie du squelette de tous les Radiolaires connus à cette époque. Cette classification géométrique a été utilisée jusque dans les années 1970.
Hertwig (1879) a étudié les parties molles non squelettiques des Radiolaires. Il a reconnu les relations fondamentales entre le squelette et la capsule centrale, montré que cette dernière englobait progressivement, au cours de la croissance, les coques primitivement corticales... De 1915 à 1950, l'intérêt porté aux Radiolaires reste très faible, leurs restes sont beaucoup plus rares que ceux des ForaminifèresForaminifères, ce groupe reste mystérieux et apparemment inutile sur le plan stratigraphique. Le renouveau est dû à W. Riedel et à Maria Petrushevskaya. Riedel entreprend des études détaillées de coupes stratigraphiques tant à terre qu'en mer (Riedel 1952, 1953 ; Riedel & Sanfilippo, 1974) grâce aux expéditions océanographiques de la seconde partie du XXe siècle. Il établit ainsi que les Radiolaires évoluent, au cours du Tertiaire, tout autant que les autres groupes fossiles et qu'ils sont donc tout aussi utiles en stratigraphie. Petrushevskaya (1962, 1964, 1971a) donne les premières bases d'une classification naturelle fondée sur la structure du « squelette internesquelette interne » et son évolution.
À la suite des grandes campagnes océanographiques modernes, notamment le Deep Sea Drilling Project, le nombre de publications augmente considérablement vers les années 1970 (espèces cénozoïques), puis 80 pour les Radiolaires mésozoïquesmésozoïques et paléozoïquespaléozoïques. Ils comportent un grand nombre d'espèces (6.700 espèces sont répertoriées dès 1970) et existent parfois là où il n'y a aucun autre fossile utile. Ils ont donc une grande importance en stratigraphie maintenant.
Les éponges : des capteurs de silice
La silice est beaucoup plus rare chez les animaux pluricellulaires et seules les éponges (Spongiaires) se construisent un squelette interne constitué de baguettes incorporées dans une matrice de spongine, une protéineprotéine.
L'alimentation des éponges lors de leur stade fixé de développement (la vie larvaire est mobilemobile) est surtout composée de débris organiques provenant de la décomposition animale et végétale, de substances dissoutes dans l'eau et de bactériesbactéries et toutes petites proies. Comme l'éponge n'a pas de bouche, elle absorbe l'eau et les éléments minéraux par un très grand nombre de petits orifices de 10-15 micromètresmicromètres situés sur les côtés et le bas du corps. L'eau en ressort en torrenttorrent à près de 25 km/h ! par quelques orifices plus larges de 10 mm de diamètre environ qui sont situés, en général vers le haut pour que l'animal ne réabsorbe pas le même liquideliquide. La silice est absorbée en même temps que le reste et incorporée en couches concentriques autour d'un axe organique.
Il apparaît ainsi dans l'éponge des milliers d'aiguilles de longueur comprise entre 1/10 mm et 1 mm. La charpentecharpente mixte : spongine-silice confère une certaine rigiditérigidité à l'animal en même temps qu'une certaine élasticitéélasticité ce qui permet à l'éponge de coloniser toutes sortes de milieux, caillouteux, sableux, rocheux, vaseux... permettant aussi à certaines éponges d'atteindre des tailles respectables de plus du mètre. De très longs spicules mesurent près de 10 cm et sont fabriqués par Hyalonema qui vit sur les vases profondes des océans. Les formes des spicules sont très variées : étoilesétoiles, ancres, baguettes...
Certaines espèces n'en sécrètent qu'un, d'un mètre de long pour quelques millimètres de diamètre, planté dans la vase et autour duquel se développe l'animal (Monoraphis). Et pourtant, malgré la massemasse de verre qu'ils doivent ingurgiter certains animaux mangent les éponges : oursinsoursins, étoiles de mer, limaces de mer, tortuestortues... Mais il subsiste encore pas mal de mystère autour de la silice des éponges.
Boues siliceuses, diatomites et radiolarites…
La dissolution des tests siliceux est grande dans les eaux superficielles sous-saturées en silice. Elle diminue en profondeur sous l'effet de la pressionpression et de la basse température. À grandes profondeurs, au-dessous de la CCDCCD (ligne de compensation de dissolution des carbonates), la sédimentationsédimentation siliceuse domine à condition que la production de silice par le planctonplancton ait été suffisamment importante en surface. On distingue : les boues à Diatomées abondantes dans les mers froides et les boues à Radiolaires bien représentées dans la zone équatoriale des océans Pacifique et Indien.
La diatomitediatomite est une roche sédimentaireroche sédimentaire siliceuse biogénique, constituée entièrement ou essentiellement de squelettes, ou frustules, de Diatomées fossilisées. Les Diatomées se sont développées, principalement depuis le CrétacéCrétacé terminal, dans des eaux douces, saumâtressaumâtres et salées. On reconnaît deux grands types de gisementsgisements : les gisements marins, formés notamment dans les zones de « upwellingupwelling », et les gisements continentaux, essentiellement lacustreslacustres et situés dans des contextes volcaniques. La plupart des gisements d'intérêt économique sont d'âge miocènemiocène et d'origine lacustre.
Les matériaux diatomitiques bruts font l'objet de différentes phases de traitement en usine, comprenant concassage, séchage et broyage, sélection et calcination. Les principales propriétés des produits diatomitiques sont : inertieinertie chimique, faible densité apparente, porositéporosité, surface spécifique, capacité d'absorptionabsorption des liquides élevés, pouzzolanicité... Ils sont principalement utilisés comme adjuvantsadjuvants pour la filtrationfiltration de liquides divers, notamment alimentaires (bière, vin, glucoseglucose...), mais aussi comme absorbants et produits isolants et réfractairesréfractaires.
La production mondiale, qui est de l'ordre de 2-3 Mt/an, est nettement dominée par les États-Unis, suivis de la France, du Japon, des pays de l'ex-URSS, de la Chine et du Danemark. La production française est assurée par deux sociétés dont les gisements et les usines sont situés dans les départements de l'Ardèche et du Cantal. La France consomme environ 50.000 tonnes de diatomites par an.
Une momification des êtres vivants
Un gisement de fossiles particulier : le Coiron est un ancien plateau basaltiquebasaltique situé en Ardèche, où s'étaient formés une dizaine de maarsmaars (lacs de cratères volcaniques).
Le gisement de diatomite date de 8 Ma (Tortonien). Il présente un intérêt paléontologique important et fut préservé de l'érosion glaciaire du quaternairequaternaire grâce à un bouclier de basaltebasalte formé à la suite d'éruptions volcaniques. Cette roche est blanche, friable et très légère, au point de pouvoir flotter. Mais sa fragilité et sa richesse en eau (très poreuse) entraînent une dessiccationdessiccation et les momies (fossiles) se craquellent. Ce type de fossilisationfossilisation est très rare dans le monde : les êtres vivants sont momifiés (conservation des parties molles) et non pas remplacés par la substance minérale. Cela s'explique par un enlisement rapide avec dépôt de diatomées formant un lieu aseptique, c'est-à-dire sans microbesmicrobes.
La faunefaune et la flore montrent qu'il existait un climatclimat de type tropical/continental humide. On y trouve de nombreux fossiles végétaux et animaux : grands mammifèresmammifères (une femelle Hipparion conservée avec son fœtusfœtus, par exemple) poissonspoissons, oiseaux, insectes, batraciensbatraciens, et bien sûr une flore vaste : feuilles de chêne, vigne, tilleultilleul, châtaignierchâtaignier, orme, érable, noyer...
Les radiolarites du Jurassique supérieur
Les radiolarites, elles, se présentent souvent sous forme de bancs bien individualisés. De légères modifications de la productivité planctonique conduisent à de fortes modifications d'abondance et de diversité des Radiolaires dans les sédiments du fond, cette amplification est accentuée durant la diagenèsediagenèse. Ceci explique une alternance de niveaux riches en Radiolaires avec des niveaux de shales. En raison de leur couleurcouleur brun-rouge, les radiolarites, ces vestiges d'océans anciens disparus, ont été comparées aux argilesargiles des grands fonds, mais cette comparaison est incorrecte. De nombreux cortèges ophiolitiques ont pu être datés grâce aux Radiolaires, parfois même comme dans le Queyras, bien qu'atteintes par un métamorphismemétamorphisme de haute pression (glaucophaneglaucophane), les radiolarites attestent de leur âge jurassiquejurassique (De Wever et Caby, 1981). On a aussi pu mettre en évidence l'installation diachronediachrone des radiolarites sur les ophiolitesophiolites. De nombreuses datations à partir des Radiolaires ont ainsi été obtenues...
La géométrie générale de la TéthysTéthys centrale au Jurassique est celle d'un triangle ouvert vers l'est, situé dans la zone intertropicale qui existe depuis le PermienPermien. Au TriasTrias, puis au Jurassique, l'ouverture de la Téthys vers l'ouest se poursuit ainsi qu'une installation progressive de la sédimentation radiolaritique d'est en ouest. Au Tithonien, la sédimentation radiolaritique s'arrête, en général, brutalement dans la Téthys méditerranéenne. Il apparaît que les régimes des courants ont conditionné l'établissement de la sédimentation radiolaritique dans le domaine téthysien. Cette sédimentation a été influencée directement par la configuration de la Téthys fermée vers l'ouest aux grandes circulations océaniques, c'est-à-dire depuis le Permien. À la fin du Jurassique supérieur, l'ouverture à l'ouest met fin à cette configuration. Une modification drastique des régimes de courants océaniques influence la productivité planctonique...
La silicose, une maladie grave et fréquente
Les affections du parenchymeparenchyme pulmonaire dues à l'inhalationinhalation chronique de poussières inorganiques (mineraiminerai) s'appellent pneumoconiosespneumoconioses. Certaines poussières inorganiques, comme celles qui contiennent de la silice, du charboncharbon, de l'amianteamiante, ou du bérylliumbéryllium, sont fibrogéniques.
La silicosesilicose est une pneumoconiose incurable habituellement provoquée par l'inhalation de poussières contenant de la silice cristalline libre (bioxyde de siliciumsilicium, quartzquartz) et caractérisée par de la fibrosefibrose pulmonaire nodulaire et une atteinte respiratoire. La maladie continue à progresser même lorsque l'exposition cesse. Habituellement, une exposition de 20 à 30 ans est nécessaire avant que la maladie ne devienne évidente, quoiqu'elle se développe en moins de 10 ans là où l'exposition à la poussière est extrêmement élevée.
La rétention bronchique et alvéolaire des particules est le résultat de deux facteurs opposés, la déposition et l'élimination. La rétention de la poussière sera à son sommet, selon la nature de la poussière, pour les particules dont le diamètre s'étend de 0,5 à 3 micromètres. La taille des particules de silice retenues dans le poumonpoumon humain est remarquablement constante, avec des diamètres médians variant de 0,5 à 0,7. Les grosses particules se déposent dans les narinesnarines et les voies aériennes supérieures. La poussière respirable de silice peut être invisible à l'œilœil nu et peut demeurer suspendue dans l'airair pendant longtemps, sur de longues distances et ainsi affecter des populations considérées comme n'étant pas en danger.
L'exposition à la silice des travailleurs de la constructionconstruction est la plus inquiétante, étant donné que la silice est la principale composante de bon nombre de matériaux de construction, dont les plus courants sont : les abrasifs pour décapage par projection ; la brique ; le bétonbéton, le cimentciment et le mortiermortier ; les minerais ; la roche et la pierre ; le sablesable, et la terre végétaleterre végétale.
La poussière de silice est libérée pendant les opérations par lesquelles les produits sont écrasés ou brisés. Les activités concernées sont : le piquage, et la perforation de roches ; le concassage, la manutention de roches ; le sciage, le martelage, la perforation, le broyage et le piquage d'ouvrages de maçonnerie ; la démolition d'ouvrages en béton ; le balayage ou le soufflage de poussières de béton, de pierre ou de sable ; la construction routière ; le démantèlement de l'équipement de chantier ; le creusement, l'excavation et le déplacement de terres ayant une forte teneur en silice. Même en plein air ces activités peuvent être dangereuses. Des expositions extrêmement élevées, par exemple le perçage de tunnels, la fabrication de savons abrasifs, et le sablage au jet, ont une période de latencelatence beaucoup plus courte et une progression plus rapide de la maladie.
Bien que les polymorphes de la silice, cristobalite et tridymite, soient plus toxiques pour les cellules et expérimentalement fortement fibrogéniques, ces deux variantes minéralogiques sont d'une variance plus limitée en santé.
La production comme l'utilisation de briques réfractaires contenant de la silice peut poser des risques significatifs à la santé en particulier si elles ont été exposées à des températures élevées alors qu'une proportion significative de la silice est transformée en cristobalite ou en tridymite. Les briqueteurs et les autres travailleurs qui font l'entretien et démantèlent la brique réfractaire des fours, fourneaux et autres équipements semblables sont exposés à un risque sérieux de silice.
La silicose, une des maladies professionnelles les plus anciennes tue toujours partout dans le monde. Entre 1991 et 1995, la Chine a enregistré plus de 500.000 cas de silicose, avec chaque année plus de 6.000 nouveaux cas et plus de 24.000 décès, surtout chez les travailleurs les plus âgés. Aux États-Unis, on estime que plus d'un million d'ouvriers sont professionnellement exposés à la poussière de silice cristalline libre (plus de 100.000 de ces ouvriers sont des sableurs au jet), environ 60.000 développeront par la suite la silicose. On signale que tous les ans aux États-Unis environ 300 personnes meurent de cette maladie, mais le vrai nombre n'est pas connu. Au XVIe siècle déjà, Agricola écrit au sujet des mines dans les Carpathes d'Europe : « des femmes s'avèrent avoir épousé sept maris, qui sont tous décédés prématurément de cette terrible consomption (silico-tuberculosetuberculose) ».
L'étude physiopathologique montre que les macrophagesmacrophages alvéolaires ingèrent les particules respirables de silice libre qui entrent dans le tissu lymphatique et interstitiel et causent la libération d'enzymesenzymes cytotoxiquescytotoxiques produisant une fibrose du parenchyme pulmonaire. Le changement pathologiquepathologique initial typique est la formation de discrets nodules silicotiques partout dans les poumons.
Plus tard, les masses fibreusesfibreuses pseudo-tumorales (conglomérées), la contraction des zones supérieures des poumons, l'emphysèmeemphysème avec déformation marquée de l'architecture du poumon font que les fonctions ventilatoires et les échanges gazeux sont affectés. Une réduction de tous les volumesvolumes pulmonaires distingue la physiologique globale de la silicose de celle de l'emphysème pulmonaire.
Les patients souffrant de silicose simple n'ont aucun symptômesymptôme respiratoire et habituellement aucune atteinte respiratoire. Ils peuvent tousser et produire des crachats, mais ces symptômes sont dus à la bronchitebronchite industrielle. La silicose pseudo-tumorale (conglomérée), en revanche, peut causer de l'essoufflement marqué, de la toux, et des crachats. Quand les masses fibreuses sont étendues, le patient devient sévèrement handicapé : diminution des volumes pulmonaires, de la capacité de diffusiondiffusion, obstruction bronchique, hypertensionhypertension pulmonaire, hypertrophiehypertrophie ventriculaire droite, hypoxémiehypoxémie modérée et un plus grand risque de développer la tuberculose. L'insuffisance respiratoireinsuffisance respiratoire, l'emphysème, l'arrêt du cœur, la silico-tuberculose sont les causes principales de mort par silicose.
Le diagnosticdiagnostic est basé sur des changements caractéristiques à la radiographieradiographie pulmonaire et sur une histoire d'exposition à la silice libre. La silicose simple est identifiée par la présence d'opacités multiples sur la radiographie pulmonaire. La silicose pseudo-tumorale (conglomérée) est identifiée par la présence d'une opacité supérieure à 1 centimètre de diamètre sur un fond de silicose simple.
Comment peut-on prévenir la silicose ?
Beaucoup d'autres maladies peuvent ressembler à la silicose, par exemple la sidérose des soudeurssoudeurs, et la pneumoconiose des mineurs de charbon. Cependant, la présence de calcificationscalcifications en coquille d'œufs dans certains ganglions lymphatiquesganglions lymphatiques distingue la silicose d'autres affections pulmonaires. Certains traitements atténuent les effets de la maladie et peuvent retarder son évolution mais il n'y a pas vraiment de traitement efficace autre que la transplantationtransplantation pulmonaire.
La radiographie pulmonaire (annuelleannuelle dans les cas d'exposition intense) est le seul outil recommandé pour dépister la silicose. Des lésions pulmonaires peuvent être trouvées sur la radiographie pulmonaire avant la présence de symptômes. C'est un outil de dépistagedépistage très efficace. La surveillance médicale est déterminée en utilisant le concept de « dose cumulée » qui s'énonce comme suit : niveau d'exposition (mg/m3) x nombre d'années = dose cumulée (mg/m3-année). Au niveau de 1mg/m3-année, une première radiographie pulmonaire devrait être faite. À 2 mg/m3-année, une autre radiographie pulmonaire devrait être prescrite... Mais un examen de pré-emploi devrait être obligatoire et inclure aussi un questionnaire complet.
Le moyen le plus efficace est, bien sûr, la préventionprévention : en Suisse, par exemple, des mesures de contrôle strictes dans les années 1970 ont conduit à une réduction par 6 du nombre annuel de cas de silicoses... Un bon entretien d'atelier est très important ; pour ce faire, utiliser des procédés humides, ou un système adéquat d'aspiration d'air. Il est également important d'éviter les procédés produisant inutilement de la poussière. Le port d'un masque approuvé pour ce genre de risque est également recommandé.
