Rapport isotopique de l'oxygène : principes d'évaluation

Les restes de vertébrésvertébrés (poissonspoissons, amphibiensamphibiens, reptilesreptiles, mammifèresmammifères et oiseaux) qui fossilisent sont principalement les éléments minéralisés de leur squelette, c'est-à-dire les os, les dents et les écailles. Ces éléments sont majoritairement constitués d'un minéralminéral appelé bioapatite, un phosphatephosphate de calcium contenant de l'oxygène en quantités mesurables.

Le rapport isotopique de l'oxygène permet d'en savoir plus sur les dinosaures. Ici, Tyrannosaurus Rex. © Marcel Kunkel, CC by-sa 4.0

L'oxygène de la bioapatite a pour origine l'environnement de l'animal, c'est-à-dire l'oxygène de l'air inspiré, de la nourriture consommée et de l'eau bue. De nombreuses études ont montré que l'eau de boisson est de loin la plus importante source d'oxygène utilisée par l'essentiel des vertébrés pour la synthèse de leurs tissus minéralisés. Pour un animal sauvage, cette eau bue provient des réservoirs de surface (lacs, rivières, mares) dont la source ultime est l'eau de pluie.

Reconstitution de Archaeoceratops oshimai. © Nobu Tamura, CC by 3.0

La composition isotopique moyenne de l'oxygène (c'est-à-dire l'abondance relative entre les deux isotopes ¹⁸O et ¹⁶O que l'on note δ¹⁸O) des eaux de pluie dépend de la température du nuage au moment de sa condensation et de la quantité de précipitationsprécipitations locales. Ceci signifie que l'eau de pluie contient, dans sa composition isotopique de l'oxygène, l'enregistrement des deux variables climatiques, enregistrement qui sera conservé dans le corps de l'animal qui l'aura bu et également au sein de la bioapatite synthétisée à partir de cette eau. Il est donc potentiellement possible, en mesurant le δ¹⁸O d'un os ou d'une dent, de reconstituer le climat sous lequel l'animal vivait. Toutefois, d'autres facteurs compliquent cette relation. 

Fragment de mandibule du dinosaure cératopsien Archaeoceratops avec les dents échantillonnées provenant du Crétacé inférieur de la province de Gansu (Chine). © Romain Amiot, DR

Difficultés de l'évaluation du rapport isotopique de l'oxygène

Il existe plusieurs difficultés :

• Premièrement, l'eau bue par un animal et qui se trouve en circulation dans son sang sera en partie perdue par évaporation, transpirationtranspiration et au cours de la respiration. Le δ¹⁸O de cette eau dans le sang sera alors plus ou moins modifié selon le taux d'évaporation ou de transpiration de l'animal. Un animal terrestre et un animal aquatique par exemple n'évaporent pas la même quantité d'eau, et cette différence de mode de vie se retrouve dans le δ¹⁸O de leur eau corporelle, puis dans celui de leurs tissus minéralisés.
  
  
• Deuxièmement, la température du corps de l'animal va modifier le δ¹⁸O de l'eau du corps lors du prélèvement de l'oxygène par l'organisme pour la synthèse de l'apatite. C'est-à-dire que deux animaux buvant la même eau mais ayant une température corporelletempérature corporelle différente (par exemple un serpent et un chienchien) auront une valeur de δ¹⁸O de leur apatite différente. En plus du climatclimat local, deux informations supplémentaires sont donc enregistrées au sein du δ¹⁸O de l'os ou des dents : l'écologieécologie (milieu de vie) et la thermophysiologie (régulation de température) de l'animal analysé.