Structure, croissance et biologie de la nacre

par Marthe Rousseau

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Xavier Bourrat et de Evelyne Lopez.


  • Résumé

    La nacre pavimentaire constitue la couche interne de la coquille d'un certain nombre de mollusques bivalves tel que notre modèle Pinctada margaritifera, huître perlière de Polynésie Française étudiée dans ce travail. L'objectif de ce travail est d'étudier l'organisation en brique et mortier des plaquettes polygonales composant la nacre et de comprendre le mécanisme de croissance en relation avec les paramètres biochimiques impliqués dans la biominéralisation. L'étude structurale de la nacre a été conduite à différentes échelles. A l'échelle nanométrique, la microscopie à force atomique (AFM) révèle la structure intime du bio-cristal : un réseau organique continu fragmente la tablette en petits cristallites d'aragonite d'une taille moyenne de 45nm. La microscopie électronique en transmission montre que cette matrice intraplaquettaire est cristallisée et qu'elle se comporte comme un "mono-cristal" à l'échelle de la tablette, de la même façon que la partie minérale aragonitique. La diffraction des rayons-X montre, par la technique des figures de pôles, que les axes cristallographiques des tablettes sont alignés de manière à ce que leur axe b soit dans la direction radiale de la coquille. Le processus de croissance est étudié de façon à élucider le modèle du "pont-minéral", proposé récemment pour la nacre d'Haliotis ou de Mytilus. Nos observations vont à l'encontre de ce modèle : la matrice organique constitue une phase continue à l'intérieur de la tablette alors que la phase minérale est discontinue. D'une rangée a l'autre, des ponts entièrement organiques existent. Dans notre modèle Pinctada, la matrice organique intra-plaquettaire se comporte comme un "template" lors de la formation des cristaux utilisant un mécanisme d'hétéro-épitaxie. Dans le cas de cette nacre de type pavimentaire, la biominéralisation se produit suivant 5 étapes principales : (i) sécrétion du fluide extra-palléal, (ii) mise en forme de ce fluide sous forme de compartiment, (iii) nucléation, (iv) croissance des tablettes au sein du film et finalement (v) minéralisation complète du compartiment. La croissance et le développement des plaquettes sont modélisés comme un pavage de Voronoi. Cette croissance se produit selon des processus d'auto-organisation au sein du film (théorie du compartiment ouvert). Les évidences expérimentales rapportées permettent d'établir un modèle du front de croissance. Il est caractérisé par une structure en marches d'escalier. Le front de minéralisation concerne toute la surface de la coquille, simultanément. Ce modèle permet d'expliquer par exemple, comment se produit le signal de nucléation ou expliquer comment se produit à la fois l'extension de la coquille dans la zone ventrale et son épaississement dans la zone dorsale. Le problème important du transport du calcium et des carbonates a été étudié sur des huîtres perlières pendant une phase active de cette croissance. L'anhydrase carbonique et les différents niveaux d'hormones calciotropes circulants (hémolymphe) et des tissus ont ainsi pu être mesurés. Les concentrations de calcium circulant ont pu être mesurées à l'intérieur de 3 principaux compartiments: les branchies, l'hémolymphe et le manteau. De plus, nous avons montré les relations entre la structure en couches fines de la nacre et les propriétés optiques qui en découlent. Lorsque les couches sont parallèles à la surface et d'épaisseur comparable à la longueur d'onde dans le visible (350 à 500nm) des phénomènes d'interférence donnent des couleurs qui varient avec l'inclinaison de l'incidence. Ces phénomènes d'irisation sont à l'origine de ce qui est connu sous le nom d'orient de la nacre.


  • Résumé

    Sheet nacre is the internal lustrous 'mother of pearl' layer of many molluscan shells e. G. Pinctada margaritifera, the black-lip oyster of French Polynesia, our model. The aim of this work is to study the 'brick and mortar' organization of the flat polygonal tablets of nacre and to understand its growth mechanism in relation with the biochemical parameters involved in the biomineralization. The structural study of nacre was conducted at different scales. At nanoscale, atomic force microscopy (AFM) reveals the intimate structure of the bio-crystal : a continuous organic framework composes the tablet and contains innumerable small aragonite crystallites with a mean size of 45nm. Transmission electron microscopy (TEM) shows that this intracrystalline organic matrix is crystallized and behaves as a single crystal at the scale of the tablet, exactly as the mineral phase aragonite. X-ray diffraction shows, thanks to the pole figure technique, that the crystallographic orientation of the tablets are all aligned parallel to each other with their c axis perpendicular to the polygonal base and their b axis radial (i. E. The direction of extension of each layer). The growth mechanism was studied with a particular attention to elucidate the "mineral-bridge" model, recently proposed for nacre of Haliotis or Mytilus. Our observations invalidate this model : the organic matrix is the continuous phase within the tablet whereas the mineral phase is discontinuous. In Pinctada from one row to the next, bridges exist but they are completely organic. Our conclusions point out that the intracrystalline organic matrix behaves as a template for crystal formation by a heteroepitaxial mechanism. In sheet nacre, biomineralization takes place in 5 main steps : (i) the discharge of the extra-pallial fluid, (ii) the shaping of this fluid as a film (compartment), (iii) nucleation, (iv) growth of the tablets, and finally (v) the complete mineralization of the compartment. Growth and development of the platelets can be modeled as a Voronoi diagram. This growth is deduced to occur following a self-ordering process within the film (theory of the open compartment). Our experimental evidences provide a dynamic morphogenetic model of the growth front. It is characterized by its 'stairs-like' structure. The mineralization front involves the whole surface of the shell, simultaneously. This model helps to understand for example, how the signal for nucleation occurs or how the extension in the front of the shell and the thickening at the back occur together. The important issue of calcium and carbonate transport during crystal formation was studied in pearl oysters during the phase of active growth. The carbonic anhydrase activity and the various levels of calciotropic hormones in hemolymph and tissues could be measured. The circulating concentration of calcium could be characterized in the three main organs : gill, hemolymph and mantle. Furthermore are emphasized the relationships between the laminar structure of nacre with its optical properties. When the layers are parallel to the surface and their thickness is comparable to the wavelength of visible light, interference phenomena occur producing colors which vary with the in French the 'orient' of the mother of pearl. Incidence. This iridescence phenomenon is at the origin of what is called.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (144 f.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'à l'obtention de l'autorisation de l'auteur
  • Annexes : Bibliogr. p. 127-144

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  • Bibliothèque : Université Claude Bernard. Département des sciences de la terre. Bibliothèque.
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  • Bibliothèque : Muséum national d'histoire naturelle. Bibliothèque centrale.
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  • Cote : TH 2004 -- 08

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