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ISOTOPES

Les atomes sont constitués d’un noyau autour duquel gravitent Z électrons. Le noyau atomique est lui-même composé de Z protons portant chacun une charge positive unité et de N neutrons non chargés. Les masses du proton et du neutron étant voisines de 1 en unité de masse atomique, celle du noyau est de l’ordre de Z + N = A. Le nombre Z caractérise l’élément chimique (hydrogène, Z = 1; soufre, Z = 16; uranium, Z = 92) et il est le guide de la classification périodique (cf. classification PÉRIODIQUE).

Mais, pour un même élément, donc pour un même Z, il peut arriver que plusieurs noyaux existent, qui diffèrent seulement par le nombre de neutrons. Ces noyaux ont des masses différentes, mais appartiennent tous à la même «case» du tableau de Mendeleïev, où ils occupent la même position. On qualifie les atomes correspondants d’«isotopes», des mots grecs isos égal) et topos (lieu). L’isotope de masse A, de l’élément X, de numéro atomique Z est noté symboliquement :

Il résulte de leur définition que les isotopes d’un même élément ont des propriétés chimiques quasi identiques puisque leur nombre d’électrons est le même. Les petites différences observées proviennent des légers écarts entre les masses des atomes, qui peuvent avoir un effet sur les vitesses de réaction et les constantes d’équilibre.

Les propriétés physiques des isotopes présentent, quant à elles, des différences faibles mais déjà plus marquées, car les effets de masse se font sentir plus directement (masse volumique, température d’ébullition...).

Enfin, les propriétés nucléaires d’un isotope étant liées à la structure du noyau, un écart dans le nombre des neutrons se traduit par des différences importantes dans ces propriétés. En particulier, on distingue pour chaque élément, d’une part, les isotopes stables, tels que ²³Na, dont le noyau ne subit aucune modification au cours du temps en l’absence d’apport d’énergie extérieure (bombardement, irradiation), et, d’autre part, les isotopes radioactifs comme ⁶⁰Co, dont le noyau est instable et se transforme spontanément en un autre noyau par émission d’un rayonnement ou d’une particule ^{[cf. RADIOACTIVITÉ]}.

L’ensemble de leurs propriétés ouvre aux isotopes un immense champ d’applications scientifiques, médicales et industrielles. La quasi-identité de leurs propriétés chimiques, alliée à la facilité de détection et de dosage des isotopes radioactifs, permet leur utilisation en chimie, comme traceurs ou au sein de molécules marquées, soit en recherche fondamentale (étude des vitesses de réaction, des structures moléculaires), soit en chimie appliquée (analyse, dosage par dilution isotopique).

La possibilité de transformer un isotope stable en un autre isotope radioactif, en le soumettant à une irradiation par des photons, des neutrons ou des particules chargées, est le principe de l’analyse par activation. L’isotope radioactif produit est identifié et mesuré grâce au rayonnement spécifique qu’il émet. Cette méthode d’analyse est valable pour tous les éléments (sauf H et He), quelle que soit leur forme chimique.

Les isotopes peuvent ainsi être utilisés dans presque toutes les applications de l’analyse chimique. Dans un grand nombre de cas, la méthode n’exige pas la destruction de l’échantillon, ce qui est très intéressant, notamment en biologie et en médecine où il est possible ainsi de doser et de suivre en fonction du temps la concentration d’un élément dans la matière vivante. Par exemple, certaines tumeurs ayant la faculté de fixer très efficacement un ou plusieurs éléments seront localisées, voire détruites, grâce à l’utilisation d’isotopes radioactifs de ces éléments.

L’analyse isotopique des matériaux terrestres est un précieux outil pour le géologue : la proportion relative des divers isotopes d’un élément le renseigne sur les conditions de formation, l’âge et l’histoire de l’échantillon. Les procédés de datation par l’isotope 14 du carbone sont également employés en archéologie. Pour l’astrophysicien, la teneur en isotopes stables ou radioactifs des météorites apporte des indications sur les conditions d’irradiation de ces météorites dans le rayonnement cosmique.

Enfin, les propriétés nucléaires des isotopes sont utilisées à des fins aussi diverses que la production d’énergie nucléaire, le contrôle industriel de l’épaisseur et de l’homogénéité de feuilles métalliques par l’absorption de rayonnements radioactifs et le traitement du cancer par les rayons du cobalt 60.

1. Isotopes naturels et artificiels

Abondance naturelle

Le terme «abondance» s’applique au cas d’un élément ayant plusieurs isotopes stables et désigne les proportions relatives de chacun d’entre eux dans un échantillon donné. Mais il faut distinguer de la notion d’abondance isotopique ainsi définie une autre notion également importante qui est le nombre d’isotopes stables pour un élément donné. Ce nombre, qui va de 0 (pour les éléments technétium, prométhéum et tous les éléments de numéro atomique Z supérieur à 83) à 10 dans le cas de l’étain (Z = 50), dépend exclusivement de la stabilité des édifices nucléaires constitués à partir du même nombre Z de protons. En particulier, il est nettement plus grand pour les éléments de Z pair et s’accroît encore pour des valeurs particulières de Z, dites magiques (Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82) conformément aux effets bien connus en physique nucléaire (cf. NOYAU ATOMIQUE, chimie NUCLÉAIRE et RADIOACTIVITÉ).

Les abondances isotopiques observées dans la nature s’expliquent par l’histoire des échantillons examinés, en particulier par la façon dont les éléments ont été formés, ou nucléosynthèse ^{[cf. NUCLÉOSYNTHÈSE]}. Les abondances isotopiques, de même que l’abondance relative des éléments, servent donc de test aux théories de la synthèse des éléments.

On admet généralement que cette synthèse se produit au sein des étoiles. Dans les étoiles de première génération, composées principalement d’hydrogène et d’hélium, sont synthétisés les éléments légers. Les réactions nucléaires intervenant sont principalement la capture de proton ou de particule alpha, ce qui favorise la production des isotopes les plus légers de chaque élément, conformément à ce qui est observé dans la nature (92 p. 100 pour ²⁸Si, 4,7 p. 100 pour ²⁹Si, 3 p. 100 pour ³⁰Si). Les éléments lourds sont formés par captures successives de neutrons dans les étoiles dites de seconde génération, qui se condensent à partir des débris des premières après leur explosion (supernovae). Contrairement au précédent, ce dernier processus conduit à une abondance prédominante des isotopes les plus riches en neutrons. C’est également ce qui est observé dans la nature (de 0,052 p. 100 pour ¹⁵⁶Dy à 28 p. 100 pour ¹⁶⁴Dy), confirmant l’hypothèse de cette différence fondamentale dans les modes de synthèse des éléments lourds et des éléments légers.

On explique également le caractère général des abondances isotopiques observées dans les échantillons terrestres ou météoritiques par le fait que la synthèse des éléments était terminée lors de la séparation du Soleil et des planètes, il y a cinq milliards d’années environ. Cette abondance ne se retrouve d’ailleurs pas dans toutes les étoiles et, pour certaines, on a observé par spectroscopie des rapports isotopiques tels que ¹²C¹³C = 4, alors que ce rapport est de l’ordre de 100 dans le système solaire.

Les anomalies de composition isotopique et la présence d’isotopes radioactifs dans les météorites servent en outre à l’étude du rayonnement cosmique auquel elles ont été soumises avant leur chute sur la Terre.

Production et détection des isotopes artificiels

Par opposition avec les isotopes «naturels» qu’on peut trouver sur la Terre, on appelle «artificiels» les isotopes radioactifs (radio-isotopes) que l’on ne peut obtenir que par réactions nucléaires. Remarquons que ces isotopes peuvent également exister dans la nature, au sein des étoiles, comme les observations spectrales l’ont établi pour l’élément technétium, et que leur période de désintégration, faible par rapport à l’âge de la Terre, est dans certains cas la seule raison de leur disparition de la surface du globe.

La méthode la plus utilisée pour produire des isotopes radioactifs est l’irradiation par des neutrons thermiques, en raison des flux élevés de neutrons dont on peut disposer dans les réacteurs. On obtient ainsi, par capture radiative (n , 塚), les isotopes de l’élément cible possédant un neutron de plus que les isotopes stables, ainsi que les produits de leur désintégration radioactive, généralement 廓^-. Le symbole (a , b ) schématise l’absorption de l’«élément» a et l’émission de l’«élément» b dans la réaction a + Xg + b . Dans les réacteurs à haut flux de neutrons (10¹⁵ n /s), on peut réaliser des captures successives de neutrons et accéder ainsi à des isotopes plus riches en neutrons de deux ou trois unités par rapport à l’isotope cible.

En revanche, pour produire des isotopes plus légers que les isotopes stables, on utilise des réactions nucléaires du type (p , xn ) ou ( 見, xn ) où une particule chargée (proton, particule alpha) entre dans le noyau et provoque le départ d’un nombre x de neutrons d’autant plus grand que l’énergie de la particule incidente est plus grande. Ces réactions conduisent en outre à un numéro atomique plus élevé que celui de la cible.

Des isotopes d’éléments de numéro atomique nettement plus élevé que celui du noyau cible peuvent être obtenus en utilisant les réactions par ions lourds (C, O, Ne, Ar) du type (ions lourds, xn ). C’est de cette façon qu’ont été synthétisés artificiellement les éléments les plus lourds comme le law-rencium dont l’isotope ²⁵⁷Lw a été obtenu par réactions (¹¹B, xn ) et (¹⁰B, xn ) sur le californium 251.

Enfin, les isotopes riches en neutrons, de masse moyenne, peuvent être obtenus comme produits de la fission induite des noyaux lourds (principalement l’uranium), c’est-à-dire comme sous-produits des réacteurs.

La détection et le dosage des isotopes radioactifs s’effectuent grâce aux rayonnements émis lors de leur désintégration. Les caractéristiques de ces rayonnements (nature, énergie) et la période de désintégration permettent d’identifier l’isotope et, éventuellement, de le distinguer d’autres radionucléides présents ^{[cf. RADIOACTIVITÉ]}. Une des méthodes consiste à absorber entièrement dans un détecteur l’énergie de la particule émise; ce détecteur est associé à un dispositif électronique qui délivre une impulsion de tension proportionnelle à l’énergie absorbée. Les détecteurs couramment employés sont les chambres d’ionisation, les compteurs proportionnels, les calorimètres, les cristaux de NaI associés à un photomultiplicateur et les monocristaux semi-conducteurs de germanium et de silicium. Un dispositif électronique classe les impulsions suivant leur hauteur et les compte, réalisant le spectre énergétique caractéristique de l’isotope. Pour des mesures de routine, lorsqu’un seul radio-isotope est présent, on simplifie la méthode en supprimant la discrimination en énergie. Le détecteur, d’efficacité calibrée, fournit alors une indication (courant ou nombre d’impulsions) proportionnelle à la radioactivité de l’isotope présent (compteur Geiger par exemple).

2. Effets isotopiques. Séparation des isotopes

Les effets isotopiques, différences de propriétés physiques ou chimiques existant entre les isotopes du même élément, résultent en totalité des écarts de masse des noyaux atomiques et de leurs conséquences sur les énergies vibrationnelles ou rotationnelles des molécules. Ces différences de propriétés peuvent être utilisées, et le sont souvent à l’échelle industrielle, pour séparer les isotopes. Certaines d’entre elles servent à l’analyse isotopique des échantillons.

Propriétés physico-chimiques

La première idée qui vient à l’esprit est d’utiliser les différences de masse des isotopes pour les séparer par centrifugation. Mais, malgré les facteurs de séparation relativement importants, les temps nécessaires pour réaliser l’équilibre constituent un inconvénient à l’utilisation industrielle de cette méthode.

L’effet des écarts de masse se fait également sentir lorsqu’on fait agir, sur des ions monocinétiques de différents isotopes, un champ magnétique perpendiculaire à la direction de leur mouvement. Sous l’action du champ, d’induction B, l’ion de charge e , de vitesse v et de masse m décrit une trajectoire circulaire de rayon r = mv /e B, tout en restant dans un plan perpendiculaire à B. Ce rayon étant proportionnel à m , on voit que les trajectoires des isotopes sont différentes. C’est le principe des spectromètres de masse. On recueille ensuite les différents isotopes soit en divers points d’un collecteur (spectromètre d’Aston), soit en un seul point, en ajustant la valeur de l’induction magnétique B pour une masse donnée (spectromètre de type Nier). On peut ainsi doser l’abondance isotopique en mesurant pour chaque masse le courant ionique reçu par le collecteur; on peut même séparer des quantités pondérables d’isotopes, dans des séparateurs très puissants produisant des courants ioniques de l’ordre de quelques milliampères.

La vitesse de diffusion d’un gaz de masse moléculaire M à travers un trou de petite dimension étant proportionnelle à M size=1^漣1/2, ce phénomène peut aussi être utilisé pour la séparation d’isotopes, le facteur de séparation obtenu étant égal à la racine carrée du rapport des masses. On accroît ce facteur en utilisant un grand nombre d’étages de séparation, ce qui est facile dans le cas considéré. Cette méthode est utilisée industriellement pour l’uranium, le gaz étant l’hexafluorure U⁶; malgré les différences de masse minimes et les faibles dimensions des orifices diffusants, on arrive à produire, dans de gigantesques ensembles, des kilogrammes d’uranium 235 ou 238 isotopiquement purs.

La diffusion thermique dans un tube vertical au centre duquel est placé un fil chauffé à 500 ⁰C permet d’enrichir isotopiquement de petites quantités de produits gazeux tels que H³⁵Cl et H³⁷Cl.

La distillation fractionnée dans des colonnes géantes de quinze mètres de haut est utilisée pour séparer, par exemple, les isotopes de l’oxygène. La hauteur d’un plateau théorique étant de 5 mm, une telle colonne équivaut à 3 000 plateaux dont chacun a un facteur de séparation de 1,025. L’enrichissement obtenu vaut alors (1,025)³⁰⁰⁰ = 1,4 練 10³², permettant d’obtenir ¹⁸O (abondance naturelle : 0,2 p. 100) à l’état pur, à partir d’eau ou de monoxyde de carbone liquide.

La méthode de distillation conviendrait également à la séparation de l’eau lourde (²H²O, ou D²O), mais on lui préfère généralement l’électrolyse qui, pratiquée couramment à d’autres fins dans l’industrie, aboutit à un enrichissement exceptionnellement rapide en hydrogène lourd de l’eau restant sous forme liquide. À partir de cent litres d’eau naturelle (abondance isotopique du deutérium : 0,015 6 p. 100), on obtient, après réduction par électrolyse, 30 cm³ d’eau enrichie à 90 p. 100 de deutérium, et finalement 1 cm³ d’eau lourde à 99,9 p. 100. La variation de la densité de l’eau qui passe de 1 à 1,1 est suffisante pour permettre de doser l’abondance du deutérium au cours du processus d’enrichissement.

Équilibres chimiques

Les écarts de masse des noyaux entraînent des différences dans les fréquences de vibration et de rotation des molécules non identiques isotopiquement (cf. THERMODYNAMIQUE, mécanique STATISTIQUE). Or, si l’on considère une réaction chimique réversible, les proportions des divers produits à l’équilibre sont directement liées aux énergies de vibration et de rotation des molécules, donc aux fréquences correspondantes. Il en résulte que, si l’on écrit l’équilibre sous la forme:

où X et X sont deux isotopes du même élément, la constante d’équilibre :

où [AX] est la concentration de la molécule AX, n’est pas égale à 1. Elle est d’autant plus différente de 1 que l’effet de masse est plus important, c’est-à-dire qu’elle atteint sa valeur maximale dans le cadre de l’hydrogène. La valeur mesurée pour l’équilibre :

à 25 ⁰C, est égale à 3,2!

De telles différences vont à l’encontre de la notion généralement admise d’identité chimique des isotopes et limitent leur emploi comme traceurs (cf. chap. 3). Mais les effets observés deviennent rapidement très faibles quand la masse atomique des éléments augmente. Ils sont pratiquement négligeables au-dessus du néon. Par exemple, la réaction :

pour laquelle K = 1,03 à la température ordinaire, a été cependant utilisée pour la séparation des isotopes de soufre.

Vitesses de réaction

Des effets isotopiques beaucoup plus importants sont observés lorsque l’on considère les vitesses de réaction. L’interprétation exacte de ces phénomènes repose sur des considérations de mécanique statistique et, souvent, les mécanismes des réactions chimiques ne sont pas suffisamment bien connus pour permettre une explication détaillée. Toutefois, si l’on écrit symboliquement la réaction sous la forme:

le fractionnement isotopique est principalement attribué à l’étape d’équilibre conduisant à l’état de transition. En outre, un grand nombre de réactions procèdent par une succession d’étapes lentes au cours desquelles des fractionnements cumulatifs peuvent se produire; l’effet résultant peut être relativement important, surtout pour les éléments légers. Dans le cas d’une réaction ne comportant qu’une seule étape, le fractionnement isotopique peut dépasser 5 p. 100 pour une différence de une unité de masse, en ce qui concerne les éléments de numéro atomique inférieur à 10. Pour ceux dont le numéro atomique est supérieur à 15, ce fractionnement reste au-dessous de 1 p. 100.

Pour les réactions se produisant en plusieurs étapes, des différences importantes de vitesse de réaction peuvent apparaître entre les isotopes, tant que le numéro atomique ne dépasse pas 20. Ces effets restreignent donc les applications possibles des isotopes à des fins d’études cinétiques pour lesquelles on suppose souvent que le comportement chimique de l’isotope radioactif ajouté comme traceur est le reflet de celui de l’élément. En revanche, la mesure des effets isotopiques sur la vitesse d’une réaction chimique donnée peut être appliquée à l’étude du mécanisme de cette réaction. En outre, ces effets sont responsables des faibles divergences observées dans les compositions isotopiques des roches, en fonction de leur origine.

3. Application à la recherche physico-chimique

Chimie et physique nucléaires

De même que le chimiste doit provoquer des réactions à partir de corps purs et séparer ensuite les produits formés, le chimiste nucléaire qui étudie une réaction nucléaire donnée doit la réaliser à partir de partenaires isotopiquement purs et identifier totalement (éléments et isotopes) les produits de réaction. En ce qui concerne la cible, on utilise soit un élément mono-isotopique (²⁷Al, ¹⁹⁷Au), soit un isotope séparé au préalable (¹⁰⁹Ag, ²⁰⁶Pb, par exemple). Pour l’ion incident, en général, l’accélérateur de particules se conduit comme un véritable séparateur d’isotopes, l’accord de la fréquence accélératrice sélectionnant une valeur de Z/A. Ensuite, pour définir et isoler les produits de réaction, on utilise les méthodes de détection et d’analyse des isotopes stables et radioactifs décrites plus haut, alliées ou non à des séparations chimiques.

Les mêmes problèmes de pureté isotopique sont rencontrés dans les études de physique nucléaire, et en particulier en spectroscopie nucléaire. Enfin, on trouve un double exemple des applications possibles des différences de propriétés des isotopes dans la production d’énergie nucléaire par fission de l’uranium. Le seul isotope naturel fissile par neutrons lents est l’uranium 235. Sa très grande dilution (0,7 p. 100) dans l’uranium naturel, qui comporte 99,3 p. 100 d’isotope 238 capteur de neutrons lents, rend impossible l’établissement de fissions en chaîne dans le mélange naturel. On surmonte cette difficulté soit en enrichissant le mélange en ²³⁵U, soit en utilisant des ralentisseurs de neutrons qui les thermalisent avant qu’ils n’aient eu le temps d’être captés par réaction (n , 塚) sur ²³⁸U. Les ralentisseurs utilisés sont le carbone, le béryllium et l’eau lourde, le deutérium ayant sur l’hydrogène l’avantage d’une probabilité mille fois plus faible de capter les neutrons, pour un ralentissement identique.

Traceurs et molécules marquées en chimie

Le principe de l’utilisation des traceurs radioactifs est l’identité chimique des isotopes. Pour suivre l’évolution d’un élément donné au cours d’une ou de plusieurs réactions chimiques, on ajoute un isotope radioactif de cet élément au mélange initial. La mesure du rayonnement émis par le noyau est utilisée comme méthode de dosage, méthode qui a l’intérêt d’être très rapide, quelle que soit la forme chimique de l’élément. On peut ainsi mesurer les vitesses de réaction et le rendement des séparations chimiques.

La possibilité de disposer de matière en quantités infimes, facilement dosables, permet d’utiliser aussi les isotopes radioactifs pour des études de réaction à très faible concentration et pour des études de diffusion.

Enfin, une application légèrement différente est le « marquage » d’une molécule ou d’un groupement d’atomes (radical) par un isotope radioactif. Par exemple, l’introduction d’un atome de ¹⁴C en position connue dans une molécule organique permet de distinguer cet atome des autres et de suivre son sort au cours de la réaction chimique à étudier. Cette technique est très utilisée pour les études de structure et de mécanisme de réaction.

Les différences de propriétés chimiques des isotopes sont autant de limitations à l’utilisation des traceurs. Un cas typique est celui du tritium (³¹H ou T) souvent utilisé imprudemment comme traceur de l’hydrogène. La différence d’un facteur 3 dans les masses implique des effets isotopiques importants dont il faut tenir compte lors de l’interprétation des résultats. En outre, il est nécessaire d’introduire le traceur sous une forme chimique telle que la totalité du produit ajouté prenne part à la réaction. Il faut éviter en particulier que l’isotope radioactif ne soit éliminé par adsorption sur les parois du récipient ou oxydé par l’air en une forme non réagissante (cas de l’iode).

Mais en général, moyennant certaines précautions expérimentales qui permettent de s’affranchir de ces derniers inconvénients, les techniques de traceurs donnent des résultats suffisamment précis, même pour des éléments relativement légers.

4. Géochimie isotopique

La composition isotopique des éléments n’est pas absolument constante dans la nature. Deux groupes de causes sont à l’origine de ces variations:

– la formation d’isotopes (stables ou instables), par suite de phénomènes nucléaires (par exemple, isotopes 206, 207, 208 du plomb, isotope 87 du strontium, isotope 14 du carbone, etc.; cf. rayons COSMIQUES, GÉOCHRONOLOGIE, RADIOACTIVITÉ);

– des différences de comportement entre les isotopes d’un même élément (cf. chap. 2, Effets isotopiques ).

La constante K d’équilibre isotopique est peu différente de 1, de sorte que les variations isotopiques détectées dans la nature dépassent rarement quelques millièmes. K est fonction inverse de la température et tend vers 1 aux températures élevées.

Des différences de vitesse d’échange entre espèces isotopiques variées conduisent à des «fractionnements cinétiques» généralement plus importants que ceux qui sont constatés pour les systèmes en équilibre.

Système ¹³C¹²C

Les deux groupes essentiels où le carbone intervient sont les carbonates (calcaires, dolomies, carbonatites), les hydrocarbures et les «hydrates de carbone» naturels (fig. 1 a). Les autres formes carbonées naturelles sont encore peu étudiées.

Pour les carbonates, les compositions isotopiques sont déterminées par le système C²-HC^-3-C^32- en solution; la température et l’origine du C² (et donc sa composition isotopique) sont les deux paramètres essentiels. Dans la plupart des cas, c’est le stock océanique de bicarbonate, à composition isotopique assez constante, qui définit les grandes lignes de l’évolution des systèmes; mais, dans certains cas, où le C² provient surtout de l’activité bactérienne dans les sols et les vases, les carbonates ont une teneur en ¹³C beaucoup plus basse qui peut être un excellent indice pour déterminer leur origine.

D’une manière générale, la teneur en ¹³C varie avec le degré d’oxydation du carbone; aussi la matière organique est-elle beaucoup moins riche en ¹³C que la plupart des carbonates. L’oxydation de tels carbones ne modifie pas leur composition isotopique. Les réactions de chimie organique s’accompagnent le plus souvent de fractionnement isotopique du carbone. Celui-ci est désormais largement utilisé dans la géochimie du pétrole et du charbon. Les variations de ¹³C¹²C sont un excellent marqueur de l’évolution diagénétique de la matière organique.

Système ¹⁸O/¹⁶O

Les phénomènes à l’équilibre sont généralement interprétés par des processus physiques ou chimiques (fig. 1 b).

Les processus physiques ont surtout été étudiés dans le cas de l’eau. Ils aboutissent aux différences relativement considérables de composition isotopique des eaux naturelles. L’évaporation conduit à un enrichissement de la phase vapeur en ¹⁶O et, corrélativement, de la phase liquide en ¹⁶O, le processus étant réglé par le tampon constitué par la vapeur atmosphérique. L’océan représente un volant isotopique considérable, n’accusant de fluctuations notables que sur ses marges (sous l’effet des influences contraires de l’évaporation et de l’apport d’eau d’origine météorique).

Tant pour l’abondance de ¹⁸O que pour celle de ²H (ou D), un certain nombre de constatations météorologiques ont été faites: les teneurs moyennes des eaux continentales diminuent avec l’abaissement de température, l’augmentation d’altitude ou de latitude. Ainsi, les précipitations polaires ou de haute montagne sont notablement moins riches en ¹⁸O (de quelques pour cents) que dans les régions tropicales et dans les plaines. Aussi la teneur en ¹⁸O (et en D; voir également le tritium ci-dessous) est-elle un indicateur très précieux ayant maintes applications en hydrogéologie, météorologie, géotechnique...

En ce qui concerne les processus chimiques , les systèmes eau-carbonate, eau-silicate, eau-phosphate, eau-sulfate ont donné lieu à de nombreux travaux qui ont abouti à des relations précises entre les compositions isotopiques des divers constituants. Ces relations sont dépendantes de la température. On a pu ainsi mettre au point des méthodes «paléothermométriques» (H. Urey, 1947), d’usage désormais universel en sédimentologie et en pétrologie. Les autres systèmes naturels faisant intervenir l’oxygène (oxydes, nitrates) font l’objet de recherches. Les carbonates marins sont relativement bien connus, spécialement à la suite des forages océaniques profonds. Les variations de ¹⁸¹⁶O sont essentiellement liées:

– à la température de l’eau (différente en surface et en profondeur);

– à la composition isotopique de l’eau de mer.

Ces deux paramètres dépendent, pour une masse d’eau donnée, du climat et des courants, superficiels et profonds, eux-mêmes liés à la paléogéographie. Il a ainsi été possible de reconstituer les grands traits de l’évolution des masses d’eau océanique au Quaternaire ^{[cf. GÉOCHRONOLOGIE]} et, avec plus de difficulté, jusqu’à la base du Tertiaire. On a montré ainsi la dégradation progressive du climat avec l’apparition vers 30 millions d’années, de l’inlandsis antarctique, et le rôle important de l’ouverture du détroit entre Pacifique et océan Indien, du détroit de Drake, de la fermeture de la Téthys, etc.

Les mesures ¹⁸¹⁶O dans les basaltes et les granites, en relation avec d’autres paramètres chimiques et isotopiques, sont aussi utilisées en pétrologie profonde ^{[cf. PÉTROLOGIE]}.

Systèmes D/H et T/H

Le système D/H intéresse surtout l’eau. Une relation simple a été trouvée pour les eaux météoriques entre les compositions isotopiques de l’oxygène et de l’hydrogène dans les systèmes en équilibre. La relation est plus complexe dans le cas de fractionnement cinétique sans obtention d’équilibre isotopique. Les milieux tampons riches en ¹⁸O (silicates, carbonates), pouvant, à température convenable, intervenir dans les équilibres isotopiques, modifient la loi de variation. Ainsi, l’eau s’enrichit en ¹⁸O au contact des roches à haute température, tandis que sa teneur en deutérium n’est pas modifiée. On a pu déterminer de cette façon qu’une part importante de l’eau que contiennent les émanations volcaniques est d’origine météorique.

Le tritium, isotope radioactif de l’hydrogène (³H ou T) créé par l’action du rayonnement cosmique sur l’atmosphère, a une répartition complexe qui dépend à la fois de sa décroissance radioactive et du cycle ordinaire de l’eau. Les injections périodiques de T dans la stratosphère (par les bombes H) ont permis aux spécialistes, d’une part, de mettre en évidence ou de préciser les grands traits du cycle naturel de l’eau ^{[cf. HYDROLOGIE]}, d’autre part, de posséder un traceur très précieux, comparable au ¹⁴C pour les nappes d’eau dont l’âge ne dépasse pas une centaine d’années. On a montré ainsi que l’eau minérale exploitée à Évian met une douzaine d’années à effectuer son parcours souterrain depuis le plateau de Vinzier situé au sud ^{[cf. HYDROGÉOLOGIE]}.

Système ³⁴S/³²S

Le soufre des météorites a une composition quasi constante; d’une manière générale, l’oxydation (à l’état de sulfates) conduit à un enrichissement en ³⁴S, et la réduction (formation de sulfure) à l’inverse. Tout ce qui a été dit pour ¹³C¹²C s’applique ici (fig. 1 c), particulièrement le rôle de l’activité microbienne, d’une part, et celui du tampon océanique, d’autre part. Le rapport ³⁴S³²S est un traceur très précieux en pétrologie, en gîtologie et en pédologie.

Autres systèmes

Le rapport ¹⁵¹⁴N dans les composés azotés a trouvé de nombreuses applications dans la mise en évidence et l’étude de la nitrification, dénitrification, fixation de l’azote par les êtres vivants, etc. ainsi que dans la détermination de l’origine des pollutions asotées.

Les rapports ⁸⁷Sr⁸⁶Sr, ¹⁴⁴Nd¹⁴³Nd, ²⁰⁶Pb²⁰⁴Pb, ²⁰⁷Pb²⁰⁴Pb, ⁴He³He, etc. sont désormais largement utilisés dans l’interprétation de l’origine des roches magmatiques et métamorphiques, de leur mise en place et de leur différenciation ^{[cf. GÉOCHRONOLOGIE]}.

5. Isotopes en biologie

Les cellules et les organismes vivants manifestent, en dehors des états de multiplication et de développement, une composition à première vue fixe et permanente, et il est impossible d’observer et d’identifier les mouvements et les échanges des constituants biologiques, sinon en marquant ces constituants de façon aisément reconnaissable. Le fait que certains éléments chimiques sont disponibles sous diverses variétés isotopiques permet, en employant des isotopes absents ou rares à l’état naturel, de marquer chimiquement un ou plusieurs atomes d’une molécule, et de suivre ainsi son devenir au cours des phénomènes métaboliques qui affectent cette molécule dans une cellule, dans un organisme ou un ensemble biologique quelconque tel que les populations animales ou végétales, voire même les biocénoses.

L’utilisation des isotopes en biologie apparaît comme un cas particulier, à l’échelle moléculaire, des méthodes de marquage ou de traçage antérieurement connues et appliquées, comme, par exemple, le baguage des oiseaux qui permet de déterminer leurs aires de dispersion et, dans le cas des oiseaux migrateurs, leurs routes de migration. De façon générale, il s’agit de reconnaître et de suivre, au sein d’ensembles généralement complexes, le devenir de constituants particuliers de ces ensembles.

Les problèmes techniques d’observation et de mesure sont généralement dépassés en difficulté par les problèmes conceptuels posés par l’interprétation biologique des phénomènes expérimentaux. Cette interprétation nécessite en effet une connaissance approfondie non seulement des données biologiques de base, mais aussi des problèmes chimiques et physiques associés à l’utilisation des isotopes. Elle exige la mise en œuvre d’investigations, isotopiques et non isotopiques, susceptibles d’apporter un faisceau d’arguments convergents à l’appui d’une conclusion significative.

À la suite des travaux de G. Hevesy (1923), pionnier dans l’utilisation des isotopes en biologie, l’investigation isotopique s’est développée de façon considérable, en raison de sa puissance d’analyse et en fonction de la disponibilité progressive des isotopes marqueurs obtenus soit par concentration d’isotopes naturels rares (isotopes stables, deutérium ²H, azote ¹⁵N), soit, de façon beaucoup plus générale, par transmutation dans les réacteurs nucléaires (radio-isotopes artificiels).

Reposant sur des principes généraux communs, l’emploi des isotopes en biologie sera envisagé selon l’objectif, qualitatif ou quantitatif, de l’investigation. Étant donné son intérêt et son développement, l’application aux problèmes cinétiques du métabolisme sera spécialement traitée dans l’article RENOUVELLEMENT BIOLOGIQUE.

Principes du marquage isotopique

Le choix de l’isotope marqueur est directement imposé par le phénomène objet de l’investigation. Les éléments biologiques les plus abondants étant le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote (C, H, O, N), on s’adresse à leurs variétés isotopiques, plus spécialement celles des deux premiers, C et H (cf. tableau). Le manque d’isotopes radioactifs utilisables de l’azote est particulièrement regrettable. On peut éventuellement utiliser non pas un seul, mais simultanément deux ou plusieurs isotopes permettant de marquer sélectivement divers constituants d’une même molécule et d’analyser ainsi plus complètement, dans une même expérience, le devenir de cette molécule.

L’administration d’un précurseur ou composé marqué, susceptible d’être incorporé dans une ou plusieurs molécules par les voies du métabolisme, peut être réalisée soit de façon unique (marquage aigu ), soit d’une façon continue pouvant conduire à un état d’équilibre des concentrations isotopiques (marquage chronique , équilibre isotopique).

La dose d’isotope marqueur utilisée est déterminée de manière à permettre, à l’issue de l’investigation, une mesure précise, malgré une dilution qui peut être considérable au sein de l’entité biologique, tout en restant dans les limites de sécurité à la fois pour l’animal en expérience et pour l’expérimentateur. Si les isotopes radioactifs peuvent être dangereux par les radiations qu’ils émettent, les isotopes stables, au moins pour des concentrations importantes, peuvent également être néfastes. C’est ainsi qu’une concentration d’eau lourde (²H²O ou D²O) de l’ordre de 30 p. 100 est létale pour la souris.

Dans l’interprétation des résultats expérimentaux, il convient de ne pas sous-estimer les remarques suivantes:

– De façon stricte, une variété isotopique marque un atome et, secondairement seulement, une molécule ou un constituant renfermant cet atome. La multiplicité et la rapidité des échanges auxquels sont soumis certains constituants chimiques exigent de bien évaluer la solidité de ce lien. Ainsi, l’hydrogène acide s’échange avec les protons du milieu et n’est pas intéressant à marquer. Au contraire, les hydrogènes liés au carbone dans un squelette carboné sont généralement stables. Bien que la liaison C-N soit chimiquement stable, les phénomènes enzymatiques d’échanges de groupes aminés (transamination) font qu’une molécule d’acide aminé n’est pas marquée valablement par le groupe ¹⁵NH²; il vaut mieux marquer son squelette carboné (¹⁴C).

– Il importe que les systèmes biologiques traitent de façons identiques les molécules non marquées et les mêmes molécules marquées par une variété isotopique. Or cette similarité de comportement n’est pas toujours respectée, les systèmes biologiques manifestant alors, par une discrimination d’ordre chimique et enzymatique, des préférences quantitatives selon l’isotope en jeu. C’est ainsi que la vitesse d’oxydation de l’acide succinique par la succinoxydase est d’autant plus ralentie que dans l’acide succinique l’hydrogène ¹H est davantage remplacé par l’isotope ²H. Dans l’utilisation photosynthétique du gaz carbonique C², l’algue préfère ¹²C² (normal) à ¹³C² et ¹⁴C². Si l’effet isotopique dû à une différence de masse est considérable pour les isotopes légers ¹H, ²H et ³H, il est au contraire négligeable pour les autres isotopes. L’absence de discrimination isotopique sensible permet d’extrapoler avec confiance aux molécules banales les résultats observés par marquage isotopique.

– Sur le plan pratique, il convient de s’assurer que les composés marqués isolés à l’issue d’une investigation sont parfaitement purs de tout contaminant marqué d’une autre espèce, ce qui fausserait les interprétations. La pureté radiochimique est obtenue par des purifications chimiques diverses et très poussées.

Investigations qualitatives

Même conduite dans un but qualitatif de simple détection, l’investigation isotopique révèle vite son irremplaçable puissance d’observation. Un problème biologique est généralement abordé par plusieurs voies d’approche par exemple cytologique, physiologique et biochimique. Dans un esprit de cytologiste, pour qui les constituants biologiques sont révélés in situ , l’expérimentation isotopique fait appel à une révélation photographique de l’isotope marqueur (autoradiographie). Le physiologiste fait appel, pour sa part, aux méthodes biochimiques et chimiques d’expérimentation et d’analyse.

Autoradiographie

La détection et la localisation d’un radio-isotope marqueur par effet des radiations émises sur un film photographique peuvent être réalisées à diverses échelles biologiques, par exemple sur un organe ou sur une structure cellulaire précise. Après administration du précurseur marqué, on sacrifie l’animal en expérience et l’on place un film photographique en contact avec le site biologique objet de l’investigation (fig. 2). Par exemple, si l’on s’intéresse au fonctionnement de la thyroïde, le précurseur utilisé est l’iode radioactif (125 ou 131).

À l’échelle infracellulaire, la localisation fine des molécules marquées est limitée par les caractéristiques, tels la sensibilité et le grain, des émulsions photographiques disponibles. Les isotopes émetteurs de rayonnement de faible énergie, comme le tritium ³H, sont, de ce fait, de grand intérêt, car la radiation émise est arrêtée au voisinage immédiat du point d’origine, et la molécule émettrice est ainsi localisée (fig. 3). On peut de la même façon détecter la radioactivité de composés chimiquement fractionnés sur un chromatogramme. Outre son intérêt qualitatif, l’autoradiographie est susceptible de quantification.

Analyse biochimique

Après administration des précurseurs marqués, on extrait les composés qui ont pu les avoir incorporés, et l’on recherche la présence de l’isotope marqueur (fig. 2). Bien que les isotopes radioactifs soient les plus utilisés, en raison de la facilité de leur détection (ionisation, scintillation), on a aussi employé l’isotope stable ¹⁵N, par exemple dans l’étude de la duplication des acides nucléiques ADN (fig. 4).

L’analyse chimique des faits expérimentaux acquis par l’emploi d’isotopes radioactifs ou stables et leur interprétation biologique ont permis d’aborder et de résoudre une multitude de problèmes biologiques, comme la détermination des intermédiaires d’une chaîne de réactions ou les mécanismes de biosynthèse. Citons notamment son succès dans l’étude de l’assimilation chlorophyllienne où l’on a utilisé les isotopes ³²P, ¹⁴C, ³H ^{[cf. PHOTOSYNTHÈSE]}.

Investigations quantitatives

Le marquage isotopique permet, d’une part, l’estimation de grandeurs biologiques telles que des quantités de substances ou des volumes de distribution, d’autre part, et c’est là un de ses domaines spécifiques, l’estimation de la vitesse des réactions métaboliques et des échanges au sein des cellules et des organismes.

Grandeurs d’intérêt physiologique

Considérons un ensemble hétérogène comportant un composé Q dont on veut déterminer la quantité x et qu’il n’est pas possible d’isoler pour des raisons biologiques ou chimiques. On prépare un échantillon marqué du composé Q dont on connaît la richesse a ⁰ en isotope marqueur (activité spécifique), et on ajoute la quantité q de cet échantillon marqué à l’ensemble à analyser. Après une distribution uniforme dans l’ensemble en investigation, on extrait, sans souci d’une extraction complète, une fraction du composé Q, et on mesure son activité spécifique a . Exprimons la conservation de l’activité absolue de l’isotope marqueur:

d’où l’inconnue x :

Cette méthode, connue sous le nom de dilution isotopique, permet d’évaluer, par exemple, le volume sanguin d’un individu (marquage au phosphore 32 ou à l’iode 131) ou le volume de dilution d’un électrolyte tel que l’ion sodium ²⁴Na. D’autre part, le repérage d’un marqueur entraîné dans un fluide circulant permet de déterminer le débit de ce fluide, tel le débit sanguin.

Vitesse des réactions métaboliques d’échange

Un constituant marqué pouvant s’incorporer dans divers composés à des vitesses différentes, on peut déterminer ces vitesses en étudiant l’évolution en fonction du temps de l’activité spécifique des divers composés: c’est l’aspect cinétique d’une chaîne de réactions, l’isotope marqueur permettant précisément de détecter les échanges entre compartiments en relation métabolique.

Le marquage isotopique a brillamment confirmé, sinon entièrement suscité, le concept selon lequel les molécules constitutives d’un être vivant (unicellulaire, végétal ou animal) sont soumises, à des vitesses spécifiques, à un remplacement constant ou renouvellement, en apparence indiscernable ^{[cf. RENOUVELLEMENT BIOLOGIQUE]}, qui cesse à la mort. À première vue sans intérêt, cette propriété est cependant exploitée en paléontologie dans la méthode du datage des fossiles organiques, notamment des fossiles végétaux. En effet, la teneur en carbone 14 des composés organiques carbonés est en équilibre avec la teneur en carbone 14 du gaz carbonique de l’atmosphère qui leur a donné naissance. À la mort, le renouvellement moléculaire cesse, et le carbone 14 présent, non remplacé, est soumis à la seule décroissance physique de la radioactivité (période 5 700 ans). Si l’on admet que la teneur en carbone 14 du C² de l’atmosphère n’a pas sensiblement varié (avant les explosions nucléaires contemporaines) depuis les temps géologiques, la mesure de l’activité spécifique actuelle du carbone 14 dans un végétal fossile permet de déterminer l’intervalle de décroissance radioactive et de dater la mort du végétal.

Depuis son inauguration par Hevesy, l’expérimentation par marquage isotopique en biologie a hautement prouvé ses possibilités d’analyse, malgré ses difficultés et ses dangers. Son principal avantage est de s’adresser à des cellules ou à des organismes normaux, dans des conditions parfaitement physiologiques, dont certains caractères sont irréductibles à toute autre méthode d’investigation. Le marquage isotopique a permis de résoudre, en conjonction avec d’autres voies d’approche, de nombreux problèmes biologiques complexes, de préciser des concepts audacieux et d’exclure des théories erronées: mécanismes de biosynthèse et de dégradation, chaînes et interconversions métaboliques. Sa contribution au progrès de nos connaissances biologiques est considérable.

6. Isotopes en médecine

Les applications des isotopes radioactifs en biologie et en médecine sont fondées sur des principes analogues.

Les isotopes radioactifs permettent, grâce aux signaux qu’ils émettent, de suivre le cheminement d’un produit dans l’organisme ou de délimiter un organe. Ils peuvent être également utilisés en thérapeutique pour irradier les tissus dans lesquels ils se fixent. Ils permettent enfin d’explorer la cinétique cellulaire.

Emploi des isotopes en vue du diagnostic

On a distingué ici pour les besoins de l’exposé imagerie isotopique et explorations fonctionnelles bien qu’il soit de moins en moins facile de les dissocier.

Imagerie isotopique

Certains cristaux, tel l’iodure de sodium, émettent un signal (scintillation) quand ils sont traversés par un rayonnement. Ces scintillateurs permettent de visualiser sous forme de scintigraphies la distribution d’un isotope radioactif après son introduction dans l’organisme (fig. 5). La précision des localisations obtenues avec ces caméras à scintillation dépend des caractéristiques du collimateur en plomb qui arrête une plus ou moins grande proportion des rayonnements émis par des radioéléments qui ne sont pas situés dans l’axe des orifices du collimateur, ainsi que du nombre de signaux reçus; la qualité de l’image étant d’autant meilleure que le nombre de signaux sera plus grand, donc que la concentration radioactive sera plus élevée. Comme on est limité dans la quantité de radioéléments que l’on peut administrer au malade par la crainte des effets radiobiologiques, on préfère utiliser des radioéléments à vie courte, tel le technétium 99^m de période 6 heures qui, à quantité égale de signaux, délivre une dose plus faible que les radioéléments de longue période.

La qualité des images scintigraphiques a été grandement améliorée grâce au traitement par ordinateur des signaux reçus. De plus, on peut ainsi suivre l’évolution dans le temps de la concentration au niveau de chacune des régions de l’image et obtenir de véritables films permettant de suivre l’évolution d’un phénomène dans le temps. Par exemple, si le sang est marqué par un traceur radioactif, on peut voir les cavités cardiaques se remplir, puis se vider sous l’effet des contractions musculaires.

Ces techniques sont très voisines de celles du radiodiagnostic. Dans le cas d’un examen radiologique, le rayonnement est émis par une source située en dehors de l’organisme; le récepteur, constitué par un film photographique, reçoit le flux de rayonnement après sa traversée de l’organisme; la formation d’une image est due aux variations d’atténuation du faisceau de rayons X dans les différentes régions: par exemple, l’os absorbe davantage de rayonnements et apparaît opaque sur le cliché radiologique.

Dans le cas de la scintigraphie, le rayonnement émis par une région de l’organisme est d’autant plus intense que la concentration en radioéléments y est plus élevée; par exemple, après l’administration d’iode radioactif, la thyroïde sera une source radioactive. Cette technique mesure donc des variations de concentration et non de densité.

La scintigraphie permet d’obtenir des renseignements précis sur la morphologie de nombreux organes (en particulier le foie, la rate, la thyroïde, les reins) qui ont la même densité que les muscles et qui, de ce fait, ne pouvaient pas être étudiés par les méthodes classiques de radiodiagnostic. En faisant tourner autour d’un organisme un appareil de radiodiagnostic et en traitant les données sur ordinateur, on obtient une scanographie qui fournit l’image des variations de densité des tissus au niveau d’une coupe de l’organisme; de même on obtient, avec des appareils où la caméra à scintillations tourne autour de l’organisme, une tomoscintigraphie, c’est-à-dire la distribution du radioélément au niveau d’une coupe de l’organisme, ce qui facilite l’interprétation des images en évitant des superpositions et permet une meilleure localisation topographique. Ces techniques peuvent utiliser des radioéléments émetteurs soit de photons, soit de positrons. Dans ce dernier cas, la localisation peut être très précise grâce à la réception simultanée des 2 photons émis lors de l’annihilation du positron. De plus, on peut marquer les molécules avec du carbone (¹¹C) ou de l’oxygène (¹⁵O); cependant, comme ces radioéléments ont des vies très courtes, de l’ordre de quelques minutes, leur fabrication extemporanée est nécessaire, ce qui constitue une contrainte à la mise en œuvre de cette technologie.

L’intérêt des méthodes isotopiques est d’obtenir des informations à la fois morphologiques et fonctionnelles. Par exemple, dans la thyroïde, les cellules cancéreuses perdent une partie de leur activité fonctionnelle; leur présence dans la glande se traduit par une baisse de la radioactivité qui est très évocatrice du diagnostic de tumeur. Des méthodes analogues sont appliquées aux tumeurs du foie, du poumon, du squelette, ou du système nerveux. Dans ces deux derniers cas, la tumeur fixe plus de radioélément que les tissus sains. L’utilisation d’anticorps monoclonaux capables de se fixer sélectivement sur certaines cellules a ouvert de nouvelles approches à ces méthodes de localisations tumorales (immunoscintigraphie).

De façon générale, l’étude des images fonctionnelles et de leur évolution dans le temps, pour suivre par exemple les contractions des cavités cardiaques, a ouvert de nouveaux champs d’investigations en physiologie et en pathologie.

Explorations fonctionnelles

La possibilité de suivre un isotope radioactif dans un organisme permet d’obtenir des données quantitatives sur le métabolisme de l’élément naturel dont il est l’isotope et parfois d’explorer l’activité fonctionnelle des tissus régissant ce métabolisme. Quelques exemples illustreront l’intérêt de ces méthodes (fig. 6).

Étude des métabolismes

– Métabolisme du fer . Comment le fer est-il assimilé? Quels sont les mécanismes de régulation qui régissent son passage à travers l’intestin? Sous quelle forme faut-il l’administrer pour obtenir son utilisation la plus rapide dans les cas de carence ferrique? Certaines maladies sont-elles dues à une insuffisance ou à un excès d’absorption du fer alimentaire? Ces questions sont restées longtemps sans réponse, car les méthodes classiques ne permettaient pas de les aborder. En effet, l’homme normal n’ingère et n’excrète presque pas de fer; les quantités mises en jeu sont si faibles qu’elles ne modifient pas le taux de fer plasmatique. De plus, sitôt passé la paroi intestinale, le fer exogène se mêle au fer de l’organisme, et il devient impossible de le suivre. Si, pour contourner ces difficultés, on fait absorber à un sujet des quantités importantes de fer telles que l’élévation du taux de fer plasmatique puisse être décelée chimiquement, on crée dans l’intestin des conditions anormales, extra-physiologiques; on ne peut plus alors espérer étudier le phénomène normal, physiologique, parce qu’il est perturbé par le déséquilibre physico-chimique que l’on a provoqué.

Une solution à ce problème a été apportée par les méthodes extrêmement sensibles mises au point grâce au fer radioactif. Ces méthodes se sont montrées très efficaces dans les cas suivants:

– Mesures de la vitesse de passage du radio-fer dans le sang grâce à l’évolution de la radioactivité sanguine.

– Étude de son devenir, des organes vers lesquels il se dirige, du temps pendant lequel il y demeure, de la vitesse de sortie et des formes chimiques qu’il revêt au cours de ces différents stades. On a ainsi montré que, chez un sujet bien portant, le rythme de l’absorption intestinale du fer est réglé par l’état des réserves de l’organisme. Ce mécanisme est déréglé dans certaines maladies qui peuvent, par exemple, aboutir à une surcharge en fer de l’organisme (cf. FER, chap. 5).

– Apport de renseignements sur l’activité des centres formateurs de globules rouges. Plus le nombre de globules rouges formés est grand, plus les quantités de fer utilisées pour la synthèse de l’hémoglobine sont élevées. En suivant la disparition du fer plasmatique, puis sa réincorporation dans les hématies, on évalue l’érythropoïèse ^{[cf. HÉMATOPOÏÈSE]}. Cette technique permet de distinguer les anémies dues à une insuffisance de production du nombre des hématies, des anémies liées à une destruction anormalement rapide des globules rouges circulants. C’est ainsi que, dans la plupart des cancers, l’anémie n’est pas due à une diminution de la prolifération (aplasie) des territoires médullaires, comme on l’admettait habituellement, mais à une accélération de la destruction des globules rouges.

– Détection des maladies dans lesquelles la moelle fixe le fer, mais l’incorpore mal dans les hématies, soit du fait d’un trouble de la maturation de ces dernières, soit parce qu’une partie, non viable, d’entre elles est immédiatement détruite.

– Études topographiques et analyse de la capacité fonctionnelle de chacun des territoires hématopoïétiques.

– Métabolisme de l’iode . La thyroïde puise dans le sang, sous forme d’iodure, l’iode, matière première indispensable à la synthèse de l’hormone thyroïdienne ^{[cf. HORMONES]}. Dans un organisme normal, les taux d’iode dans le sang (cinq microgrammes pour 100 ml) et dans la thyroïde sont constants; en effet, à chaque instant les nombres d’atomes d’iode soit fixés par la glande soit sécrétés sous forme hormonale sont égaux. Par suite de cet équilibre, il était impossible de suivre le métabolisme de l’iode et de l’utiliser pour explorer le fonctionnement thyroïdien.

Grâce à l’administration de quelques microcuries d’iode 131 ou 123 sous forme d’iodure, on peut étudier directement le fonctionnement de la glande à l’aide d’un compteur placé en regard de la thyroïde. Une thyroïde normale fixe environ de 30 à 50 p. 100 de l’isotope vers la vingt-quatrième heure. En cas de maladie de Basedow (hyperfonctionnement), la fixation est beaucoup plus élevée (de 80 à 95 p. 100) et plus précoce. Elle est très faible chez les hypothyroïdiens. De plus et surtout, cette méthode permet d’obtenir une image fonctionnelle de la thyroïde et de comparer l’activité des diverses régions normales ou pathologiques de la glande, et éventuellement de détecter des métastases d’un cancer thyroïdien.

– Autres exemples . L’exploration d’autres métabolismes, en particulier de celui du calcium (intéressant dans les affections osseuses) et de celui du phosphore, bénéficie également des techniques aux isotopes radioactifs.

En outre, de nombreuses molécules marquées sont utilisées, depuis les plus simples, telles que l’eau, jusqu’aux plus complexes, telles les graisses dont on suit l’absorption intestinale et que l’on peut utiliser pour distinguer dans les matières fécales ce qui est lié à un défaut d’assimilation de ce qui est excrété par l’organisme. L’usage de gaz radioactifs (Xénon) permet d’obtenir des images fonctionnelles du poumon.

– Études des flux circulatoires . Après l’injection d’un isotope radioactif dans un vaisseau, il est possible, en disposant des compteurs le long de son trajet, de mesurer la vitesse de la circulation veineuse, artérielle ou lymphatique.

Si l’on connaît la concentration sanguine, on peut évaluer ainsi le flux sanguin vasculaire à travers un organe (poumon, foie, rein, etc.) et mesurer le débit des cavités cardiaques avec une grande précision, ce qui a constitué un grand progrès.

La rétention d’une partie de l’isotope dans un organe permet de mesurer le pouvoir d’épuration de cet organe pour la molécule marquée et de suivre les variations éventuelles de ce pouvoir au cours des diverses maladies.

Emploi des isotopes à des fins thérapeutiques

L’intérêt thérapeutique des isotopes radioactifs réside dans le fait que les rayonnements qu’ils émettent ont des propriétés analogues à celles des rayons X ou à celles des rayonnements du radium. En injectant à un organisme des quantités importantes d’isotopes radioactifs (iode 131 ou phosphore 32), on peut irradier intensément les tissus dans lesquels ceux-ci se fixent.

– L’iode radioactif peut ainsi soit réduire l’activité fonctionnelle d’une glande thyroïde hyperactive, soit détruire les tissus thyroïdiens cancéreux.

– Le phosphore radioactif se fixe sélectivement dans les tissus hématopoïétiques, ce qui justifie son emploi dans le traitement des polyglobulies essentielles, maladies dans lesquelles les tissus hématopoïétiques fabriquent un trop grand nombre de globules rouges, entraînant par la suite des troubles graves dans l’organisme.

À côté de ces deux applications thérapeutiques, où l’on confie en quelque sorte à l’organisme le soin de déposer l’isotope dans les tissus malades, il existe celle qui consiste à substituer un radioélément artificiel au radium. Il est, en effet, plus facile d’implanter dans une tumeur des fils d’iridium ou des grains d’or que des aiguilles de radium; cette souplesse d’utilisation explique que les radiothérapeutes modernes aient de plus en plus recours à ces nouveaux types d’irradiation. De la même façon, en radiothérapie transcutanée, les générateurs classiques de rayons X sont remplacés par des sources de cobalt radioactif qui permettent d’obtenir des flux intenses de rayonnement de haute énergie pour un coût relativement raisonnable.

Une récente et intéressante application de la radioactivité artificielle consiste à implanter dans l’organisme humain des stimulateurs cardiaques (auriculaire, ventriculaire ou double chambre) dans lesquels la pile électrique est remplacée par un petit générateur dont l’énergie provient de la désintégration du plutonium.

Cinétique cellulaire

Il est possible de marquer une cellule soit en y fixant un atome radioactif, soit en mettant en présence de la cellule un composé marqué que celle-ci incorpore lors de la synthèse de l’un de ses constituants. Pour que ce marquage soit de bonne qualité, il faut que le lien entre le marqueur et la cellule soit stable, que le marquage soit spécifique, ce qui exige qu’en cas de mort de la cellule le marqueur ne soit pas réincorporé par une autre cellule, et que le marqueur ne modifie pas le comportement de la cellule et soit donc dépourvu de toxicité.

Les hématies, par exemple, peuvent être marquées de façon satisfaisante, car l’hémoglobine qu’elles contiennent ne se renouvelle pas et est catabolisée au moment de leur destruction. Une méthode consiste à fixer sur les globules rouges du chrome radioactif. On prélève au sujet quelques millilitres de sang, on les incube in vitro avec quelques microcuries de chrome 51, puis on les réinjecte dans l’organisme. Il suffit dès lors de mesurer la radioactivité du sang pour connaître la proportion de globules rouges marqués en circulation, et de suivre la décroissance de cette radioactivité pour calculer la durée de vie de ces globules rouges. Grâce à ces méthodes, on a pu montrer que, dans un organisme sain, la durée de vie des globules rouges est de quatre mois; chez certains anémiques, cette durée est notablement raccourcie. La comparaison entre la durée de vie des hématies d’un homme sain et celle des hématies d’un malade éclaire l’étiologie des anémies. En effet, si l’on injecte au malade des globules rouges marqués d’un donneur sain en obéissant aux règles de la transfusion sanguine, deux éventualités peuvent se présenter:

– ou bien seuls les globules rouges du malade ont une durée de vie courte, ce qui indique une affection du globule lui-même;

– ou bien ce raccourcissement apparaît également chez les globules rouges du donneur sain; ce résultat montre que la cause de l’anémie ne se situe pas au niveau des hématies. Dans ces conditions il faut rechercher si la destruction accélérée des globules rouges se produit électivement dans un organe déterminé (la rate, par exemple). Lorsqu’il en est ainsi, on peut parfois guérir la maladie par ablation de cet organe.

Des techniques analogues ont été appliquées aux autres cellules sanguines: leucocytes et plaquettes. Pour les cellules non circulantes, il faut avoir recours à d’autres méthodes. La plus répandue consiste à marquer avec du tritium (³H) les molécules d’acide désoxyribonucléique où sont stockées les informations génétiques; ces molécules ne quittent la cellule dont elles font partie qu’au moment de sa mort ou de sa division. Cette méthode est à la base d’une discipline, appelée cinétique cellulaire . Elle permet de mesurer la vitesse de prolifération cellulaire dans les tissus normaux ou les tumeurs, de suivre le devenir des cellules après leur naissance et d’étudier les mécanismes par lesquels un tissu maintient constantes sa morphologie et sa structure.