Biominéralisation : comment le vivant fabrique des minéraux

La biominéralisation est la capacité des êtres vivants à fabriquer des minéraux : coquilles, os, dents, carapaces ou squelettes microscopiques. Acquise au fil de l’évolution du vivant, elle associe le plus souvent une part minérale et une part organique, que l’organisme contrôle plus ou moins finement. Le comprendre éclaire l’histoire du vivant comme la fragilité des coquillages face à l’acidification des océans.

Qu’est-ce que la biominéralisation ?

Le terme désigne l’ensemble des processus par lesquels des organismes produisent des minéraux ; animaux, plantes, champignons et bactéries en sont capables¹. Le biominéral obtenu est le plus souvent un composite : des cristaux associés à des molécules organiques, protéines et polysaccharides (de grands sucres complexes).

Ces structures ont des fonctions variées. La coquille d’un mollusque protège le corps mou, aide au déplacement ou à la flottabilité et stocke des ions¹. Les otolithes de l’oreille interne des poissons servent de capteurs de gravité⁴, et certaines bactéries alignent en chaînes de minuscules cristaux de magnétite, un oxyde de fer magnétique².

Une grande diversité de biominéraux

Selon les inventaires, on recense de 64 à environ 70 biominéraux différents^1,2, dont environ la moitié contiennent du calcium².

Sources : Weiner et Dove, 2003 ; MNHN, 2013.

Chez les vertébrés, le phosphate de calcium domine : l’os contient environ 70 % de minéral¹ (voir notre article sur le tissu osseux et celui consacré à la minéralisation des dents).

Minéralisation induite ou contrôlée : deux stratégies

En 1981, Heinz Lowenstam a proposé de distinguer deux grands modes de formation des biominéraux ; en 1983, Stephen Mann a généralisé le second sous le nom de minéralisation « biologiquement contrôlée »².

La minéralisation induite

Le minéral précipite sous l’effet des interactions entre l’activité d’un organisme et son milieu, sans que l’organisme contrôle vraiment le type et la forme des cristaux². C’est le cas des stromatolithes, roches feuilletées construites par des cyanobactéries, dont les plus anciennes comptent parmi les premières traces de vie⁴. Les minéralisations pathologiques, formées accidentellement dans un organisme, relèvent aussi de cette catégorie⁴, comme les calculs rénaux.

La minéralisation contrôlée

Ici, l’organisme utilise ses cellules pour diriger la nucléation, c’est-à-dire l’apparition des premiers cristaux, puis leur croissance et leur forme². Le dépôt a lieu dans un espace isolé du milieu extérieur, au contact d’une matrice organique dont la composition est programmée génétiquement⁴. Cette stratégie concerne la plupart des animaux, mais aussi des organismes unicellulaires comme les diatomées ou les radiolaires^2,4.

Elle se généralise à la fin du Précambrien, lorsque des organismes de nombreux embranchements acquièrent la capacité de fabriquer des minéraux², un facteur majeur de la diversification des animaux au Cambrien⁴. Chez les larves de mollusques et d’oursins, le minéral passe d’abord par une forme amorphe et transitoire de carbonate de calcium avant de cristalliser².

La matrice organique, chef d’orchestre du minéral

Une coquille de mollusque, comme celle de l’huître, contient environ 95 % de carbonate de calcium (jusqu’à 99 % selon les études), le reste étant une matrice organique d’environ 1 à 5 %^1,3. Cette fraction minoritaire, faite de protéines souvent riches en acide aspartique et de polysaccharides comme la chitine, est pourtant décisive^3,5.

Elle détermine notamment la forme cristalline du carbonate de calcium : calcite chez les oursins et les étoiles de mer, aragonite dans la nacre des mollusques¹. Elle sert aussi de support à l’apparition des cristaux, peut freiner ou arrêter leur croissance (on parle d’inhibition) et règle leur assemblage en microstructures³.

Les huîtres, par exemple, construisent l’essentiel de leur coquille en calcite disposée en fines lamelles, dite foliée³ : ce cas est détaillé dans notre article sur la composition de la coquille d’huître.

Petite histoire d’une discipline

L’étude chimique des biominéraux remonte au milieu du XIX^e siècle. En 1855, dans ses « Recherches chimiques sur les os », le chimiste français Edmond Frémy décrit la fraction organique insoluble des coquilles et la baptise « conchioline »³. Il faudra ensuite un siècle pour que cette substance soit analysée avec les outils de la biochimie³.

En 1975, Stephen Weiner et Leroy Hood montrent que la matrice contient aussi une fraction soluble, riche en acide aspartique⁵. Les premières protéines de coquille sont identifiées dans la seconde moitié des années 1990³, et les méthodes d’analyse à haut débit, dites « omiques », en ont depuis révélé des centaines⁵.

Acidification des océans : les organismes calcifiants en première ligne

Depuis les années 1980, l’océan a absorbé entre 20 et 30 % des émissions de CO₂ d’origine humaine⁶. En se dissolvant, ce gaz acidifie l’eau de mer : le pH de surface du large a baissé de 0,017 à 0,027 unité par décennie depuis la fin des années 1980⁶, et d’environ 0,1 unité au total depuis l’ère préindustrielle⁷.

Chez les organismes calcifiants (coraux, mollusques, oursins, algues calcaires), cette évolution perturbe la chimie des carbonates nécessaires aux squelettes et aux coquilles. La calcification ralentit et, dans les cas extrêmes, le minéral peut se dissoudre ; les larves sont les plus vulnérables¹. Les chercheurs suivent l’état de saturation de l’eau en carbonate de calcium, noté Ω : au-dessus de 1, l’eau permet de fabriquer une coquille, en dessous elle devient corrosive. Ω reste supérieur à 1 dans la lagune de Thau, mais descend par moments sous 1 dans le bassin d’Arcachon⁷.

Dans un scénario d’émissions élevées, le GIEC projette une baisse supplémentaire d’environ 0,3 unité du pH de surface en 2081–2100 par rapport à 2006–2015, avec des risques accrus, dans les océans polaires et subpolaires, pour des espèces clés à coquille d’aragonite⁶. Le cas des huîtres est développé dans notre article sur leur biologie et leur rôle écologique.

Applications : du climat passé aux matériaux de demain

Les biominéraux enregistrent les conditions de leur formation. En lisant les stries de croissance des coraux, des coquilles ou des otolithes (la sclérochronologie) et en analysant leur chimie, les géochimistes reconstituent par exemple la température passée de l’eau de mer¹.

La biominéralisation intéresse aussi la recherche en santé humaine (formation de l’os, chirurgie orthopédique), la science des matériaux et les nanotechnologies ; la nacre est ainsi étudiée comme substitut osseux en chirurgie réparatrice¹. En joaillerie, le corail rouge et la nacre ont une forte valeur marchande, ce qui impose une gestion mesurée de ces ressources¹. Les débouchés des coquilles d’huîtres font, eux, l’objet d’un article sur la valorisation des coquilles d’huîtres.

Sources

1. Les biominéralisations, témoins de l’évolution du vivant (Le Courrier de la Nature, n° 275) — Auzoux-Bordenave S. et al., laboratoire BOREA, Muséum national d’histoire naturelle, 2013.
2. An Overview of Biomineralization Processes and the Problem of the Vital Effect — Weiner S., Dove P. M., Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 54, 2003.
3. Molluscan shell proteins — Marin F., Luquet G., Comptes Rendus Palevol, vol. 3, 2004.
4. Étude des processus de biominéralisation de la nacre chez l’ormeau européen Haliotis tuberculata — Ajili W., thèse de doctorat, Sorbonne Université, 2018.
5. The Mineralization of Molluscan Shells: Some Unsolved Problems and Special Considerations — Huang J., Zhang R., Frontiers in Marine Science, 2022.
6. Summary for Policymakers — Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate — GIEC (IPCC), 2019.
7. La conchyliculture au défi du changement global (Table ronde Recherche & Conchyliculture n° 6/2022) — Ifremer et Comité régional de la conchyliculture de Méditerranée (CRCM), 2023.