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À la rencontre des sciences médico-légales

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Isotopes stables

 Ressources / Isotopes stables

Isotopes stables

Les isotopes sont différentes formes d'un élément qui partagent les mêmes propriétés chimiques, mais qui diffèrent par leur masse et par leur nombre de neutrons. Le carbone, l'oxygène, l'hydrogène et l'azote sont des éléments chimiques courants qui possèdent différents isotopes. Chacun de ces éléments est identifié par un sigle, par exemple « C » pour le carbone, et le numéro placé devant ce sigle identifie l'isotope (ex. 13C et 12C). Il existe deux types d'isotopes : les isotopes stables et les isotopes radioactifs. Les isotopes stables ne changent pas au cours du temps, alors que les isotopes radioactifs se désintègrent en suivant un rythme prévisible. Afin de distinguer les différents isotopes, les scientifiques utilisent des machines spécialisées appelées spectromètres de masse.

Les isotopes se trouvent partout dans notre environnement. Ils sont incorporés dans les plantes par l'intermédiaire des sédiments et de l'eau, et dans les tissus animaux par l'alimentation, la boisson et la respiration. Un organisme absorbe les isotopes tout au long de sa vie et les remplace au fur et à mesure que ses tissus (ex. peau, cheveux, os) se renouvellent.

Les tissus de l'organisme se renouvellent à des vitesses différentes, mais après le décès, ils n'absorbent plus d'isotopes en raison de l'arrêt complet de leur fonctionnement. À partir de ce moment, les isotopes radioactifs commencent à se désintégrer, alors que les isotopes stables restent tels qu'ils étaient au moment du décès. À partir de la quantité relative d'un isotope par rapport à un autre dans les tissus d'un organisme, les scientifiques peuvent déterminer différents aspects de la vie de cet organisme. Par exemple, les archéologues peuvent utiliser les isotopes pour dater un organisme, étudier les habitudes alimentaires d'un individu ou d'un groupe d'individus, ou déterminer l'endroit dans lequel une personne a grandi ou a vécu les 20 à 25 dernières années de sa vie. Les enquêteurs médico-légaux peuvent aussi utiliser les isotopes pour obtenir des informations sur la vie d'une personne ou pour éliminer la possibilité que certaines personnes portées disparues soient représentées par les restes humains retrouvés.

Les isotopes ne peuvent pas identifier directement la personne, mais ils peuvent guider l'enquête et permettre d'utiliser les ressources humaines et financières à bon escient. Ils sont très importants lorsque les ressources sont limitées et qu'il n'y a pas assez d'argent pour explorer toutes les pistes possibles car ils permettent tout au moins d'ouvrir l'enquête.

Éléments chimiques utilisés pour les analyses isotopiques :

Les éléments chimiques les plus fréquemment employés pour les analyses isotopiques sont le carbone, l'azote, l'hydrogène, l'oxygène et le strontium. Le carbone (C) est présent dans l'air, l'eau et la terre, et est absorbé par les plantes lors de la photosynthèse, soit la transformation de la lumière du soleil en énergie utilisable. Les différentes espèces de plantes absorbent le carbone en fonction de leurs caractéristiques spécifiques et du climat dans lequel elles vivent. Par exemple, les cellules des plantes tropicales ont des ratios isotopiques différents de celles des plantes des climats tempérés comme en Colombie Britannique. Par conséquent, le carbone peut être utilisé pour déterminer le type d'environnement dans lequel une personne a vécu, ainsi que son régime alimentaire.

L'azote (N) est aussi présent dans l'atmosphère, mais il est absorbé par les plantes par fixation, un processus qui transforme l'azote en ammoniaque, ce dernier étant essentiel à la synthèse de l'ADN. Le ratio isotopique d'azote change entre les plantes et les animaux qui les consomment, puis entre ces derniers et les autres animaux qui les mangent. Par conséquent, les ratios isotopiques d'azote peuvent être utilisés pour déterminer la place d'un organisme dans la chaîne alimentaire : herbivore, carnivore ou omnivore.

L'hydrogène (H) et l'oxygène (O) sont les composants de l'eau, ils sont donc présents dans l'environnement sous diverses formes. Pour ces deux éléments, les ratios isotopiques varient en fonction de la température et du climat. Par comparaison, il est possible de déterminer si un individu a vécu dans différentes régions géographiques au cours de sa vie, ou si plusieurs individus proviennent du même endroit (et ont consommé la même eau). Bien que l'hydrogène et l'oxygène puissent être très utiles pour les études isotopiques, les techniques d'analyse sont toujours en cours de développement et les résultats doivent être interprétés prudemment.

Le strontium (Sr) est un métal qui regroupe plusieurs isotopes stables et radioactifs. Il est abondant dans la nature et se trouve surtout dans les roches et les sédiments volcaniques. Avec l'érosion des sédiments et leur dispersion dans l'eau et dans les ressources alimentaires, il est absorbé par l'organisme qui l'incorpore dans les tissus osseux, de la même manière que le calcium. Le ratio isotopique du strontium varie d'une région géographique à l'autre. Par conséquent, l'analyse des ratios isotopiques du strontium des os peut aider à déterminer l'origine géographique d'une personne ou à distinguer des squelettes retrouvés ensemble mais qui ont appartenu à des individus d'origines géographiques différentes.

Les tissus utilisés pour les analyses isotopiques :

Les os et les dents sont les tissus les plus fréquemment analysés, car ils sont durs et se conservent longtemps dans les contextes archéologique et médico-légal. L'os est formé de deux composants : une matrice organique composée majoritairement de collagène, et une matrice minérale inorganique composée surtout de phosphates de calcium.

L'os est un tissu vivant qui se renouvelle en permanence lorsque nous grandissons et vieillissons. Cependant, ce processus est très lent, et l'os cortical dense reflète approximativement les 10 à 15 dernières années de vie d'un individu.

Les dents sont aussi composées de matériaux organiques et minéraux, mais contrairement à l'os, l'émail dentaire ne se renouvelle pas. Par conséquent, les dents sont très utiles lorsque l'on veut déterminer l'environnement des premières années de vie d'un individu (au moment où ses dents se sont formées). De plus, la comparaison des dents et des os d'un même individu permet de déterminer si une personne a migré d'une région à l'autre depuis son enfance : les dents montrent le lieu de vie pendant l'enfance, et les os le lieu de vie pendant les années qui ont précédé le décès.

Les cheveux et les ongles peuvent aussi être utiles pour les analyses isotopiques. Bien qu'ils soient plus fragiles que les os, ils se forment à un rythme connu et reflètent le passé récent des individus. Ils peuvent donc être utiles pour déterminer si un individu s'est déplacé d'une région à l'autre récemment, ou pour étudier des changements alimentaires saisonniers.

Finalement, le sang et les tissus mous peuvent aussi être utilisés pour les analyses isotopiques. Cependant, ils se décomposent rapidement et sont très sujets à la contamination

L'abondance de l'isotope lourd du carbone et de l'azote, respectivement 13C et 15N, reflète l'alimentation des individus, donc l'analyse isotopique peut montrer si la personne est végétarienne ou si elle consomme beaucoup de viande. De la même manière, l'abondance des isotopes lourds d'hydrogène et d'oxygène dans les tissus, 2H et 18O respectivement, reflète l'eau consommée par les individus (par le biais de boissons et d'aliments comme les fruits et les légumes).

L'alimentation des temps anciens (paléonutrition) peut ainsi être facile à analyser étant donné que les sources d'eau et de nourriture des humains étaient plus locales qu'elles ne le sont aujourd'hui.

Autres applications des analyses isotopiques :

Comme évoqué dans les autres sections, il existe diverses applications des analyses isotopiques qui sont utiles aux archéologues et aux enquêteurs en contexte médico-légal.

Au niveau de l'individu, les isotopes du carbone et de l'azote peuvent être utilisés pour déterminer la signature isotopique de l'alimentation, ou l'origine géographique de produits spécifiques tels que des drogues ou des animaux.

Les isotopes du strontium peuvent être utilisés pour déterminer la région d'origine d'un individu non identifié ou de différents individus dont les restes sont mélangés, délibérément ou par accident comme lors d'un crash d'avion.

Les isotopes d'hydrogène et d'oxygène font l'objet de plus en plus de recherches au niveau des informations qu'ils peuvent fournir sur le climat et la région de vie des individus. Ces isotopes sont également étudiés pour leur capacité à démontrer l'origine et les déplacements de drogues ou d'animaux issus du commerce illégal.

Les études isotopiques peuvent aussi aider à répondre à des questions plus larges, au niveau des populations. Par exemple, elles ont été utilisées pour documenter l'apparition de l'agriculture dans diverses parties du monde, ainsi que les changements économiques et sociaux qui y sont liés. Les isotopes sont aussi utiles pour quantifier la variété des ressources consommées par les populations, (ex. le poisson et le gibier), ou pour constater des changements dans leur stratégie de subsistance. Par exemple, les isotopes ont permis de démontrer que les hommes de Néandertal étaient des chasseurs accomplis et non des « sous-humains » tels qu'ils étaient parfois décrits auparavant. Finalement, les isotopes du carbone et de l'azote ont été très utiles aux archéologues pour déterminer l'âge auquel on sevrait les enfants dans le passé, ainsi que pour mieux connaître les types d'aliments solides qui remplaçaient graduellement le lait maternel.

Les limites des analyses isotopiques :

Bien que les études isotopiques soient très utiles, elles sont limitées par certains facteurs.

Le plus important d'entre eux est la diagenèse, soit les changements chimiques et structurels qui affectent les matériaux lorsqu'ils sont exposés à l'environnement et qu'ils commencent à se décomposer. L'état de départ des matériaux (par exemple s'ils sont cassés ou brûlés) ainsi que leur exposition aux différentes conditions environnementales peuvent influer sur la présence des divers isotopes et modifier les ratios isotopiques. Les différents isotopes et tissus sont affectés de diverses manières par l'environnement, et les chercheurs doivent être conscients des changements qui peuvent en résulter au niveau des signatures isotopiques.

La contamination constitue également une limite aux analyses isotopiques. Étant donné que les isotopes sont présents dans l'environnement, il existe toujours une possibilité que la signature isotopique des échantillons de tissus prélevés provienne d'une autre source que le cadavre, soit par l'infiltration d'eau, soit par l'exposition aux sédiments, voire même par l'environnement du laboratoire. Bien qu'il existe des techniques qui permettent de diminuer les effets de la contamination, et que les chercheurs soient constamment entrain d'améliorer leurs méthodes et leurs protocoles, la contamination reste une limite pour les études isotopiques.

Finalement, les études isotopiques ne fournissent pas toujours de résultats clairs. Par exemple, les valeurs isotopiques du carbone et de l'azote de différents régimes alimentaires peuvent se chevaucher. Par conséquent, il est parfois impossible d'affirmer avec certitude qu'un individu ou un groupe a consommé un régime alimentaire spécifique, surtout si ce dernier était relativement varié. De même, il est parfois impossible de distinguer deux populations qui vivaient dans des climats similaires ou qui avaient le même régime alimentaire. Même si ces populations sont culturellement distinctes, leurs signatures isotopiques peuvent être très proches. De plus, une signature isotopique indiquant la consommation d'aliments exotiques peut simplement signifier qu'un groupe importait la nourriture et non qu'il a migré dans un environnement différent. Malgré tout, les études isotopiques fournissent des pistes supplémentaires pour comprendre les populations et les individus passés et présents, et constituent de bonnes opportunités pour de nouvelles recherches.

L’écriture du rapport

Un rapport est une description formelle d’un évènement ou d’une enquête. Un rapport médico-légal explique tout ce que les enquêteurs ont réalisé, de quelle manière ils l’ont réalisé, et ce qu’ils pensent être les meilleures interprétations possibles. Il est très important car il doit être en mesure d’expliquer les résultats d’une enquête à un juge et potentiellement à un jury, et ces personnes n’ont ni assisté au crime, ni à l’enquête. Il n’existe pas de protocole précis pour la rédaction d’un rapport médico-légal au Canada, mais les scientifiques doivent aborder les points suivants:

  • Le résumé du rapport
  • Le contexte de l’enquête (comment l’auteur s’est retrouvé impliqué dans l’enquête)
  • Les qualifications de l’auteur (ce qui lui permet d’être considéré comme une autorité sur le sujet)
  • Les matériels, méthodes et limites (quel travail a été réalisé, comment et pourquoi, et les problèmes rencontrés pour approfondir l’enquête et/ou l’analyse)
  • Les résultats (ce que les indices impliquent)
  • L’interprétation des résultats (ce que les indices signifient)
  • Les conclusions (un deuxième court résumé du rapport qui rappelle les découvertes et leur importance)
  • La bibliographie (quelle ont été les sources d’information utilisées : littérature professionnelle, interviews, etc.).