Cette étude expérimentale a consisté dans un premier temps en la caractérisation de la réactivité et des propriétés physico-chimiques de microparticules d'opales biogènes appelées phytolithes, pour plusieurs espèces de plantes terrestres provenant de milieux différents. Pour ce faire, une approche combinant plusieurs techniques complémentaires telles que, mesures de solubilité, cinétiques de dissolution, mesures électrophorétiques et titrages acido-basiques, a été menée sur ces phytolithes ce qui a permis de mieux quantifier le cycle biogéochimique du silicium (Si) à travers les plantes terrestres. Dans un second temps et afin de mieux contraindre ce cycle biogéochimique, cette étude a aussi porté sur les interactions de litières de plantes terrestres avec les solutions aqueuses en combinant cette fois des expériences de dégradation de litières dans des réacteurs fermés et dans des réacteurs à circulation. Les résultats démontrent une très forte réactivité des phytolithes et des litières de plantes vis-à-vis du relargage de Si, qui sont au minimum de un à deux ordres de grandeur plus élevés que les minéraux. La quantification du contrôle des phytolithes et des litières de plantes sur le relargage de Si à partir de ces réservoirs solides, démontre la possibilité d'un fort impact des plantes sur le cycle biogéochimique du silicium dans la plupart des environnements terrestres.

Die Ablagerung von Siliziumdioxid ist ein verbreitetes Phänomen, das mit der Toleranz von Pflanzen gegenüber Belastungen korreliert. Die Pflanzen akkumulieren das amorphe Siliziumdioxid in mikroskopischen Partikeln, den Phytolithen, jedoch ist der exakte Mechanismus nicht vollständig aufgeklärt. Um ein besseres Verständnis über die Ablagerung von Siliziumdioxid zu erlangen, wurden verschiedene spektroskopische Techniken an Sorghumblättern und molekularen Modellen angewandt. Festkörper Kernspinresonanz und thermogravimetrische Analysen zeigen, dass die Siliziumdioxidstruktur von der Phytolithe-Extraktion abhängt. Basierend auf Raman- und IR-Daten einzelner Phytolithe lassen sich die Änderungen dieser Strukturen ermitteln. Das deutet auf unterschiedliche biologische Prozesse der Ablagerung des Siliciumdioxids hin. Die Pflanzengewebe in denen Siliciumdioxid abgelagert ist, wurden mit einem multimodalen Ansatz charakterisiert, welcher Fluoreszenz-, Hellfeld- und Rasterelektronenmikroskopie beinhaltet. Die chemische Zusammensetzung der Pflanzengewebe wurden mit Raman- und FTIR-Mikrospektroskopie kartiert. Ein neuartiger Ansatz zur Untersuchung von Pflanzengeweben wurde verwendet, basierend auf der optischen Nahfeldmikroskopie im mittleren IR-Bereich. Dieser ermöglicht eine kombinierte Analyse von mechanischen Materialeigenschaften sowie der chemischen Zusammensetzung und Struktur. Um die Rolle der organischen Matrix zu verstehen, wurden Modellverbindungen betrachtet, die die Ablagerung von Kieselsäure in den Pflanzen induzieren können. In-vitro-Reaktionen konnten eine gleichzeitige Präzipitation von Lignin und Siliciumdioxid sowie eine Polymerisation zusammen mit Peptiden simulieren. Die Ergebnisse lassen starke Wechselwirkungen zwischen diesen Verbindungen vermuten. Neben einem besseren Verständnis verschiedener Aspekte der Silifizierung von Pflanzen werden in dieser Arbeit neue Methoden zur Charakterisierung von Pflanzenproben vorgeschlagen. / Silica deposition is a common phenomenon that correlates with plant tolerance to various stresses. Plants accumulate amorphous silica in microscopic particles termed phytoliths, through yet unclear mechanisms. With the aim to gain better understanding of the processes that govern silica deposition, different vibrational techniques were used on sorghum leaves and molecular models to obtain chemical and structural information addressing different length scales. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance and thermogravimetric analysis showed that phytolith extraction methods affect silica structure. Nevertheless, Raman and IR analysis of individual phytoliths revealed differences in the structure and composition between phytolith types, suggesting the existence of different biological pathways for silica deposition. The environment of sorghum tissues where silica is deposited was assessed using a multimodal approach consisting of fluorescence, brightfield and scanning electron microscopies, while chemical composition was mapped using Raman and Fourier transformed Infrared microspectroscopy. Scattering-type near-field optical microscopy in the mid-infrared region was used to characterize the plant tissues, in both fixed and native plant samples. The nano-IR images and the mechanical phase image enabled a combined probing of mechanical material properties together with the chemical composition and structure of both the cell walls and the phytolith structures. In vitro reactions simulating lignin-silica co-precipitation and silica polymerization with peptides revealed strong interaction between these compounds and silica, and their possible involvement in silica deposition in the plant. This thesis provides a better understanding of the chemical process that control plant silicification, suggests new methodologies to characterize plant samples, and evaluates the current methods used in plant science.

Ce mémoire présente l'étude du signal phytolithique de sédiments mio-pliocènes du Tchad(Afrique Centrale) datés entre 7-2 Ma, et contemporains des Homininés anciens Sahelanthropustchadensis et Australopithecus bahrelghazali. Une calibration de la relation plantes-phytolithes-solspour l'Afrique tropicale subsaharienne actuelle a d'abord été réalisée pour apprécier la signatureenvironnementale des phytolithes dans le registre fossile. L'analyse des assemblages phytolithiques de98 espèces de graminées (Poaceae) a permis d'élaborer trois nouveaux indices phytolithiques à partirde 43 types propres aux Poaceae. Testés sur une base de 57 sols/sédiments modernes du Tchad, cesindices permettent de tracer les associations graminéennes aquatiques du Lac Tchad, les associationsmésophytiques des milieux humides soudaniens, et les associations xérophytiques des milieux secssahéliens. L'analyse des assemblages phytolithiques des sols/sédiments actuels considérés dans leurensemble a permis d'évaluer le potentiel de ce proxy à caractériser la physionomie des formationssoudano-sahéliennes modernes. La calibration a été appliquée à l'étude d'un enregistrementsédimentaire discontinu du Lac Tchad (6-2 Ma) (forage de Bol, 13°N/14°E) et à celle de 18 niveauxpaléontologiques du Djourab (7-3.5 Ma) (16°N/17°E). Les résultats indiquent la présence de savanesintermédiaires à fermées et de zones de végétation aquatique dominantes à 7 Ma dans le Djourab, puisde savanes plus ouvertes et sèches à 3.5 Ma. Une phase de bas niveau lacustre est enregistrée entre3.6-2.8 Ma à Bol, et un pic d'aridité à 3.2 Ma. Enfin, les résultats montrent l'existence de graminéesen C4 au Tchad depuis 7 Ma. / This thesis dissertation is dedicated to the study of the phytolith signal of Mio-Pliocenesediments from Chad (Central Africa) dated between 7-2 Ma, and contemporary to the early Homininspecies Sahelanthropus tchadensis and Australopithecus bahrelghazali. A calibration work studyingthe relationship plants-phytoliths-soils in modern sub-Saharan tropical Africa was carried out in orderto assess the environmental significance of the phytolith signal in the fossil record. Phytolithassemblages produced by 98 sub-Saharan grass species (Poaceae) were analyzed and the results led tothe development of three new phytolith indices defined from 43 types specific to Poaceae. Tested on adatabase of 57 modern soil/sediment samples from Chad, these indices allow drawing aquatic grassassociations of Lake Chad, mesophytic grass associations of wetlands from the Sudanian domain, andxerophytic grass associations of drylands from the Sahelian domain. The analysis of modern soilphytolith assemblages (total assemblages) was used to assess the potential of this proxy to characterizethe physiognomy of the Sudano-Sahelian vegetation types. The calibration had been applied to thestudy of a discontinuous sedimentary record from Lake Chad (6-2 Ma) (Bol core, 13°N/14°E) and of18 paleontological levels from the Djourab (7-3.5 Ma) (16°N/17°E). The results indicate thedominance of intermediate to closed savannas and areas of aquatic vegetation at 7 Ma in the Djourab,and more open and dry savannas at 3.5 Ma. A limited lacustrine stage is recorded between 3.6-2.8 Maat Bol, and a shift of aridity at 3.2 Ma. Finally, the results show the existence of C4 grasses in Chadsince 7 Ma.

La reconstitution des paléoenvironnements et la compréhension des dynamiques géomorphologiques sont de plus en plus appréhendées au regard des recherches archéologiques. Toutefois, en Indonésie, cette approche est encore peu usitée. L’étude du site de Kota Cina (Sumatra Nord, Indonésie) entreprise dans le cadre de cette thèse, est un travail pionnier qui vise à comprendre les changements environnementaux à l’interface Homme/Nature, dans le but d’une reconstitution paléogéographique. Cet ancien comptoir commercial portuaire du Détroit de Malacca, actif entre les XIème et XIVème siècles AD, se trouve aujourd’hui à 7 km du rivage. Afin de s’interroger sur les variables de contrôle naturelles et anthropiques de l’évolution paysagère de la région, des investigations ont été menées à Kota Cina et dans la vallée de Deli. Deux approches ont été privilégiées : (1) une approche géomorphologique qui permet de reconstituer les dynamiques hydro-sédimentaires du site et de sa vallée ; (2) une approche biogéographique à travers une analyse du contenu phytolithiques des dépôts de Kota Cina, afin de renseigner l’évolution de la végétation du site. Cette étude met en exergue des évolutions paléoenvironnementales notables, en réponse à des forçages singuliers. Le volcanisme pré-holocène de la région a engendré par son détritisme un remplissage majeur de la vallée. La réponse hydro-sédimentaire holocène a modifié la géomorphologie de la région par une forte incision et un important transfert sédimentaire. Enfin, à l’époque historique, une nouvelle transformation paysagère a eu lieu avec l’anthropisation du milieu, notamment à partir du XIXème siècle avec l’essor des plantations coloniales. / Paleoenvironment reconstructions and geomorphological dynamics understanding are increasingly being considered with regards to archaeological research. However, in Indonesia, this approach remains unusual. The present study of Kota Cina site (North Sumatra, Indonesia) is a pioneering work that aims to understand environmental changes dynamics at the human/nature interface for the purpose of paleogeographic reconstruction. Kota Cina is an ancient trade harbour of the Strait of Malacca. It was active between the XIth and the XIVth centuries AD. Nowadays, the site is located at 7 km from the coast. In order to examine the implication of natural and anthropogenic factors in the landscape changes of the region, investigations were carried out at Kota Cina and the Deli Valley. Two approaches were developed: (1) a geomorphological approach to reconstitute the hydro-sedimentary dynamics of Kota Cina site and its valley; (2) a biogeographical approach to reconstruct the vegetation changes at Kota Cina from a phytolith analysis of the site deposits. This work highlights important paleoenvironment changes as response to unique forcings. The pre-Holocene volcanism of the region generated a major filling of the valley by its detritism. The Holocene hydro-sedimentary response has altered the geomorphology of the region through a strong incision and significant sediment transfer. Finally, during the historical period, new landscape changes took place with the environment anthropisation, especially from the XIXth century with the development of colonial plantations.