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Paléogénétique - Etude du patrimoine génétique d'échantillons d'ADN ancien

Les apports de la Paléogénétique
La génétique permet d'explorer de nouveaux champs de la paléontologie, parfois même sans avoir le début du commencement d'un os !

La paléogéntique est une source de données dont on ne soupçonnait pas l'existence il y 30 ans, dans les années 90. On ne pensait pas pouvoir retrouver de l'ADN aussi ancien, et qui plus est, pouvoir le faire parler. C'est devenu un mode d'exploration de l'évolution des espèces qui ne cesse de progresser. Comme toute science nouvelle, les progrès sont fulgurants, chaque année apporte son nouveau champs de recherche repousse un petit peu plus les limites. L'anthropologue et paléogénétiocienne Céline Bon déclare : "A la fin des années 2000, l’amélioration des techniques a rendu possible le séquençage de la totalité du génome, ce qui a donné accès à l'ensemble du patrimoine génétique des individus..." 
Bien sûr c'est l'évolution de l'homme qui passionne les chercheurs, mais la paléogénétique permet également de reconstituer les arbres phylogénétiques de toutes les espèces. Si Néandertal, Sapiens et Dénisova sont des cibles particulièrement recherchées, le bison le bouquetin ou le chien sont autant dignes d'intérêt ! En 2021, des chercheurs ont d'ailleurs publié une étude sur de l'ADN de mammouth. Les molaires de deux spécimens trouvés en Sibérie ont permis d'extraire partiellement quelques bribes de leur ADN et de leur donner un âge de 1,2 millions d'années !

Il faut, pour commencer, un ADN ancien "nettoyé"... ou "dépollué"

Le préalable dans les recherches paléogénétiques est d'étudier un ADN le plus pur possible. C'est-à-dire un ADN qui n'a pas été pollué par de l'ADN plus récent, comme par exemple celui des chercheurs eux-mêmes !!! C'est pour cette raison que la recherche s'appuit sur des prélèvements les plus récents qui ont été effectués avec un maximum de précautions. Un ADN extrait d'un ossement fossile trouvé dans les années 1900 à toutes les "chances" d'être perverti par l'ADN de tous les scientifiques qui l'ont étudié !
De plus, les gènes ne se conservent pas forcément bien. Une bonne conservation dépend de la géologie des lieux, de l'environnement et même du climat. Sur plusieurs dizaines de milliers d'années, l'environnement évolue et peut faire disparaître toute trace d'ADN sur un fossile.
Pour résumer, il faut donc trouver suffisament d'ADN ancien ayant été naturellement bien conservé, l'extraire et éventuellement le dépolluer sans le contaminer. Les recherches génétiques étant gourmandes en ADN, une partie du travail consiste également en une amplification de séquences spécifiques. Les avancées technologiques ont permis notamment l'utilisation du NGS (Next generation sequencing ), un accélérateur de séquencage qui traîte plus de gènes avec moins de matière.


Les connaissances au niveau des espèces
La génétique ouvre de nouveaux horizons aux anthropologues. Elle permet d'estimer quelles ont été les relations entre différents groupes humains ou autres, quand ils se sont séparés, quand ils se sont métissés. Elle permet également de mettre en évidence l'existence de flux de gènes entre les espèces… La paléogénétique permet très souvent de confirmer les études anthropologiques mais elle constitue souvent aussi une nouvelle source d'informations.


Représentation Homme de Denisova
Découvrir une nouvelle espèce

C'est l'un des aspects les plus fantatisques de la paléogénétique. L'exemple le plus étonnant reste à ce jour celui de la grotte de de Denisova. Certains ossements retrouvés dans cette grotte de Sibérie ont permis d'y mettre en évidence une présence humaine il y a 50 000 ans. Plusieurs restes humains avaient été retrouvés dans la grotte. Les études anthropologiques indiquaient que successivement des Néandertaliens et des Homo sapiens étaient passés par la cavité. Tout paraissait simple... jusqu'à ce que les fouilleurs envoient au laboratoire les restes d'un os de la main qu'ils voulaient identifier. Quand les résultats sont revenus, la surprise a été de taille car ce petit morceau d'os appartenait... à une espèce inconnue. Là où les chercheurs attendaient un ADN Sapiens ou Néandertalien, le génome appartenait en fait ni à l'un, ni à l'autre, mais bien à un "troisième Homme". Une nouvelle espèce avait été trouvée et identifiée, sans squelette et sans crâne, avec juste quelques ossements et des dents : l'Homme de Denisova. Notons d'ailleurs, que ce petit bout d'os, une phalange, appartenait en réalité à une enfant de sexe féminin... On devrait donc parler plutôt de la femme de Denisova !
Le séquancage permet d'aller encore plus loin: le père de l'enfant était un homme de Denisova et la mère, une néandertalienne. Le paléogénéticien Ludovic Orlando complete en indiqant que "la quantité de différence entre ce génome-là et celui de l'homme de Néandertal a notamment permis d'estimer à partir de quand ces lignées s'étaient séparées au cours de l'évolution : il y a environ 500 000 à 600 000 ans.




Identifier génétiquement une espèce déjà connue par des ossements

En 1997, l'Institut Max Planck réussit une première. A partir du fémur de l'Homme de Néandertal retrouvé en 1856 à Néander (Allemagne), ils identifient une séquence d'ADN qui ne ressemble à rien de connu. Il la comparent aux séquences de plus de 2 000 être humains : la sentence est sans appel, ce brin d'ADN mitochondrial met en évidence les différences de Néandertal. La plublication de l'étude permet de démontrer que Homo sapiens et Homo neanderthalensis sont des espèces humaines distinctes.
Les divergences et mutations des 2 ADN observés donnent également la chronologie d'évolution des espèces soeurs, qui ont dû diverger il y a au moins 500 000 ans.
Concernant nos deux espèces, l'anthopologue généticienne Evelyne Heyer précise : "La part des fragments d'ADN néandertaliens dans le génome européen est d'environ 2%... Ces 2% proviennent d'un génome identique à 99,87% au nôtre. Ainsi, pour un fragment long de 10 000 nucléotides, les ADN provenant de deux Sapiens ne se distinguent que par 10 nucléotides. La même comparaison entre un Sapiens et un Néandertalien fournira un résultat de 13 nucléotides... Autrement dit, le fait qu'un bout de génome vienne de Néandertal n'ajoute que 3 différences pour 10 000."

A gauche, reconstitution de Néandertalien avec des peintures et ornements corporels- Fabio Flogiazza - Photo Neekoo pour Hominides.com
Museo de la evolucion humana - Burgos



Déterminer que certaines unions inter-espèces sont partiellement stériles
On sait maintenant que les Néandertaliens et les Sapiens ont eu des relations intimes. On sait également que ces amours ont donné naissance à de petits métis. Mais ce que les généticiens ont mis en lumière, c'est que l'absence de l’ADN du chromosome sexuel Y néandertalien dans notre génome montre que l'union d'un homme de Néandertal et d'une femme Homo sapiens ne pouvait donner naissance qu'à des filles. Les garçons issus de cette union devaient mourir en couche.
Alors que l'union d'une femme Sapiens et d'un homme néandertalien était prolixe et donnait à la fois des enfants filles et garçons.
La préhistorienne Marylène Patou-Mathis précise : "S'il est génétiquement prouvé que des Néandertaliennes ont eu des rapports sexuels avec des hommes Homo sapiens et qu'elles ont porté des enfants métis, filles et garçons, l'union de femmes Homo sapiens avec des Néandertaliens n'aurait donné naissance qu'à des filles (fausses couches pour les garçons).
C'est donc l'étude comparée du génome actuel des Homo sapiens avec celui des Néandertaliens qui permet d'arriver à la conclusion de ces amours réels mais partiellement stériles."
A gauche, une femme sapiens et un homme néandertalien : pas de descendance masculine.
Image tirée du film Ao le dernier Néandertalien - Jacques Malaterre



Prélèvement des sédiments dans les grottes pour identifier l'ADN MitochondrialIdentifier de l'ADN dans les sédiments
En avril 2017, des scientifiques sont parvenus à isoler pour la première fois de l’ADN humain et animal dans des sédiments, en l’absence de tout ossement fossilisé. Publiée dans la revue américaine Science, cette étude s’est appuyée sur l’analyse de 85 échantillons de sédiments datant du Pléistocène, une période s’étendant de 550 000 ans à 14 000 ans avant notre ère, prélevés dans huit grottes en Belgique, Croatie, France, Russie et Espagne.
Les recherches se sont portées sur les différentes couches de sédiments du sol qui peuvent être riches en ADN suite à la décomposition des corps, les excréments et d’autres fragments de l’organisme.
Les recherches ont permis d'identifier des espèces d'hominidés, des animaux et de la flore qui ont été présents sur ces gisements sans forcément laissé de traces fossiles. Il est donc possible de reconstituer l'espèce humaine qui a visité une grotte, quels animaux elle chassait, alors même que l'on n'a pas trouvé le moindre ossement... ce qui peut s'avérer assez déroutant !
Une grotte ou un gisement qui pouvaient paraître peu pertinents, sans fossiles, peuvent désormais délivrer génétiquement parlant des informations sur leur histoire... Le plus difficile est d'isoler le bon génome car les sédiments peuvent conserver des bribes d'ADN de tous les animaux de passage, y compris les insectes, mais également de virus ou de microbes.


Déterminer la couleur de peau d'un individu
En 1900, en Angleterre, dans la grotte de Gouh's Cave, un squelette fossile est mis à jour. Surnommé l'Homme de Cheddar, l'homme vivait il y a 10 000 ans. C'était un jeune Homo sapiens d'une vingtaine d'années au moment de son décès. Ce chasseur-cueilleur était de taille moyenne. Son visage avait alors été reconstitué avec une peau blanche, qui corrrespondait à ce que les Anglais imaginaient de leurs ancêtres. En 2018, patatras, une étude génétique est réalisée sur un prélèvement effectué dans l’os de son oreille interne... et les résultats sont pour le moins étonnants : l'homme de Cheddar avait en réalité la peau foncée, les yeux bleus et les cheveux bouclés !
Jusqu'alors, les scientifiques pensaient que la peau s'était éclaircie depuis 40 000 ans... mais l'ADN venait de parler : cet Homo sapiens était en réalité encore très mat de peau il y a 10 000 ans.
Bien sûr, si des études étaient réalisées sur d'autres européens de cette période, les résultats seraient identiques !
Photo du fossile de l'Homme de Cheddar exposé au Natural British Museum de Londres. Kroko pour Hominides.com.


Horloge génétique... ou voir depuis quand des espèces se sont séparées

L'horloge moléculaire est un calcul effectué par les généticiens pour déterminer la séparation entre deux espèces ayant un ancêtre commun. L'horloge est basée sur le nombre de mutations détectées dans l'ADN d'un sujet A par rapport à un sujet B. Le rythme calculé des mutations permet d'estimer depuis combien de temps deux espèces ont divergé. C'est un sujet de discussions animées entre scientifiques car la fameuse horloge moléculaire ne donne pas toujours la même heure que les calculs des anthropologues.
Selon une étude parue dans la revue Nature, les lignées Homo Sapiens et Homo neanderthalensis se sont séparées génétiquement il y a 550 000 à 750 000 ans, ce qui est beaucoup plus ancien que ce que les études anthropologiques donnaient. De plus, les études d'ADN montrent que les deux espèces se sont croisées de nouveau il y a 50 000 ans et qu'il y a eu également des accouplements avec d'autres espèces, comme les Dénisoviens. Notre arbre généalogique apparaît de plus en plus compliqué au fur et à mesure des études et découvertes génétiques...
Avec une meilleure compréhension des processus biologiques à l’origine des changements génétiques, les horloges moléculaires deviennent de plus en plus précises. En appliquant ces méthodes à des bases de données ADN enrichies de diverses populations (actuelles et anciennes), les généticiens aident à dater les événements constitutifs et la chronologie de l'évolution humaine.
Illustration : Horlogie moléculaire, Futuretimeline.net.


Les connaissances de la vie quotidienne au Paléolithique
On croyait cela impossible, mais depuis 20 ans il est de plus en plus imaginable de déterminer le mode de vie des hominidés. Les membres de la tribu étaient-ils apparentés ? Les pratiques funéraires étaient-elles réservées à certains membres du clan ?
Ainsi on peut maintenant connaître les proies chassées mais également le type de régime alimentaire. Dans certains cas on a même réussi à retrouver des médicaments naturels choisis. Les comportements humains peuvent être décryptés mais il faut faire attention à ne pas généraliser la découverte d'un site à toute une espèce. Par exemple, si Néandertal consommait des coquillages marins, cette sources de nouriture ne pouvait évidemment exister à cette époque que sur des sites proches de la mer !
Pour le paléoanthropologie Antoine Balzeau, l'apport de la génétique est indiscutable : "Les proies et les proches voisins des hommes préhistoriques peuvent à présent être repérés, et pas uniquement à partir d'ossements complets. Les animaux rares ou seulement là par le biais d'os non identifiables pourront rejoindre l'inventaire. C'est plus qu'utile pour mieux comprendre les comportements des hommes selon les ressources qu'ils se procuraient, ou leur environnement."

Connaître les éventuels liens de parentés entre des individus
Les études des génomes des différents fossiles trouvés sur un même site peuvent permettre d'identifier la présence d'une ou plusieurs lignées. Ainsi, sur le site d'El Sidrón en Espagne, les anthropologues ont exhumé 12 Néandertaliens d'âges et sexes différents : 3 hommes adultes, 3 femmes adultes, 3 adolescents, 2 jeunes enfants et un bébé. La présence de différents fossiles sur un même gisement peut devenir une nouvelle source d'informations sur le mode de vie au Paléolithique. Comment vivaient les Néandertaliens d'El Sidrón, dans un clan mixant plusieurs lignées ? Etaient-ils tous apparentés ? Chaque individu avait-il des origines distinctes ?...
L'analyse de l'ADN mitochondrial (ADNmt), extrait de ces fossiles de 49 000 ans a permis d'établir des liens familiaux entre les 12 Néandertaliens. Ils sont en fait issus de trois lignées maternelles distinctes : une lignée A comptant 7 individus, dont les 3 hommes, une des femmes et au moins l'un de ses enfants ; une lignée B comprenant 4 individus, dont une des femmes et un ou deux de ses enfants; une lignée C représentée uniquement par la troisième femme adulte.
Les relations entre clans pouvaient donc se résumer ainsi : les hommes étaient apparentés et restaient dans le clan alors que les femmes provenaient d'autres lignées et donc participaient principalement au renouvellement du patrimoine génétique.
Image : clan néandertalien Zdenek Burian.




Le régime alimentaire des hominidés

Coup de chance pour les chercheurs, les dents font partie des éléments qui se fossilisent le mieux. Hors, tout comme les êtres humains d'aujourd'hui, nos ancêtres avaient du tartre qui se développait sur les dents. Et ce tartre dentaire s'avère être une sorte de livre de recettes des aliments ingérés par un individu !
En 2017, une étude génétique du tartre des Néandertaliens de plusieurs sites (Spy et d'El Sidrón) a permis de montrer que ces hominidés consommaient de la viande selon les ressources disponibles dans la région. Quand il en avait la possibilité, Néandertal consommait aussi bien des végétaux, des racines, de la viande que des coquillages. Il pouvait également faire cuire ses aliments... Contrairement à l'image de carnassier insatiable diffusée sur les blogs à sensations, Néandertal consommait de tout, comme son cousin Homo sapiens, c'est-à dire nous !. C'est donc l'étude génétique des traces de tartre qui a permis de comprendre que Néandertal était un omnivore dès lors que son environnement le lui permettait !

Image : Emanuela Christiani. Etude des restes dentaires de 9 individus dans les Balkans. Le tartre dentaire avait piégé des restes alimentaires depuis 9 000 ans. 






L'utilisation de médicaments et d'antidouleur !

Toujours à partir du site d'EL Sidron, les Néandertaliens ont laissé dans leur tartre des éléments qui ont surpris les chercheurs. L'un des fossiles souffrait à la fois d'un abcès dentaire qui devait être douloureux vue son évolution, mais également d'un parasite intestinal Enterocytozoon bieneusi qui provoquait de fortes diarrhées. Ce genre de pathologies devait être assez fréquent et classique au Paléolithique. Mais le plus étonnant c'est ce que les chercheurs ont retrouvé dans le tartre dentaire également des traces de peuplier et des moisissures.
Ce Néandertalien était donc doublement malade. Les scientifiques ont eu la surprise de découvrir qu'il se soignait. Il traitait son abcès en ingérant du penicillium, une moisissure (un antibiotique naturel ). Et pour calmer ses douleurs, il ingérait également du peuplier qui contient de l'acide salicylique (le principe actif de l'aspirine).
Sans médecin, Néandertal pratiquait cette sorte d'automédication naturelle, en utilisant des produits proposés de nos jours par les grands laboratoires pharmaceutiques ! Ces hominidés avaient probablement acquis une très bonne connaissance des plantes médicinales et de leurs diverses propriétés antibiotiques ou analgésiques.
Image : les Néandertaliens d'El Sidrón avaient un régime alimentaire agrémenté de champignons sauvages, de pignons de pin, de mousses et d'écorce de bouleau ! Image Andres Diaz/CSIC Communication.


Une pratique funéraire particulière

Dans les années 2000 une sépulture avec deux nouveaux-nés a été découverte sur le site gravettien de Krems-Wachtberg, en Autriche. A proximité, une autre tombe était occupée par un enfant seul âgé de 3 mois à son décès. C'était une découverte importante car les fossiles d'hominidés immatures de cette période sont extrêmement rares : les ossements de nouveaux-nés sont plus fragiles.
La position des corps dans une fosse ovale, l'ocre rouge qui recouvrait les squelettes, les bijoux en ivoire et l'omoplate de mammouth positionnée sur la tombe montrent que les deux petits Homo sapiens ont bénéficié d'un rituel funéraire particulier.
L'étude des dents indique que l'un des bébés est mort-né alors que l'autre a survécu pendant une cinquantaine de jours.
La génétique a apporté dans le cas présent un élément supplémentaire : les squelettes appartenaient en fait à des jumeaux monozygotes, information qui n'aurait pas pu être prouvée sans les recherches sur l'ADN. L'étude de l'enfant de 3 mois a par ailleurs révélé qu'il avait un degré de parenté de troisième niveau.
La sépulture de Krems-Wachtberg est donc la plus ancienne inhumation connue de jumeaux au Paléolithique, il y a 31 000 ans.

A droite :la double tombe de Krems-Wachtberg avec les jumeaux recouverts d'ocre rouge. https://www.nature.com/articles/s42003-020-01372-8





La paléogénétique a fait une entrée fracassante dans nos connaissances, d'un côté sur les homininés et de l'autre sur le mode de vie à la préhistoire. Depuis que les chercheurs ont réussi a nettoyer l'ADN ancien, les recherches sont parties tout azimut car le plus petit brin d'ADN devient exploitable. Complétant les études anthropologiques précédentes la paléogénétique peut également confirmer ou infirmer d'anciennes découvertes.
La génétique ouvre un nouveau champs de possibles aux scientifiques qui peuvent (doivent ?) désormais intégrer ces recherches dans l'étude d'un gisement, d'une stratigraphie complexe ou de simples restes osseux...

Pour le paléogénéticien Ludovic Orlando "...Il est bon de se rappeler que la plupart des données paléogénétiques proviennent d'ossements et de dents et non pas de sang, ni même de certaines zones de notre cerveau connues pour influencer notre comportement alimentaire et agressif selon leur niveau de méthilation de l'ADN. Autant dire que le chemin s'annonce long et périlleux avant que l'on puisse tirer plenement profit de la nouvelle source d'informations ainsi découverte."

CR

Sources

2010 Neandertal organisation familiale a El Sidron
2013 Horloge moléculaire : calcul du taux de mutation dans l'ADN de l'espèce humaine  
2016 Regime alimentaire au mésolithique : la plaque dentaire parle
2016 Incomptabilité entre sapiens et néandertal ?
2017 Auto médication avec prise d'aspirine et d'antibiotique pour les néandertaliens d'El Sidron
2017 Quand la paléogénétique bouleverse l'histoire du passé
2017 De l'ADN dans la stratigraphie
2018 Un britannique de 10 000 ans à ,la peau foncée, auxcheveux bouclés et aux yeux bleus
2019 Comment l'horloge moléculaire donne l'heure de l'espèce humaine
2019 Genetic clock predict lifePan in Vertebrates
2020 Ancient DNA reveals monozygotic newborn twins from the Upper Palaeolithic
2021 Million-year-old mammoth genomes shatter record for oldest ancient DNA


C.R.

Pour aller plus loin

Comparaison Neandertal Sapiens
Paléopathologie
La couleur de peau et les races humaines
Hommes préhistoriques
Maladie dans la préhistoire
Les maladies
à la Préhistoire


A lire...


 
L'ADN fossile une machine à remonter le temps
Ludovic Orlando

L'odyssée des gènes
Evelyne Heyer
Cuvier reconstituait un squelette à partir d’une dent. Deux siècles plus tard, sur la base d’un minuscule fragment d’os, et grâce à des méthodes génétiques de pointe, la découverte de l’homme de Denisova bouleverse le lignage humain en lui ajoutant une espèce qui ne survit que par les traces laissées dans notre ADN. La paléontologie et l’archéologie sont devenues moléculaires.
Plus fort que Jurassic Park, où le passé revit dans la fiction, avec le séquençage de l’ADN, la paléogénétique s’est inventé une vraie machine à remonter le temps, inaugurant un extraordinaire voyage scientifique.

Les gènes sont une fascinante machine à remonter le temps depuis que nous savons faire "parler" non seulement l'ADN des Sapiens actuels, mais aussi celui de nos lointains ancêtres. En nous faisant partager les derniers résultats des laboratoires comme ses péripéties sur le terrain, Evelyne Heyer dévoile un récit qui semblait à jamais inaccessible : celui de l'aventure humaine. Ou comment une espèce, qui s'est séparée des chimpanzés il y a 7 millions d'années à peine, a pu conquérir la planète.
Dans cette grande fresque, vous cheminerez aux côtés de cousins disparus tels Néandertal et Denisova, ou du mystérieux peuple des steppes qui aurait imposé les langues indo-européennes. Au gré des migrations et des mélanges, vous suivrez les juifs de Boukhara, les armées de Gengis Khan ou encore ce millier de "filles du Roy" envoyées par Louis XIV peupler la Nouvelle-France - et aïeules de bon nombre de Québécois...

     
Néandertal, à la recherche des génômes perdus
Svante Pääbo

Généalogie et génétique
La saga de l'humanité : Migrations, Climats et Archéologie
Jean Chaline

Néandertal à la recherche du génome perdu

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"Neandertal : à la recherche des génomes perdus" est une magnifique odyssée qui commence au début de la carrière de l'auteur - alors qu'il étudiait l'ADN des momies égyptiennes dans les années 1980 - jusqu'au fameux séquençage du génome de Neandertal qu'il réalisa en 2009. Cette découverte constitue une véritable révolution scientifique. Elle révèle notamment que de l'ADN de Neandertal est présent dans l'ADN d'une grand partie de l'humanité d'aujourd'hui. Soudain les femmes et les hommes de Neandertal ne sont plus nos cousins lointains mais aussi pour partie nos parents, nos ancêtre directs... La généalogie a subi une révolution en utilisant les nouvelles technologies de la génétique, les marqueurs ADN féminin (ADNmt) et les ADN masculin (ADN-Y) qui permettent d'évaluer notre place dans le « grand arbre de l'histoire humaine ». Ce livre décrit les avancées de la « généalogie génétique » en précisant pour chaque marqueur, son origine, son évolution, son histoire et ses dispersions géographiques au cours du temps. Ceux qui font faire leurs analyses ADN trouveront ici toutes les données utiles pour les interpréter.
       
     


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01/06/21