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Sciences

Le passé caché dans les molécules

27-06-2019

Image: Shutterstock

Pour reconstituer le passé, les scientifiques ne se contentent plus d’assembler des fossiles ou d’étudier des éclats de silex. Ils s’appuient aujourd’hui sur des techniques moléculaires d’une précision extrême, qui récrivent l’histoire du monde.

Sur l’écran, la dent numérisée en 3D tourne sur elle-même, sous l’œil satisfait de Josh Lindal, qui vient de programmer l’animation. «C’est dur de rendre une dent intéressante», lance ce jeune anthropologue de l’Université de Winnipeg en s’excusant presque. Pourtant, la molaire en question, précieusement gardée dans un laboratoire en Allemagne, n’a rien de banal. «C’est une molaire de Néandertal», assure le chercheur, détaillant la largeur des « pics » dentaires caractéristiques d’Homo neandertalensis.

C’est Josh Lindal qui a authentifié la dent trouvée au milieu de fragments d’os d’animaux exhumés en 2015 d’une grotte en Serbie, où l’équipe de Winnipeg organise des fouilles tous les étés. « C’est la première preuve formelle de la présence des Néandertaliens en Serbie », souligne le chercheur, qui a décrit sa trouvaille âgée de 100 000 ans dans le Journal of Human Evolution en juin dernier.

Pour l’instant, la dent est le seul vestige humain mis au jour dans la grotte par l’équipe. Si le butin peut sembler mince après des mois de fouilles, il n’en est rien. La morphologie de la molaire n’est que la partie visible d’un iceberg d’informations. C’est vrai pour la moindre dent retrouvée, mais aussi pour les os, les outils en pierre, les poteries ou même les excréments fossiles. Tous ces artéfacts peuvent livrer une multitude de renseignements allant de l’état de santé d’un individu au type de gibier qu’il mangeait en passant par les traumatismes qu’il a vécus ou même l’âge auquel il a été sevré ! On peut aussi en tirer des conclusions sur les épidémies passées, les mouvements de population, la domestication de diverses espèces et l’évolution de l’agriculture.

« Pendant longtemps, en archéologie, on s’est contentés de ce qu’on pouvait voir à l’œil nu, mais les informations étaient limitées. Aujourd’hui, on réalise que, en plongeant dans les plus petites échelles d’analyse, notre résolution est bien meilleure ! » se réjouissait Christina Warinner, « archéogénéticienne » à l’Institut Max-Planck de la science de l’histoire humaine, au congrès de l’Association américaine pour l’avancement des sciences organisé à Washington en février 2019. L’image du chercheur fouillant le sol à la truelle et au pinceau n’est pas totalement révolue, mais s’y ajoutent désormais le séquençage de l’ADN, la recherche de génomes microbiens, la détection de protéines et de lipides, les analyses de la composition chimique de l’émail des dents…

Images: JEAN-JACQUES HUBLIN / MPI-EVA, LEIPZIG; JOSH LINDAL

Autant dire que, avec une molaire entière, Josh Lindal a bon espoir de faire des découvertes marquantes. En fait, mieux vaut tomber sur une dent que sur un os : c’est ce qui résiste le mieux au temps et c’est un véritable registre de la vie d’un individu. Dans sa conférence, Christina Warinner a fait l’éloge de la plaque dentaire. « C’est l’un des trucs les plus cool du monde ! Le tartre est la seule partie de l’organisme qui se fossilise pendant qu’on est encore vivant, car il est entièrement minéral. Il grossit avec des cernes de croissance, comme les arbres, informant ainsi sur les différentes périodes de vie. On y trouve des protéines et de l’ADN bactérien, mais aussi des résidus alimentaires ou des molécules du système immunitaire ! »

La molaire néandertalienne, quant à elle, appartenait à un enfant et n’est donc pas très entartrée. Mais elle va livrer son génome, qui sera séquencé sous peu en Allemagne. « Le séquençage est presque devenu la norme », dit Josh Lindal, impatient d’en savoir plus sur le ou la propriétaire de la quenotte esseulée.

Les secrets de l’ADN

L’ADN résiste étonnamment bien aux affres du temps et n’est pas l’apanage des homininés. « On peut en trouver dans tout ce qui a été vivant un jour, des plantes aux microbes en passant par les espèces animales et humaines, éteintes ou non. L’ADN ancien est une fenêtre directe sur le passé, c’est un outil très puissant », s’enthousiasme Bastien Llamas, paléogénéticien à l’Université d’Adélaïde, en Australie.

Rien n’illustre mieux la puissance de l’ADN ancien que la découverte fortuite, en 2010, d’une espèce humaine jamais décrite. Tout est parti d’une minuscule phalange découverte deux ans plus tôt en Sibérie, dans la grotte de Denisova.

À priori, rien d’extraordinaire. Sauf que l’os, âgé de plus de 40 000 ans, contenait encore de l’ADN, que l’équipe de Svante Pääbo, de l’Institut Max-Planck d’anthropologie évolutionniste de Leipzig, en Allemagne, a pu décrypter.

Résultat de cette enquête ? La propriétaire de l’os, une petite fille d’environ six ans, appartenait à une espèce d’homininé proche de Néandertal, mais suffisamment distincte pour qu’on doive ajouter une nouvelle branche à l’arbre généalogique de l’humanité : les «Dénisoviens». Et en 2018, nouveau coup de théâtre ! La même équipe a séquencé l’ADN d’un autre os mis au jour sur les lieux, celui d’une jeune fille née d’un père dénisovien et d’une mère… néandertalienne. De quoi éclairer d’un nouveau jour les interactions humaines, comme l’avait fait en 2014 la publication du génome néandertalien par l’équipe de Svante Pääbo.

L'ADN ancien est une fenêtre directe sur le passé, c'est un outil très puissant.

Bastien Llamas, paléogénéticien à l’Université d’Adélaïde

Certes, on ne sait pas grand-chose des Dénisoviens, mais la preuve moléculaire de leur existence est une sacrée révélation ! D’autant qu’on trouve encore des traces de leur génome chez les humains d’aujourd’hui en Océanie et en Asie.

« L’information génomique ne renseigne pas uniquement sur l’individu : elle permet de lever le voile sur l’histoire de toute une population, car l’ADN est hérité des parents et de tous les ancêtres avant eux », reprend Bastien Llamas, qui utilise l’ADN pour étudier entre autres l’évolution des bisons, celle de marsupiaux disparus il y a 42 000 ans et les anciens peuples d’Amérique centrale. « Grâce aux génomes préhistoriques, on a appris en 2014 que les Européens actuels ont trois lignées ancestrales : des chasseurs-cueilleurs d’Europe, des fermiers du Proche-Orient et des pastoralistes des steppes russes. Sans l’ADN, il aurait été impossible de le savoir », ajoute-t-il.

On comprend pourquoi la communauté paléoanthropologique s’est emballée pour la technique. Fin 2010, seuls cinq génomes anciens avaient été séquencés. On approche maintenant de la barre des 2 000 génomes humains anciens, sans compter ceux des autres espèces ! « Cette explosion est liée à l’évolution des techniques de séquençage. Depuis 2007, les machines sont capables de séquencer des milliers de petits bouts d’ADN en parallèle : c’est donc parfaitement adapté à l’ADN ancien, qui est très fragmenté », observe Bastien Llamas.

Évidemment, cette extrême fragmentation, due aux agressions du temps, rend l’opération délicate et la paléogénétique a ses limites. D’abord, les coûts sont faramineux et seule une poignée de laboratoires dans le monde possède l’expertise pour effectuer les analyses en évitant toute contamination. Ensuite, dans certaines régions, tropicales notamment, l’ADN se dégrade trop vite. L’homme de Florès, découvert en Indonésie, s’est d’ailleurs montré réfractaire à toutes les tentatives de séquençage.

Enfin, il y a une limite temporelle. « En général, on arrive à remonter à 40 000 ou 60 000 ans, même si dans certaines conditions, comme dans des grottes profondes, on a trouvé de l’ADN conservé depuis 500 000 ans », poursuit l’expert. Le record ? Le génome d’un cheval exhumé du pergélisol au Yukon et âgé de 700 000 ans.

Pour sa thèse de doctorat, réalisée à l’Université de Montréal au Laboratoire d’archéologie de l’Anthropocène et à l’Université de Gênes, Geneviève Pothier-Bouchard analyse le collagène des os trouvés dans des grottes préhistoriques en Italie. Le site a été occupé successivement par des Néandertaliens et par des Homos sapiens. Photo: Jean-François Hamelin

Increvables protéines

Notez qu’on est encore loin du Parc Jurassique et de son ADN de dinosaure ! En revanche, les protéines, elles, sont des championnes de longévité, capables de rester intactes plusieurs millions d’années dans les archives fossiles. Les préhistoriens s’y intéressent depuis le tournant des années 2000, mais la « paléoprotéomique » est en plein essor grâce à l’amélioration des techniques de détection et d’analyse. À preuve, en 2016, des experts de l’Université de York, au Royaume-Uni, ont pu analyser des protéines dans la coquille d’un œuf d’autruche de 3,8 millions d’années. En 2017, deux équipes ont même affirmé avoir récupéré du collagène dans les os de dinosaures de 80 millions et même de 195 millions d’années, non sans susciter le scepticisme chez certains paléontologues. Quoi qu’il en soit, quand l’ADN n’est plus là pour parler, il y a de bonnes chances que les protéines puissent prendre le relais. L’intérêt, c’est que les protéines sont fabriquées par les cellules en suivant scrupuleusement la « recette » dictée par l’ADN. Autrement dit, décoder leur composition revient à lire indirectement le génome d’origine.

C’est ce qu’a démontré de façon éclatante l’analyse d’une mâchoire mise au jour au Tibet et dévoilée en mai 2019 dans Nature. Âgée de 160 000 ans, elle ne contenait plus d’ADN exploitable. Mais l’équipe chinoise qui l’a étudiée, en collaboration avec l’Institut Max-Planck de Leipzig, a réussi à récupérer du collagène intact dans l’ivoire des dents. Les protéines ont révélé un génome dénisovien, le premier trouvé hors de la grotte de Denisova ! La découverte est immense, puisqu’elle indique notamment que ces humains avaient colonisé les plateaux tibétains à plus de 3 000 m d’altitude bien avant l’arrivée des Homo sapiens.

Geneviève Pothier-Bouchard, doctorante en anthropologie à l’Université de Montréal. Photo: Jean-François Hamelin

« Le collagène est très robuste. C’est une protéine composée de trois chaînes d’acides aminés, et l’une d’elles est assez variable d’un mammifère à l’autre », explique Geneviève Pothier-Bouchard, doctorante en anthropologie à l’Université de Montréal. Ainsi, la « recette » du collagène, que contiennent en abondance les os fossiles et les dents, est différente d’une espèce à l’autre. « En analysant sa composition, on peut discriminer un fossile de chèvre de celui d’un mouton par exemple », dit-elle. Ou de sapiens et de Dénisovien, en l’occurrence. Geneviève Pothier-Bouchard, elle, utilise le collagène des os pour étudier les « restants de table » de Néandertaliens et d’Homo sapiens sur un site en Italie. « Les os sont pulvérisés : je ne pourrais pas en identifier plus de un pour cent si je n’avais pas recours à l’analyse du collagène », note-t-elle. Elle a déjà pu montrer que les occupants du site mangeaient surtout des cervidés, des animaux peu mobiles. « Ces humains se déplaçaient très loin pour aller chercher de la pierre, mais ils chassaient autour de leur site d’occupation », observe-t-elle.

Sa méthode, appelée ZOOMS (pour « zooarchéologie par spectrométrie de masse »), a été mise au point au Royaume-Uni en 2009 et consiste, en gros, à scinder les protéines de collagène et à déterminer la masse de chaque tronçon. « C’est un peu comme obtenir le code-barres du collagène », signale la jeune femme, qui collabore d’ailleurs avec l’inventeur de la technique. L’avantage ? « C’est beaucoup moins cher que l’analyse d’ADN et cela permet d’examiner jusqu’à 1 000 fragments d’os par semaine », fait-elle remarquer. C’est d’ailleurs grâce à la ZOOMS que des chercheurs de l’Institut Max-Planck de Leipzig (encore eux !) ont pu passer au crible la grotte de Denisova. Ils avaient exhumé 2 000 fragments d’os, dont l’immense majorité appartenait à des animaux. Mais ils ont pu déceler rapidement du collagène humain dans 5 ossements, ce qui leur a permis de découvrir le fameux fossile mi-dénisovien, mi-néandertalien. Un coup d’accélérateur technique, doublé d’un bon coup de chance.

Seul hic, la spectrométrie de masse comme l’analyse d’ADN endommagent les précieux échantillons. C’est pourquoi April Nowell opte plutôt pour l’électrophorèse : rapide, pas trop chère et non destructive. Pour faire court, cette jeune archéologue de l’Université de Victoria utilise des anticorps, sortes d’aimants qui se fixent à certaines protéines dont elle soupçonne la présence.

excavation grotte

C’est dans cette grotte tibétaine qu’a été trouvée par hasard la mandibule dénisovienne, en 1980. L’équipe chinoise qui a mené les analyses de protéines sur la mandibule a décidé d’excaver la grotte. Image: DONGJU ZHANG / UNIVERSITÉ DE LANZHOU

C’est un de ses collègues qui l’a convaincue d’essayer la méthode en 2016, alors qu’elle étudiait des outils en pierre probablement taillés par des Homo erectus il y a 250 000 ans en Jordanie. « Je n’y croyais pas trop, mais on a sélectionné des outils très usés, avec de nombreuses microcrevasses dans lesquelles de la chair, du sang et de la graisse sont restés emprisonnés. Et l’on y a décelé des protéines de canard, de cheval, de chameau, de bovin, de rhinocéros et d’éléphant d’Asie ! » énumère-t-elle, encore surprise par la variété des espèces dépecées et donc des techniques de chasse de ces humains primitifs. À ce jour, ce sont les protéines les plus anciennes jamais retrouvées sur des outils en pierre.

En déchiffrant l’infiniment petit, les préhistoriens s’autorisent une relecture complète du passé, accédant à des détails invisibles jusqu’ici. Et ce n’est que le début. En 2017, l’équipe de Svante Pääbo a trouvé de l’ADN de Néandertaliens dans les sédiments de quatre grottes eurasiennes… sans toucher au moindre fossile ! Préservé dans les différentes couches de sol, l’ADN provient des excréments ou des tissus mous des personnes ayant occupé le site il y a des millénaires. L’équipe allemande essaie d’ailleurs d’en repérer dans la grotte où travaille Geneviève Pothier-Bouchard et dans laquelle aucun ossement humain n’a encore été découvert. Parmi les autres techniques émergentes, l’analyse de l’épigénome, c’est-à-dire des marques chimiques accrochées au génome qui régulent l’expression des gènes, commence à montrer son potentiel. « C’est un de mes dadas en ce moment, lance Bastien Llamas. Les marques de méthylation résistent plutôt bien à l’usure du temps. Je les étudie sur de l’ADN de bison de 49 900 ans ! » L’intérêt, c’est que la méthylation donne des indices sur le type de gènes exprimés et donc sur l’anatomie, l’adaptation à l’environnement, le mode de vie, etc.

Voilà un beau pied de nez à ceux qui pensent que l’étude du passé est une science « molle ». « En fait, c’est tout le contraire, assure Bruno Maureille, spécialiste français des Néandertaliens. Les paléoanthropologues et les préhistoriens en général ont toujours été à l’affût des innovations scientifiques. Ils intègrent très rapidement les nouvelles méthodologies : au début du 20e siècle, les premiers ossements radiographiés étaient d’ailleurs des ossements néandertaliens ! » Reste que ces outils ne dispensent pas du travail de base : passer les grottes au peigne fin, déterrer des fossiles, puis interpréter les données. C’est pourquoi Josh Lindal passera encore une bonne partie de son été en Serbie à gratter des carrés de fouilles, centimètre par centimètre. Il ne se fait pas d’illusion : ses chances de trouver une autre dent humaine, au milieu des os d’ours et de bouquetin, restent infimes.

laboratoire ADN ancien

Au laboratoire de l’Institut Max Planck, un chercheur extrait de l’ADN ancien dans une salle blanche pour éviter toute contamination. Image:
MPI FOR EVOLUTIONARY ANTHROPOLOGY

Voir de loin, à travers… ou de très près

Il suffit parfois de prendre de la hauteur pour enfin voir ce qu’on avait sous le nez. Le lidar, une méthode de télédétection par laser, le prouve depuis une dizaine d’années en révélant des vestiges archéologiques plus spectaculaires les uns que les autres.

Rien qu’en 2018, plus de 60 000 structures mayas ont été découvertes grâce à cette méthode, qui consiste à balayer la surface d’un territoire avec des impulsions laser émises d’un avion ou d’un drone. En « rebondissant » au sol, les faisceaux laser informent sur les reliefs du terrain, qui peuvent être décelés au centimètre près, y compris sous l’épaisse jungle du Guatemala et du Belize.

« La technique existe depuis plusieurs décennies, mais elle n’était pas au point. En 2009, une équipe au Belize a enfin pu utiliser le lidar pour la première fois sur une zone étendue et a mis au jour le site maya de Caracol. Ça a été une inspiration pour beaucoup d’entre nous », explique Damian Evans, de l’École française d’Extrême-Orient, qui étudie Angkor, au Cambodge, grâce à ce laser héliporté.

Rien de mieux pour cartographier rapidement de vastes sites archéologiques ou pour tomber sur des trésors cachés. Outre les cités archéologiques tropicales, encore très peu connues, le lidar a permis de découvrir des monuments néolithiques enterrés en Irlande, une forteresse millénaire au Danemark et une cité du 15e siècle en Afrique du Sud.

D’autres techniques comme la thermographie à l’infrarouge et la radiographie à base de muons sont pour leur part employées depuis quelques années en Égypte pour littéralement voir au travers des murs des grandes pyramides. Du côté des fossiles, l’imagerie de pointe est elle aussi réquisitionnée. On ne compte plus les momies échographiées ou passées dans un tomodensitomètre (scanner).

Le Muséum national d’histoire naturelle de Paris, par exemple, scrute en détail tout ce qui garnit ses collections : météorites, instruments de musique, animaux et fossiles. « Nous avons un microtomographe avec deux émetteurs de rayons X qui permet de recueillir des données d’imagerie à des résolutions plusieurs fois supérieures à celles des scanners médicaux », dit Antoine Balzeau, codirecteur de cette plateforme nommée AST-RX. Le paléoanthropologue a récemment mis en évidence des traces d’une maladie, la neurofibromatose, sur le crâne d’un homme de Cro-Magnon. « Je travaille sur la forme du cerveau des homininés, dont les empreintes sont conservées sur la face interne des crânes », ajoute-t-il. Une façon de « voir » des cerveaux pourtant disparus depuis belle lurette.

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