• Une équipe pluridisciplinaire composée de chercheurs du Muséum national d'Histoire naturelle, du CNRS et de l'INRIA (1) présente pour la première fois une étude des modifications du cerveau au cours de l'évolution de notre espèce, Homo sapiens, depuis 30 000 ans. Les résultats de ce travail seront rendus publics le jeudi 27 janvier à 9h30 au Grand Amphithéâtre du Muséum dans le cadre des 1836èmes Journées de la Société d'Anthropologie de Paris (2).

    Cro-Magnon, un « ancêtre » emblématique

    Point de départ de cette étude, l'endocrâne du spécimen Cro-Magnon 1 a été reconstitué en 3 dimensions grâce aux méthodes d'imagerie puis imprimé physiquement par prototypage. L'endocrâne correspond à l'ensemble des empreintes laissées par le cerveau sur la surface interne du crâne, dont des veines, le réseau méningé ou les marques des différentes zones du cerveau. Cet endocrâne de Cro-Magnon 1 a été décrit et mesuré, ses asymétries quantifiées. Il a ensuite été comparé à tous les endocrânes d'Homo sapiens fossiles bien conservés découverts à ce jour, datés pour la plupart d'il y a environ 30 000 ans. Puis, ces spécimens fossiles ont été confrontés à un échantillon de 102 endocrânes d'Hommes actuels.

    Plus petit, réorganisé, notre cerveau a évolué depuis 30 000 ans

    Les principales spécificités du cerveau d'Homo sapiens se retrouvent chez tous les spécimens fossiles, y compris Cro-Magnon 1. Pourtant, les résultats obtenus illustrent aussi une diminution de la taille du cerveau et sa réorganisation chez notre espèce depuis 30 000 ans. Notre cerveau est plus court, plus bas, comprimé au niveau des lobes frontaux et occipitaux alors que les lobes temporaux et le cervelet se sont élargis, par rapport à nos prédécesseurs. Ceci démontre la plasticité anatomique du cerveau chez Homo sapiens, mais aussi combien les relations entre sa taille et sa forme et les capacités cognitives sont complexes.

     

    Photo_Cro-Magnon

    © A. Balzeau et B. Combès (CNRS/MNHN/INRIA)

    Visuels : l'endocrâne de Cro-Magnon 1 reconstitué en 3 dimensions (en jaune) vu par transparence du crâne (a), asymétries de l'endocrâne de Cro-Magnon 1 et carte de Brodmann (b), modifications de forme de l'endocrâne entre Cro-Magnon 1 (à l'extérieur) et un Homme actuel « moyen » (à l'intérieur) (c).



     


    Notes :

    (1) Antoine Balzeau est chargé de recherche au CNRS (UMR 7194 Muséum national d'Histoire naturelle/CNRS), Florent Détroit et Dominique Grimaud-Hervé sont respectivement maître de conférences et professeur en paléoanthropologie du Muséum national d'Histoire naturelle (UMR 7194 Muséum national d'Histoire naturelle/CNRS), Benoît Combès et Sylvain Prima sont doctorant et chargé de recherche à l'INRIA (EPI VisAGeS), à l'INSERM (U746) et au sein du laboratoire IRISA (Université Rennes I/CNRS).

    (2) 1836èmes Journées de la Société d'Anthropologie de Paris, du 26 au 28 janvier 2011, au Grand Amphithéâtre du Muséum, Jardin des plantes, 57 rue Cuvier, 75005 Paris.

    (3) Le cerveau de Cro-Magnon 1 a d'abord pu être reconstitué en trois dimensions sur l'écran d'un ordinateur, puis grâce à des imprimantes en « 3D », un prototype en plastique de l'endocrâne a été produit. Voir le communiqué de presse du 8 mars 2011 intitulé « Une empreinte du cerveau de l'homme de Cro-Magnon reconstituée en 3D »

    http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2089.htm


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  • Y a-t-il eu métissage entre Homo Sapiens et les populations d'Homo archaïques qu'il a remplacées en Europe (l'homme de Néanderthal) et en Asie (Homo Erectus, l'homme de Denisova) ? Pas forcément, répondent deux bio-informaticiens, l'un du CNRS (1) et l'autre de l'Université d'Uppsala (Suède). Leurs simulations numériques montrent que d'autres événements démographiques pourraient rendre compte de la diversité génétique de notre espèce. Ce travail est publié dans la revue Molecular Biology and Evolution du mois de février 2011.

    Depuis que l'on sait séquencer l'ADN, généticiens et bio-informaticiens s'intéressent de plus en plus aux origines de l'homme. Ils ont montré que l'« Eve mitochondriale » (la femme qui portait le dernier ancêtre commun des mitochondries (2) présentes dans la population actuelle) vivait il y a moins de 200 000 ans, de même que  l'« Adam Y » (l'homme qui portait le dernier ancêtre commun des chromosomes Y actuels). Ensuite, ils ont voulu déterminer les âges des derniers ancêtres communs sur le chromosome X et les chromosomes non sexuels, mais jusqu'à présent, aucun consensus n'avait été atteint sur ce sujet. Certains parlaient d'1 à 1,5 million d'années tandis que d'autres pensaient qu'ils étaient contemporains de l'Eve mitochondriale et de l'Adam Y. L'idée prévalant était que, si les âges anciens des derniers ancêtres communs sur le chromosome X et les chromosomes non sexuels était confirmé, cela impliquait un métissage d'Homo Sapiens avec des hommes plus archaïques (repoussant le dernier ancêtre commun à l'époque où les populations archaïques se sont séparées).


    Deux chercheurs, l'un au laboratoire « Techniques de l'ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, Mathématiques et applications » de Grenoble (3) et l'autre à l'Université d'Uppsala, ont analysé une base publique de données d'ADN, pour calculer les âges des ancêtres communs sur le chromosome X et sur les chromosomes non sexuels. Ils ont trouvé respectivement 1 million et 1,5 million d'années, confirmant l'ancienneté de ces ancêtres.


    Dès lors, ils ont voulu savoir si cela impliquait un métissage. Ils ont réalisé des simulations numériques du devenir du patrimoine génétique des populations humaines selon les deux scénarios classiques habituellement envisagés : dans le premier, après être apparu en Afrique, Homo Sapiens aurait ensuite remplacé les espèces archaïques qui vivaient sur les autres continents. Dans le second, il se serait métissé avec ces populations (en Europe avec l'homme de Neandertal, en Asie avec Homo Erectus,  l'homme de Denisova…). Ces simulations aboutissent à un écart entre l'âge de l'Eve mitochondriale et celui de l'ancêtre commun des chromosomes non sexuels qui présente un rapport de 1 à 4. Or le rapport est en fait de 1 à 8. Ni l'un, ni l'autre des deux scénarios ne peut donc rendre compte, à eux seuls, des données de la génétique.


    En revanche, deux hypothèses pourraient expliquer cet écart. Première hypothèse : avant la migration hors d'Afrique et depuis des centaines de milliers d'années, la population africaine a été morcelée en plusieurs groupes séparés par des barrières géographiques empêchant le brassage des gènes. Les ancêtres commun du chromosome X et les chromosomes non-sexuels dateraient alors d'avant l'isolement des différents groupes. Deuxième hypothèse : un « goulot d'étranglement démographique » a eu lieu il y a environ 150 000 ans, pendant l'avant-dernière glaciation. La rigueur du climat aurait alors provoqué une diminution de la taille de la population africaine. Les gènes présents sur les chromosomes non sexuels auraient franchi ce goulot d'étranglement, c'est-à-dire qu'ils auraient persisté dans la population après le goulot, contrairement aux gènes de l'ADN mitochondrial, qui eux, ne l'auraient pas passé (4).

     
    En conclusion, ce travail montre que l'âge ancien des derniers ancêtres des chromosomes X et non-sexuels n'implique pas forcément un métissage de notre lignée, comme on le pensait jusqu'à présent. En effet, le scénario sans métissage peut également rendre compte, par le biais de l'une ou l'autre des hypothèses des chercheurs (fragmentation ancestrale ou goulot d'étranglement pendant l'avant-dernière glaciation) des résultats obtenus sur les âges des derniers ancêtres communs. A l'avenir, le séquençage  de génomes entiers, en particulier celui de fossiles humains, permettra de tester ces hypothèses. Plus généralement, l'arrivée massive de génomes entiers va nous offrir une occasion sans précédent de mieux appréhender la paléogéographie humaine, et de mieux comprendre comment s'est façonnée la diversité génétique de notre espèce.


    Notes :

    (1) du laboratoire Techniques de l'ingénierie médicale et de la complexité-Informatique, Mathématiques et applications de Grenoble (Université Joseph Fourrier/CNRS/Institut polytechnique de Grenoble/Ecole nationale vétérinaire de Lyon)
    (2) les mitochondries sont de petits organites cellulaires qui participent à la respiration et qui ont la caractéristique de n'être transmis que par la mère. Les chercheurs ont commencé par là, car l'ADN mitochondrial est beaucoup plus petit et facile à extraire que l'ADN nucléaire.
    (3) Université Joseph Fourrier/CNRS/Institut polytechnique de Grenoble/Ecole nationale vétérinaire de Lyon
    (4) Ceci est du à la plus petite « taille efficace » de la population mitochondriale (seules les femmes transmettent les mitochondries et il n'y a qu'une seule copie de chaque gène dans chaque individu, alors que hommes et femmes transmettent leurs chromosomes non-sexuels et chaque individu a deux copies). La différence de taille efficace, de 1 à 4, entraîne directement une chance quatre fois moindre de passer le goulot.

    Références :

    Deep Divergences of Human Gene Trees and Models of Human Origins, Michael GB Blum et Mattias Jakobsson, Molecular Biology and Evolution, numéro de Février 2011 (28(2): 889-898).

    http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2090.htm


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  • Les ailes transparentes de petites guêpes et moucherons font apparaître des couleurs dues à des interférences lumineuses. Ces couleurs constituent un critère supplémentaire pour identifier des insectes.

    Maurice Mashaal

    Les entomologistes ne l'avaient pas vraiment remarqué jusqu'ici : les ailes transparentes de petits diptères (moucherons, moustiques, etc.) ou hyménoptères (des microguêpes) présentent des motifs colorés stables lorsqu'on les observe sur un fond sombre. C'est ce qu'ont découvert Ekaterina Shevtsova et deux collègues de l'Université de Lund, en Suède, avec un autre biologiste de l'Université de Pennsylvanie, aux États-Unis.

    Il s'agit de couleurs créées par interférence de deux ondes lumineuses. La membrane de l'aile de ces insectes, extrêmement mince (jusqu'à un tiers de micromètre d'épaisseur), est faite de chitine transparente, dont l'indice de réfraction est égal à 1,57. Lorsque l'aile est éclairée, une partie (20 pour cent) de la lumière est réfléchie. Cette composante réfléchie est elle-même la superposition de deux ondes : l'une qui a été réfléchie par la face supérieure de l'aile, l'autre par sa face inférieure (du côté interne). Les deux ondes interfèrent, leur déphasage étant lié à l'épaisseur de membrane traversée par la seconde onde. Selon la valeur de cette épaisseur et selon la longueur d'onde lumineuse, l'interférence est alors constructive ou destructive. Ainsi, en lumière blanche, la partie réfléchie par l'aile présente une couleur dominante lorsque l'observation a lieu dans de bonnes conditions (sans lumières parasites et sur fond noir).

    Sur une aile donnée, on a alors un motif coloré, qui résulte des variations d'épaisseur de la membrane alaire et de la présence éventuelle d'autres éléments (poils microscopiques, nervures, pigments, etc.). E. Shevtsova et ses trois collègues ont constaté que ces motifs varient peu au sein d'une même espèce, et que les variations permettent de distinguer des spécimens appartenant à des espèces différentes. En analysant ces motifs, les biologistes ont ainsi pu déterminer que certains insectes très ressemblants n'étaient pas de la même espèce, contrairement à ce que l'on pensait, distinction qui a ensuite été confirmée par un examen minutieux d'autres caractères morphologiques.

    Par conséquent, les couleurs interférentielles des ailes transparentes peuvent constituer un nouveau critère d'identification pour certains groupes d'insectes. Et ces motifs colorés représentent un ingrédient supplémentaire dans l'étude génétique ou comportementale de la signalisation visuelle chez les insectes.

    http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actualite-couleurs-structurelles-sur-ailes-transparentes-26464.php

    E. Shevtsova et al./PNAS
    E. Shevtsova et al./PNAS

    Une drosophile observée sur fond noir. Le motif de couleurs interférentielles apparaît.

    À VOIR AUSSI

    E. Shevtsova et al./PNAS
    E. Shevtsova et al./PNAS

    La même drosophile que plus haut, vue sur un fond blanc. Le motif de couleurs interférentielles n'est plus visible.

    E. Shevtsova et al./PNAS
    E. Shevtsova et al./PNAS

    Ailes de divers diptères (sept premières rangées) et petits hyménoptères. Les motifs colorés sont à peu près stables au sein d'une même espèce.

    POUR EN SAVOIR PLUS

    E. Shevtsova et al.Stable structural color patterns on transparent insect wingsPNAS, vol.108(2), pp. 668-673, 2011.

    J.-M. Courty et É.Kierlik, Le choix de la réflexionPour la Science, n° 332, juin 2005.

    L'AUTEUR

    Maurice Mashaal est rédacteur en chef de Pour la Science.

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  • Les restes de 12 Néandertaliens trouvés dans le même site du Nord de l'Espagne livrent les premiers enseignements sur le comportement familial de cette espèce humaine.

    Jean-Jacques Perrier

    Pour la première fois, l'histoire familiale d'un groupe de Néandertaliens a pu être reconstituée. Carles Lalueza-Fox et ses collègues de l'Institut de biologie évolutive de Barcelone ont étudié les fragments osseux de 12 individus exhumés dans le site karstique d'El Sidrón, dans les Asturies.

    D'après l'analyse morphologique des fragments, tous datés d'il y a 49 000 ans, le groupe comprenait trois hommes, trois femmes, trois adolescents, dont au moins deux garçons, et trois enfants de deux à neuf ans, de sexe indéterminé. Les restes présentent en outre des marques de cannibalisme, ce qui signifie probablement que les individus ont été tués simultanément ou successivement puis dépecés par d'autres Néandertaliens (l'homme moderne n'étant pas arrivé dans la région à l'époque).

    Les paléoanthropologues ont extrait des fossiles leur ADN mitochondrial, hérité de la mère, et l'ont séquencé, définissant ainsi plusieurs lignées génétiques d'origine maternelle. Ils ont aussi recherché la présence du chromosome Y, hérité du père et propre au sexe mâle. Il ressort que sept individus appartiennent à une même lignée, quatre à une deuxième, et un seul, une femme, à une troisième. Les trois femmes étaient chacune d'une lignée maternelle différente, alors que les trois hommes étaient de la même lignée, ce qui laisse supposer qu'ils étaient peut-être frères, oncles ou neveux. Deux des femmes, non apparentées aux hommes, étaient sans doute leurs partenaires, et l'une d'elles était la mère de deux des enfants. La troisième femme, de la même lignée maternelle que les trois hommes (une sœur ou une nièce ?), aurait mis au monde le troisième enfant.

    Des études d'ADN nucléaire seraient nécessaires pour affirmer ces relations de parenté. Quoi qu'il en soit, il semble que le groupe avait un comportement dit patrilocal, commun aujourd'hui : les femmes quittaient leurs clans pour intégrer ceux de leurs conjoints. Enfin, l'âge des deux jeunes frères suggère qu'ils sont nés à trois ans d'intervalle, un écart comparable à celui observé dans les populations de chasseurs-cueilleurs modernes.

    Ces conclusions reposent cependant sur l'hypothèse que les individus sont morts en même temps. Cependant, il reste possible qu'ils soient décédés à différentes époques rapprochées, il y a environ 49 000 ans, et que ce soit la géologie qui ait provoqué leur rassemblement dans les sédiments de la galerie, donnant l'apparence d'un seul groupe contemporain. L'étude géologique montre en effet qu'une galerie supérieure où se seraient trouvés les corps s'est effondrée dans la galerie des Ossuaires où ils se trouvent aujourd'hui, les recouvrant alors de terre et de cailloux. Mais C. Lalueza-Fox et ses collègues ne croient guère à cette hypothèse, notant que « l'accumulation récurrente au cours du temps d'individus victimes de cannibalisme et qui étaient apparentés par la lignée maternelle semble moins plausible ».

    © El Sidrón Research Team
    © El Sidrón Research Team

    La galerie des Ossuaires du site d’El Sidrón où ont été exhumés les fragments osseux néandertaliens.

    À VOIR AUSSI

    © El Sidrón Research Team
    © El Sidrón Research Team

    Une mandibule, un os de la hanche et un péroné néandertaliens trouvés à El Sidrón.

    POUR EN SAVOIR PLUS

    C. Lalueza-Fox et al.Genetic evidence for patrilocal mating behavior among Neandertal groupsPNAS, vol. 108, pp. 250-253, 2011.

    L'AUTEUR

    Jean-Jacques Perrier est journaliste àPour la Science.

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  • Les ammonites, des céphalopodes aujourd'hui éteints, mangeaient du plancton. La raréfaction de ce dernier à la fin du Crétacé a sans doute participé à leur disparition.

    Loïc Mangin

    Les ammonites, des céphalopodes disparus de la famille des calmars, des seiches et des poulpes, sont parmi les fossiles les plus courants, au point de constituer, pour les paléontologues, des marqueurs biostratigraphiques des roches marines du Mésozoïque (–251 à –65 millions d'années). Ces animaux sont apparus au début du Dévonien, il y a 400 millions d'années, ont atteint le maximum de leur diversité au début du Jurassique, il y a 200 millions d'années, et ont disparu avec les dinosaures à la fin du Crétacé, il y a 65,5 millions d'années. Malgré cette abondance, on ignorait tout de leur mœurs et notamment de leur position dans la chaîne alimentaire. En d'autres termes, de quoi se nourrissaient les ammonites ?

    Pour répondre à cette question, une équipe franco-américaine coordonnée par Isabelle Kruta, du Centre de recherche sur la paléobiodiversité et paléoenvironnements (MNHN/CNRS/UPMC) a étudié dans le détail trois fossiles de Baculites, des ammonites « déroulées » de la fin du Crétacé. Ces fossiles ont été mis au jour aux États-Unis, dans le Dakota du Sud. L'examen a été effectué grâce au rayonnement synchrotron de l'ESRF, à Grenoble, qui a permis de reconstituer en trois dimensions les structures analysées, dont l'appareil buccal. Les images obtenues révèlent la présence d'une part, de mâchoires (première vidéo) et, d'autre part, d'une radula, une sorte de langue couverte de dents (seconde vidéo).

    À l'instar des mollusques actuels, cet équipement plaide pour un régime alimentaire fondé sur la capture de petites proies. Pour preuve, l'un des fossiles a révélé les restes d'un petit gastéropode et de trois petits crustacés, dont l'un était coupé en deux. L'absence de tels fossiles planctoniques dans l'échantillon indique qu'il s'agit sans doute du dernier repas de l'animal.

    Ces résultats éclairent différents pans de la vie des ammonites. D'abord, la radiation du groupe des ammonites auquel appartiennent les Baculitespourrait être associée à celle du plancton durant le Jurassique inférieur. De plus, à l'instar des dinosaures, le plancton a été décimé à la fin du Crétacé : la diminution des ressources alimentaires a peut-être précipité la disparition des ammonites.

    © A. Lethiers, UPMC
    © A. Lethiers, UPMC

    Vue d’artiste de trois ammonitesBaculites.

    À VOIR AUSSI

    © S. Thurston
    © S. Thurston

    Fossiles d’ammonites dont un deBaculites (la coquille verticale, à gauche).

    © I. Kruta/MNHN
    © I. Kruta/MNHN

    Reconstruction tridimensionnelle de la radula, un organe en forme de langue et recouvert de dents (en jaune) d’un fossile de Baculites. On distingue aussi les restes du dernier repas de l’animal, un crustacé (en bleu) et un gastéropode (en rose).

    POUR EN SAVOIR PLUS

    I. Kruta et al.The role of Ammonites in the Mesozoic marine food web revealed by jaw preservationScience, vol. 331, pp. 70-72, 7 janvier 2011.

    L'AUTEUR

    Loïc Mangin est rédacteur en chef adjoint à Pour la Science

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