jeudi 12 mars 2009

Neandertal décrypté

L'équipe de l'Institut Max Planck de Leipzig, en Allemagne, vient de séquencer 63% du génome d'un homme de Neandertal en utilisant des outils uniques au monde. Reportage exclusif dans les labos des «experts» !

Le régime alimentaire peut être reconstitué
Aujourd'hui, les dents et les os peuvent renseigner sur le régime alimentaire et la mobilité des hommes fossiles. A droite, Olaf Nehlich étudie les concentrations en isotopes dont la trace est conservée dans le collagène des os. Pour mener ces analyses très précises, il faut éliminer toute contamination humaine ou bactérienne et le laboratoire de Leipzig est l'un des plus stériles au monde.

Les experts refont parler les fossiles

Avec ses scanners uniques au monde, l'Institut Max Planck de Leipzig réexamine de nombreux ossements humains. Et oblige les paléontologues à réviser leurs classiques.

Le précieux crâne du néandertalien du Moustier est délicatement déposé sur la plaque de l'un des deux scanners les plus précis au monde utilisés pour les fossiles. Des réglages de très haute précision ont été spécialement effectués pour le paléoanthropologue Jean-Jacques Hublin, patron du département d'évolution de l'homme de l'Institut Max Planck d'anthropologie évolutive de Leipzig (Allemagne). Trois à quatre heures durant, en cette froide journée de janvier, le fossile est balayé par des faisceaux de rayons X, photographié sous toutes les coutures, et dans toutes ses épaisseurs. Car le «CT scan» (Computer Tomographic scanner) peut produire une série d'images en coupe de très haute résolution, dont chaque tranche mesure à peine 5 micromètres (millionièmes de mètre) ! De quoi radiographier avec une précision extrême cette tête de Homo neanderthalensis. Une rescapée, car c'est tout ce qui subsiste de cet adolescent, découvert en 1907 dans le célèbre abri du Moustier (Dordogne) et acquis par le musée de Préhistoire et de Protohistoire de Berlin : le reste du squelette a été détruit pendant la Seconde Guerre mondiale.
Lors de l'examen d'un crâne, le CT scan génère des dizaines de milliers d'images, soit un fichier informatique d'environ 80 gigaoctects. Pour stocker ces informations, l'Institut Max Planck dispose d'un serveur aux capacités gigantesques : «Nous stockons déjà 300 téraoctects [1012 octets] de données ici. C'est une de nos fiertés», précise Jean-Jacques Hublin. Traitées par un logiciel, la multitude des données ainsi recueillies sur le crâne du Moustier permet de reconstituer l'image du fossile en 3D sur un écran d'ordinateur, en quelques heures seulement. Une véritable performance informatique. «Il y a encore trois semaines, reconstruire l'image d'un crâne nous prenait plusieurs journées de travail, commente Jean-Jacques Hublin. Avec le tout nouveau programme que vient de développer l'un de nos étudiants surdoués, cela ne dure plus que quelques heures. Le temps de reconstruction est désormais égal au temps de saisie. C'est moins cher, nous avons les données utilisables quasiment en direct et la qualité est encore meilleure.»

Les scanners parcourent le monde
Il est loin le temps où, jeune chercheur, le paléoanthropologue hantait les services hospitaliers fermés durant la nuit et le week-end pour scanner des crânes. «Le matériel d'imagerie médicale que j'utilisais alors était conçu pour saisir rapidement des images de corps volumineux, respirant, ne supportant pas de haute dose de radiations, et ne livrait que des tranches de 1 mm ! raconte-t-il. Ce n'était pas franchement adapté à mes recherches. Mais c'était mieux que rien.» Aujourd'hui, cet ancien directeur de recherche du CNRS a fait installer deux scanners à très haute résolution et conçus sur mesure dans son laboratoire. Le petit frère du CT scan est configuré pour les objets de 4 à 5 cm, (dents, fragments osseux), et livre des images en coupe de 0,8 micromètre. Le plus gros «paléo-scan» a coûté 400 000 Euros, sans compter l'aménagement de la salle protégée par des portes de plombs, ni les supercalculateurs nécessaires à l'exploitation des données...
«Lorsque j'ai été recruté par la société Max Planck en 2003 pour créer le département d'évolution de l'homme, dans le tout nouvel Institut d'anthropologie évolutive de Leipzig, je me suis vu confier des moyens substantiels», souligne le chercheur français. Exemple : les appareils peuvent voyager avec les techniciens Heiko Temming et Andreas Winzer, grâce à une sorte de conteneur-laboratoire mobile fabriqué tout exprès. Des fossiles, trop fragiles pour être transportés ou considérés comme de véritables trésors nationaux par les pays qui les possèdent, peuvent alors être radiographiés in situ. C'est ainsi que le CT scan a officié dans des musées du Maroc, d'Afrique du Sud, de Croatie, du Kenya... L'an dernier, en France, il s'est déplacé au Musée national de préhistoire des Eyzies où se tenait une remarquable exposition sur les premières sépultures. Il a scanné le célèbre homme de Kebara, un squelette néandertalien mis en terre il y a 60 000 ans environ en Israël.
Avec cette machine exceptionnelle, Jean-Jacques Hublin rêve de voir se développer des collections de fossiles virtuels, qu'il souhaiterait rapidement accessible à la communauté scientifique mondiale via une vaste banque de données. Mais nombre de conservateurs se font encore tirer l'oreille pour livrer leurs fossiles au scanner, voire pour communiquer les quelques images en 3D dont ils disposent déjà par ailleurs. Certaines équipes scientifiques se considèrent comme propriétaires de ces pièces patrimoniales et en restreignent l'accès à de rares étudiants ou collaborateurs choisis. Dans le monde de la paléontologie, où les restes fossiles sont rares, la compétition est de règle.
Revenons à nos fossiles. Quel est l'intérêt de les numériser à un degré de résolution aussi fin ? «Quand j'étais étudiant, la paléontologie, c'était surtout de l'anatomie comparée, rappelle Jean-Jacques Hublin. Au mieux, on nous envoyait en Belgique ou en Grande-Bretagne - rarement en Afrique sur le terrain - armés en tout et pour tout d'un pied à coulisse et d'un appareil photo.» Les progrès de l'imagerie ont ouvert le champ des possibles.
Pour s'en rendre compte, direction le laboratoire virtuel, installé au troisième étage de l'immeuble de verre ultramoderne qui abrite l'institut de Leipzig. C'est une petite pièce emplie d'ordinateurs reliés à deux écrans géants. Les chercheurs y chaussent d'étranges lunettes pour voir évoluer les images des fossiles scannés en 3D. L'effet est saisissant : sur l'un des écrans ultraplats, les orbites évidées d'un crâne de néandertalien gigantesque ne vous lâchent pas, où que vous vous déplaciez dans la pièce.
Chacune des images peut être manipulée, tronçonnée, et livrer ainsi de nouvelles informations sans que l'on ait à toucher et malmener la pièce originale. «Nous pouvons enlever virtuellement une gangue de sédiments, reconstituer des parties manquantes, ajuster une mâchoire, recoller des dents, corriger une déformation, redresser un crâne écrasé, simuler des transformations, réaliser des études comparatives, multiplier les relevés statistiques... et même imprimer nos fossiles reconstitués en 3D !» résume Jean-Jacques Hublin. «Ce qui est fascinant, c'est que nous avons accès à la structure interne des fossiles», poursuit le chercheur.

Les crânes deviennent virtuels
Justement, l'Autrichien Simon Neubauer est en train de plonger littéralement dans la tête d'un néandertalien de la Ferrassie (Dordogne). Sur l'écran de son ordinateur, il fait opérer au fossile toutes sortes de rotations, le décalotte partiellement, épluche plusieurs épaisseurs crâniennes, zoome jusqu'à pénétrer les conduits de l'oreille interne et plus précisément le canal semi-circulaire. Un organe essentiel dans le sens de l'équilibre et dont on découvre que sa forme est tout à fait originale chez Neandertal, sans que l'on en tire encore de conclusion. «Auparavant, il aurait fallu découper l'os pour avoir accès à cette information. Il n'y a aucun autre endroit au monde où j'aurais pu effectuer ma recherche», sourit le jeune chercheur, venu de l'université de Vienne.
Sa spécialité est l'étude des endocrânes, c'est-à-dire l'ensemble des empreintes laissées par le cerveau sur la surface interne d'un crâne. Elles permettent de reconstruire l'organe manquant en creux. Mais au lieu de faire des moulages à l'ancienne, Simon Neubauer travaille essentiellement sur des endocrânes et des cerveaux virtuels. Il mesure ensuite la moindre de leurs bosses ou courbes en expérimentant un système de points de calculs au maillage ultraserré. «Le but de ma thèse est de comparer les variations de croissance et de taille du cerveau chez les chimpanzés, les hommes modernes et les hommes fossiles, explique-t-il. J'aimerais vérifier si des modèles différents de développement gouvernent l'ontogenèse du cerveau selon les espèces.» L'anthropologue mesure donc des endocrânes virtuels de nourrissons, de jeunes et d'adultes chez chacune de ces espèces.
On sait que chez le chimpanzé, le volume du cerveau représente déjà à la naissance 40% de celui de l'adulte et que sa croissance est pratiquement terminée vers 2 ans. Chez l'homme moderne en revanche, la croissance dure dix années minimum, se remanie encore pendant l'adolescence; le cerveau gagne à l'âge adulte un volume accru de 75% par rapport à la naissance. Un processus plus long pourrait-il expliquer à la fois une plasticité accrue mais aussi des avantages cognitifs chez notre espèce ? Mieux vaut en effet, semble-t-il, ne pas prendre trop vite la grosse tête ! Des travaux, menés en 2004 avec son département et le CNRS de Bordeaux, ont montré que la croissance cérébrale du très vieil Homo erectus (une espèce ayant vécu entre -1,8 et ?-0,5 million d'années), plus proche de celle du chimpanzé que de celle de l'Homo sapiens, était si rapide qu'elle était incompatible avec l'acquisition du langage articulé. Mais quid de Neandertal ? Son modèle de développement cérébral était-il plus primitif que moderne ?
Simon Neubauer s'intéresse plus particulièrement à l'ordre dans lequel les zones cérébrales connaissent leur développement le plus important. «Or la communauté scientifique discute encore pour savoir quelles zones sont plus développées chez Neandertal, doté d'un plus gros cerveau que le nôtre», explique-t-il. S'agit-il des zones frontales ou des lobes pariétaux ? Quand et à quel rythme se sont-ils mis en place ? La question n'est pas anodine, certaines parties cérébrales étant plus impliquées dans les émotions ou liées aux capacités cognitives. Et quelques chercheurs spéculent encore pour savoir si des différences de cet ordre entre néandertaliens et hommes modernes pourraient expliquer la disparition des premiers (lire p. 60), longtemps tenus pour des brutes épaisses.
De son côté, sur un autre écran, le Canadien Matthew Skinner «décapsule» virtuellement des dents. «Autrefois, pour séparer l'émail et la dentine (la zone vascularisée et innervée), il fallait plonger la dent dans des bains chimiques et dissoudre les couches d'émail», raconte-t-il. Désormais, il sépare les deux zones en quelques clics de souris pour mieux les comparer. Les dents sont le matériel fossile le plus abondant au monde, car le plus facilement conservé. Leurs formes diffèrent selon les espèces et les paléontologues ont appris à les classer selon les moindres crêtes, lignes, bosses ou épaisseurs d'émail.
«Regardez les incisives de l'homme de la Krapina (Croatie) (voir la carte p. 62), montre Matthew Skinner à l'écran. Comme chez tous les néandertaliens, elles sont en spatule. Elles ont aussi un angle différent des nôtres. Chez cette espèce, les dents étaient peut-être des outils à part entière, servant à tanner des peaux, par exemple ! A moins que leur forte usure n'ait été provoquée par des abrasifs contenus dans l'alimentation...»
L'un des gros problèmes des paléontologues est qu'ils retrouvent souvent des dents isolées et à la surface très usée. Seuls les fossiles d'individus morts jeunes livrent des dents avec un relief significatif. Le chercheur a donc tenté de déterminer quoi, de la dentine ou de l'émail, contribuait le plus à donner sa morphologie finale à la dent. Bingo ! il s'agit de la dentine. «On va pouvoir ressortir tout un tas de dents étiquetées inconnues des tiroirs, les scanner et déterminer à quelles espèces elles appartenaient», explique-t-il. Ce qui amènera peut-être à reconsidérer les zones de répartition géographique des différentes espèces.
Lorsque la résolution des deux scanners vedettes de Leipzig ne suffit pas, Hublin ou l'un de ses collaborateurs foncent avec leurs précieux fossiles sur une autre machine, le synchrotron de Grenoble. C'est le cas pour certaines dents. En effet, elles retracent l'historique complet d'un individu, dès avant sa naissance et jusqu'à la mort : comme les arbres, elles conservent des «cernes de croissance» et marquent les périodes de stress : sevrage, famine, etc. La spécialiste Tanya Smith - qui vient de quitter l'Institut Max Planck pour l'université Harvard (Etats-Unis) - a sondé plusieurs dents d'enfants et d'adolescents néandertaliens, dont celui du Moustier et celui de Scladina (Belgique), avec les rayons de l'accélérateur de particules du synchroton. Ses travaux montrent déjà qu'ils atteignaient la puberté beaucoup plus tôt que les jeunes sujets modernes.
L'institut de Leipzig affine également d'autres méthodes pour rendre les dents et les ossements plus bavards encore. «Des analyses isotopiques nous renseignent sur le menu des hommes et sur leur migration au cours de l'existence», résume l'étudiant anthropologue Olaf Nehlich, dont c'est la spécialité. Lorsqu'un homme préhistorique (ou moderne) mange un steak de bison, les atomes de la matière qu'il digère proviennent de l'herbe dont sa victime animale s'est elle-même nourrie. Ces atomes changent en passant de l'herbe à la viande de l'herbivore, puis dans l'organisme du carnivore humain. Pour reconstituer les régimes alimentaires des néandertaliens ou des Cro-Magnon, les chimistes étudient donc les transformations des atomes tout comme ils le font pour reconstituer les climats passés.
Le carbone et l'azote, composants essentiels de la matière vivante, existent ainsi sous la forme de plusieurs isotopes plus ou moins lourds, dont les proportions varient selon les plantes : différentes dans les lichens (de la toundra), dans l'herbe (des steppes) et dans les feuilles d'arbre (de forêts denses), par exemple. Ce qui donne aussi des indications sur des endroits où leurs consommateurs se sont approvisionnés. «Le collagène peut bien se conserver dans des os fossiles vieux de 70 000 ans et il nous donne des rapports isotopiques du carbone et de l'azote dans les années qui précèdent la mort de l'individu, note Olaf Lehnich. Tandis que les dents, elles, livrent cette information pour les premières années de la vie des individus.» (Lire l'encadré ci-contre.) Les résultats obtenus sur les néandertaliens montrent un régime alimentaire plus proche de celui des loups ou des hyènes, concernant l'apport en protéines. Ils étaient essentiellement carnivores, sans exclure des compléments végétaux. Pour mener ces travaux, l'une des grandes forces de l'institut de Leipzig est de s'être doté de l'un des laboratoires les plus propres au monde, capable d'éliminer au terme de protocoles rigoureux, toutes sources de contamination sur les échantillons examinés. Les chercheurs touchent cependant aux limites d'application de la technique pour la datation par le radiocarbone dans la tranche de temps -45 000/-30 000 ans. Cette période est cruciale car elle correspond à l'arrivée de l'homme moderne en Europe, puis à sa cohabitation avec Neandertal. Si la technologie s'est spectaculairement améliorée depuis que les spectromètres de masse permettent de compter directement les différents isotopes de carbone, la moindre pollution d'un échantillon peut rajeunir considérablement le résultat. «Une contamination de 1% en carbone moderne peut donner un âge de 33 000 ans pour un objet qui a en réalité 40 000 ans», résume l'Italienne Sahra Talamo, spécialiste des datations par radiocarbone. Néanmoins, l'Institut Max Planck est, avec l'université d'Oxford (Grande-Bretagne), le seul institut au monde à pratiquer la méthode d'ultrafiltration qui permet, en principe, d'éliminer toute source de contamination en matière organique moderne.
Résultat : un véritable bouleversement dans les datations ! A chaque réévaluation de l'âge de fossiles déjà estimé par ailleurs, les nouvelles méthodes les «vieillissent souvent de plusieurs milliers d'années», note Jean-Jacques Hublin. Ainsi les néandertaliens de Vindija (Croatie) semblaient montrer que l'espèce avait survécu jusqu'à il y a 28 000 ans dans cette région... Ils dateraient en réalité de -32 000 ans au moins ! Bref Neandertal a peut-être vécu moins longtemps qu'il n'y paraît. Fort de ces résultats, Leipzig et Oxford ont donc décidé de reprendre de nombreuses datations. Pour affiner les calendriers, un autre chercheur de Leipzig, Daniel Richter, utilise une nouvelle méthode de datation par luminescence. Plus rapide et plus fiable, cette technique nécessite de recueillir moins de matériel (on peut se contenter de silex brûlé, de sédiments...) pour en étudier les radiations. Les premiers résultats vieillissent eux aussi les dates d'occupation de sites d'hommes modernes, en République tchèque notamment. Le chercheur imagine même que l'espèce concurrente de Neandertal a pu y débarquer plus tôt que prévu, dès il y a 50 000 ans, en provenance de l'est, lors d'une éventuelle première migration. «Des milliers de datations, parfois effectuées il y a des décennies, sont à revoir !» conclut avec gourmandise Jean-Jacques Hublin. Et c'est toute notre compréhension de la rencontre entre modernes et néandertaliens qui risque d'en être bouleversée !

Les dents témoignent des migrations
Michael Richards, de l'institut Max Planck de Leipzig, a utilisé une nouvelle technique pour déterminer les déplacements d'un individu ou d'une population pendant sa vie. Il a analysé une dent datée de - 40 000 ans appartenant à un néandertalien découvert en 2002 dans une grotte de Grèce. Cette molaire s'est formée lorsque le jeune néandertalien avait environ 9 ans. En prélevant - grâce à la technologie laser - un microscopique morceau d'émail, le chercheur a pu en déterminer le taux de strontium. Une donnée importante car le strontium s'est déposé lors de la formation de la dent, durant l'enfance, et son taux est fonction de l'alimentation et de l'eau ingérée. Les scientifiques ont ainsi déterminé que notre jeune néandertalien avait sans doute vécu dans sa petite enfance sur un site formé de roches volcaniques anciennes. «Nos tests montrent qu'il a dû vivre dans des endroits différents entre son enfance et sa mort... Les preuves indiquent qu'il s'est déplacé dans un périmètre relativement large de 20 km ou plus lors de sa vie...», expliquent les chercheurs. Jusqu'alors, on se fondait essentiellement sur les outils découverts parmi un groupe d'hommes et sur la distance par rapport à leurs gisements d'origine. Désormais, grâce au strontium, on pourrait suivre à la trace les déplacements des chasseurs-cueilleurs.

Source : Sciences et Avenir de mars 2009