Parenté, datation et évolution des hominidés
Dans une vitrine du musée de l'Homme, à Paris, un crâne d'australopithèque côtoie celui d'un Homo sapiens. Comment sait-on que nous sommes plus proches des chimpanzés que des orangs-outans, et comment peut-on affirmer qu'un fossile a 2 millions d'années ? Dans cette page, tu vas apprendre à raisonner sur des données chiffrées : différences de séquences, désintégrations radioactives, taux de mutation.
Parenté et arbres phylogénétiques
Deux espèces qui descendent d'un ancêtre commun récent ont eu peu de temps pour accumuler des mutations. Plus leur ancêtre commun est ancien, plus leurs séquences d'ADN diffèrent.
On exprime souvent la ressemblance de deux génomes en pourcentage. Si deux séquences sont identiques à $98{,}8\,\%$, alors elles diffèrent à $100 - 98{,}8 = 1{,}2\,\%$. Sur $N$ paires de bases, le nombre de différences attendu est $N \times \dfrac{\text{pourcentage de différence}}{100}$.
Construire un arbre à partir d'un tableau
Avec plusieurs espèces, on compte les différences deux à deux. Les paires qui diffèrent le moins se regroupent en premier : elles ont l'ancêtre commun le plus récent.
| Paire | Différences |
|---|---|
| humain – chimpanzé | 8 |
| humain – gorille | 14 |
| chimpanzé – gorille | 15 |
| humain – orang-outan | 26 |
Le plus petit nombre (8) relie humain et chimpanzé : ils forment un groupe. Le gorille s'y rattache ensuite (14 et 15, valeurs proches), puis l'orang-outan, le plus éloigné.
Le génome de l'être humain et celui du chimpanzé sont identiques à environ $98{,}8\ \%$ pour les séquences comparables. a) Calculer le pourcentage de différence. b) Pour…
Le génome de l'être humain et celui du chimpanzé sont identiques à environ $98{,}8\ \%$ pour les séquences comparables.
- a) Calculer le pourcentage de différence.
- b) Pour une séquence de $3\times10^9$ paires de bases, calculer le nombre de différences attendues.
- c) Expliquer ce que ce résultat indique sur la parenté.
Le tableau donne le nombre de différences entre séquences d'un même gène : humain–chimpanzé : $12$ ; humain–gorille : $18$ ; humain–orang-outan : $30$ ;…
Le tableau donne le nombre de différences entre séquences d'un même gène : humain–chimpanzé : $12$ ; humain–gorille : $18$ ; humain–orang-outan : $30$ ; chimpanzé–gorille : $19$.
- a) Déterminer quelle espèce est la plus proche de l'humain.
- b) Construire l'arbre de parenté correspondant en le décrivant avec des mots.
- c) Vérifier la cohérence avec la donnée chimpanzé–gorille.
Les hominidés fossiles et l'échelle des temps
La lignée humaine s'est séparée de celle du chimpanzé il y a environ $7$ millions d'années, soit $7\times10^{6}$ ans. Depuis, plusieurs espèces ont existé : des australopithèques, puis des espèces du genre Homo (Homo erectus, Homo neanderthalensis, Homo sapiens…). Plusieurs ont vécu en même temps : l'évolution humaine est un buisson et non une ligne droite.
On caractérise les fossiles par des mesures : capacité crânienne (en $\text{cm}^3$), forme du bassin (bipédie), dentition, outils associés.
Un seul caractère ne définit pas un genre. La capacité crânienne varie beaucoup au sein d'une même espèce et certains Homo ont un cerveau petit. On regroupe les espèces sur un ensemble de caractères (bipédie, dents, outils, morphologie du crâne).
Pour les durées, on convertit et on divise par la durée d'une génération. Si une génération dure $25$ ans : $\dfrac{7\times10^{6}}{25} = 2{,}8\times10^{5}$ générations depuis la séparation avec le chimpanzé.
La capacité crânienne est de $400\ \text{cm}^3$ chez un australopithèque, $900\ \text{cm}^3$ chez Homo erectus* et $1\,350\ \text{cm}^3$ chez Homo sapiens*. a) Calculer…
La capacité crânienne est de $400\ \text{cm}^3$ chez un australopithèque, $900\ \text{cm}^3$ chez Homo erectus et $1\,350\ \text{cm}^3$ chez Homo sapiens.
- a) Calculer l'augmentation en pourcentage entre l'australopithèque et Homo erectus.
- b) Calculer l'augmentation en pourcentage entre Homo erectus et Homo sapiens.
- c) Expliquer pourquoi la capacité crânienne seule ne suffit pas à définir le genre Homo.
La lignée humaine et celle du chimpanzé se sont séparées il y a environ $7$ millions d'années. a) Convertir cette durée en années en notation scientifique. b) Si une…
La lignée humaine et celle du chimpanzé se sont séparées il y a environ $7$ millions d'années.
- a) Convertir cette durée en années en notation scientifique.
- b) Si une génération dure $25$ ans, calculer le nombre de générations depuis la séparation.
Une espèce du genre Homo* a vécu entre $1{,}9$ et $0{,}1$ million d'années avant le présent. a) Calculer la durée d'existence de l'espèce en années. b) Si la population…
Une espèce du genre Homo a vécu entre $1{,}9$ et $0{,}1$ million d'années avant le présent.
- a) Calculer la durée d'existence de l'espèce en années.
- b) Si la population moyenne était de $10\,000$ individus avec une génération de $25$ ans, calculer le nombre approximatif de générations.
- c) Expliquer pourquoi une espèce fossile n'est connue que par un nombre limité de fossiles.
Dater : la radiochronologie
Pour donner un âge à un fossile ou à une roche, on utilise des éléments radioactifs qui se désintègrent à vitesse connue.
Pour le carbone 14, $T = 5\,730$ ans. Observe la décroissance : à chaque demi-vie, il reste la moitié de ce qu'il y avait.
Pourquoi cette loi ? À chaque instant, chaque noyau a la même chance de se désintégrer : plus il en reste, plus il en disparaît, d'où une décroissance de moitié en moitié.
Choisir le bon chronomètre
Le carbone 14 est utilisable jusqu'à $50\,000$ ans environ : au-delà, il en reste trop peu pour être mesuré. Pour les fossiles de plusieurs millions d'années, on utilise un isotope de demi-vie bien plus longue, comme le potassium 40 ($T = 1{,}25$ milliard d'années). Il se trouve dans les roches volcaniques : une coulée ou un dépôt de cendres, riche en $^{40}\text{K}$, se solidifie à un instant précis, ce qui « remet l'horloge à zéro ». Les fossiles d'Afrique de l'Est (vallée du Rift, zone volcanique) sont pris entre deux couches volcaniques datables ; leur âge est encadré par ces deux dates.
Le carbone 14 a une demi-vie de $5\,730$ ans. Un os d'un site préhistorique contient $12{,}5\ \%$ du carbone 14 initial. a) Déterminer le nombre de demi-vies écoulées.…
Le carbone 14 a une demi-vie de $5\,730$ ans. Un os d'un site préhistorique contient $12{,}5\ \%$ du carbone 14 initial.
- a) Déterminer le nombre de demi-vies écoulées.
- b) Calculer l'âge de l'os.
- c) Expliquer pourquoi cette méthode est inadaptée pour des fossiles de plusieurs millions d'années.
La méthode potassium-argon utilise la désintégration du $^{40}\text{K}$ (demi-vie $1{,}25$ milliard d'années). Une roche volcanique contient une fraction $f$ de…
La méthode potassium-argon utilise la désintégration du $^{40}\text{K}$ (demi-vie $1{,}25$ milliard d'années). Une roche volcanique contient une fraction $f$ de $^{40}\text{K}$ restant telle que $f=0{,}9988$ par rapport à l'initial.
- a) Écrire la loi $f=\left(\dfrac12\right)^{t/T}$ et exprimer $t$.
- b) Calculer l'âge $t$ de la roche, en années (arrondi au millier).
- c) Expliquer pourquoi cette méthode convient à la datation des couches encadrant des fossiles d'hominidés d'Afrique de l'Est.
L'horloge moléculaire
Les mutations s'accumulent dans l'ADN à un rythme à peu près régulier. Si on connaît ce taux de mutation $\mu$ (en substitutions par site et par an), on peut estimer depuis combien de temps deux espèces se sont séparées.
Point clé : après la séparation, chaque lignée accumule des mutations de son côté. Pendant $t$ années, une lignée accumule $\mu\,t$ différences par site, l'autre aussi.
Limites : l'horloge suppose un taux de mutation constant dans le temps et entre lignées, et des mutations neutres. Or le taux varie avec la durée de génération, le métabolisme, la sélection. On calibre donc l'horloge avec des dates de fossiles et on fournit une estimation, pas une date exacte. Les résultats (comme $5$ ou $7$ millions d'années pour homme–chimpanzé) donnent un ordre de grandeur cohérent.
Avec une horloge moléculaire, le taux de mutation est de $1{,}2\times10^{-9}$ substitution par site et par an et par lignée. Deux espèces se sont séparées il y a $t$…
Avec une horloge moléculaire, le taux de mutation est de $1{,}2\times10^{-9}$ substitution par site et par an et par lignée. Deux espèces se sont séparées il y a $t$ années. Elles diffèrent à $1{,}2\ \%$ de leurs sites.
- a) Exprimer la divergence $d$ en fonction de $t$ en tenant compte des deux lignées.
- b) Calculer $t$.
- c) Discuter les hypothèses de l'horloge moléculaire et leurs limites.
- d) Comparer avec la séparation homme–chimpanzé estimée à $7$ millions d'années.
Hybridation et notion d'espèce
Le séquençage de l'ADN ancien montre que Homo sapiens et Néandertal se sont métissés il y a environ $50\,000$ ans. Les Européens actuels portent en moyenne environ $2\,\%$ d'ADN néandertalien. Avec une génération de $25$ ans, cela représente $\dfrac{50\,000}{25} = 2\,000$ générations.
Proportion et segments
Chez les descendants, la recombinaison (brassage lors de la méiose) découpe les chromosomes en segments de plus en plus courts. Mais elle ne fait que déplacer des morceaux d'ADN, elle ne les supprime pas : sans autre phénomène, la proportion globale d'ADN néandertalien ne change pas, seuls les segments raccourcissent.
Fréquence allélique et dérive génétique
L'évolution d'une population se décrit par la variation de la fréquence allélique (proportion d'un allèle dans la population). Elle change sous l'effet de la sélection naturelle (un allèle favorable devient plus fréquent) et de la dérive génétique (variations aléatoires, surtout marquées dans les petites populations). Ici, la fréquence des allèles néandertaliens a évolué par ces deux mécanismes.
Une sélection à l'œuvre
Certaines régions du génome humain actuel ne contiennent presque aucun ADN néandertalien. L'explication la plus fréquente : des variants néandertaliens étaient défavorables chez les sapiens (par exemple dans des gènes liés à la fertilité) et la sélection naturelle les a éliminés.
Quelle définition de l'espèce ?
La définition classique : une espèce est un ensemble d'individus pouvant se reproduire entre eux et avoir une descendance fertile. Néandertal et sapiens ont eu des descendants fertiles : les limites entre espèces sont donc floues. Cela montre que l'espèce est un concept pratique pour décrire le vivant, mais que la réalité est un continuum.
Des Européens actuels possèdent en moyenne $2\ \%$ d'ADN hérité de Néandertal. On suppose que le métissage a eu lieu il y a environ $50\,000$ ans, avec une génération de…
Des Européens actuels possèdent en moyenne $2\ \%$ d'ADN hérité de Néandertal. On suppose que le métissage a eu lieu il y a environ $50\,000$ ans, avec une génération de $25$ ans.
- a) Calculer le nombre de générations écoulées.
- b) Si la proportion d'ADN néandertalien restait constante en l'absence de sélection, expliquer pourquoi elle ne diminue pas par recombinaison seule, alors que les segments, eux, raccourcissent.
- c) Citer une raison pour laquelle certaines régions du génome sont dépourvues d'ADN néandertalien.
- d) Expliquer ce que cela implique sur la définition d'espèce.
L'essentiel
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La parenté se lit sur les différences entre séquences : moins de différences = ancêtre commun plus récent. $\%\text{ de différence} = 100 - \%\text{ d'identité}$.
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Les arbres regroupent d'abord les paires les plus proches. La lignée humaine s'est séparée de celle du chimpanzé il y a environ $7$ millions d'années.
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Pour les pourcentages d'évolution, on divise par la valeur de départ. Pour les durées, on divise par la durée d'une génération.
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Radiochronologie : $f = \left(\frac12\right)^{t/T}$ et $t = T\,\dfrac{\ln(1/f)}{\ln 2}$. Le carbone 14 date jusqu'à environ $50\,000$ ans, le potassium 40 date des roches volcaniques de millions d'années.
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Horloge moléculaire : $d = 2\mu t$ ; estimation dépendant d'hypothèses (taux constant, mutations neutres).
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Le métissage Sapiens–Néandertal rend floue la notion d'espèce, et la sélection a éliminé certaines régions néandertaliennes.
Retour au début : on place l'humain près du chimpanzé grâce au plus faible nombre de différences d'ADN, et on date un fossile en datant les couches volcaniques qui l'encadrent avec un isotope de longue demi-vie.