Parenté, datation et évolution des hominidés

Mesurer une parenté

Plus deux espèces ont un ancêtre commun récent, moins leurs ADN ont eu le temps de diverger : elles accumulent peu de différences. On compare donc la même séquence (le même gène) chez plusieurs espèces et on compte les différences.

Pour l'humain et le chimpanzé, les séquences comparables sont identiques à environ $98{,}8\,\%$. Le pourcentage de différence est $100 - 98{,}8 = 1{,}2\,\%$.

Les nœuds de l'arbre représentent des ancêtres communs hypothétiques. Une parenté se lit à partir des ancêtres communs, pas de la ressemblance d'aspect.

Les fossiles : des caractères qui évoluent

On compare aussi des caractères observables sur les fossiles : capacité crânienne, forme du bassin, dents. Pour mesurer une évolution, on calcule un pourcentage d'augmentation :

Pourquoi connaît-on si peu de fossiles ? Pour fossiliser, un os doit être recouvert rapidement par des sédiments, puis rester préservé et être découvert. Ces conditions sont rares : une espèce n'est connue que par quelques individus, alors qu'elle en a compté des milliers.

Dater avec la radioactivité

Certains noyaux sont radioactifs : ils se désintègrent au hasard, mais avec une régularité statistique. La demi-vie $T$ est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents s'est désintégrée.

Choisir la bonne méthode. On ne peut mesurer qu'une fraction restante assez grande. Le $^{14}\text{C}$ ($T = 5\,730$ ans) ne sert que jusqu'à environ $50\,000$ ans : au-delà, il n'en reste presque plus. Pour des fossiles de plusieurs millions d'années, il faut un noyau de demi-vie beaucoup plus longue.

Le potassium-argon utilise la désintégration du $^{40}\text{K}$ en argon, de demi-vie $1{,}25$ milliard d'années. Il date des roches volcaniques (cendres, laves) qui encadrent les fossiles : les couches de cendres sous et au-dessus d'un fossile donnent un âge minimum et un âge maximum. C'est ce qui permet de dater les hominidés d'Afrique de l'Est, région volcanique du Rift.

L'horloge moléculaire

Les mutations s'accumulent dans l'ADN à un rythme à peu près régulier. Si on connaît le taux de mutation $\mu$ (substitutions par site et par an), le nombre de différences entre deux espèces sert d'horloge pour estimer la date de leur séparation.

Pour passer des années aux générations, on divise par la durée d'une génération. Par exemple, $7$ millions d'années s'écrivent $7\times10^6$ ans, soit $\dfrac{7\times10^6}{25} = 280\,000$ générations de 25 ans.

Les données de cet exemple sont simplifiées : les $5$ millions d'années obtenus ne sont pas une estimation réelle de la séparation humain–chimpanzé, estimée à environ $7$ millions d'années. Un tel écart illustre les limites de l'horloge : le taux de mutation n'est pas toujours constant (il dépend des espèces, de la durée des générations, des régions du génome), la sélection naturelle modifie certaines séquences, et plusieurs mutations peuvent frapper le même site. L'horloge moléculaire donne un ordre de grandeur, à confronter aux fossiles.

Néandertal et la notion d'espèce

L'analyse de l'ADN fossile a montré que les Européens actuels portent en moyenne environ $2\,\%$ d'ADN hérité de Néandertal : des métissages ont eu lieu il y a environ $50\,000$ ans. Avec des générations de $25$ ans, cela fait $\dfrac{50\,000}{25} = 2\,000$ générations.

Recombinaison. À chaque génération, la méiose découpe les chromosomes et les recombine : les segments néandertaliens deviennent de plus en plus courts, mais leur proportion totale dans la population ne change pas par ce seul mécanisme, car la recombinaison ne supprime pas de l'ADN, elle le redistribue.

Zones sans ADN néandertalien. Certaines régions du génome humain n'en contiennent aucun : la sélection naturelle a probablement éliminé des variants désavantageux (par exemple liés à la fertilité ou au fonctionnement du cerveau).

Conséquence. Si deux populations peuvent encore se reproduire et avoir des descendants féconds, la définition de l'espèce par l'interfécondité devient floue. L'espèce est un concept commode, mais les frontières entre espèces proches sont graduelles.

Fréquences alléliques. Évoluer, c'est changer les fréquences alléliques d'une population. Un allèle néandertalien peut voir sa fréquence augmenter par sélection naturelle s'il est avantageux, ou varier au hasard par dérive génétique, surtout dans une petite population.

Exemple numérique : si un allèle néandertalien a une fréquence de $0{,}020$ et que la sélection la réduit de $10\,\%$ à chaque génération, elle vaut $0{,}020 \times 0{,}9 = 0{,}018$ à la génération suivante, puis $0{,}020 \times 0{,}9^2 = 0{,}016\,2$.

L'essentiel

• Moins deux séquences d'ADN ont de différences, plus les espèces sont proches : on construit un arbre en regroupant d'abord les plus proches.

• Un pourcentage d'augmentation se calcule par $\dfrac{\text{finale}-\text{initiale}}{\text{initiale}}\times100$ ; un seul caractère (capacité crânienne) ne définit pas un genre.

• Les fossiles sont rares : une espèce est connue par très peu d'individus.

• Décroissance radioactive : $f=\left(\dfrac12\right)^{t/T}$ ; $^{14}\text{C}$ jusqu'à environ $50\,000$ ans, $^{40}\text{K}$ pour les roches volcaniques de plusieurs millions d'années.

• Horloge moléculaire : $d = 2\mu t$, donc $t = \dfrac{d}{2\mu}$ ; elle donne un ordre de grandeur, avec des limites.

• Le métissage avec Néandertal montre que les frontières entre espèces sont graduelles.

Retour au début : on date les fossiles en encadrant leur couche par des roches volcaniques datées au potassium-argon, et on précise leur parenté en comparant leur ADN ou leurs caractères.