Parenté, datation et évolution des hominidés
Au musée de l'Homme, à Paris, on voit alignés des crânes d'australopithèque, d'Homo erectus et d'Homo sapiens. Une question se pose : comment sait-on qui est parent de qui, et il y a combien de temps ces êtres ont vécu ? Réponse dans cette page : avec des comparaisons de séquences d'ADN, des mesures sur les fossiles et des horloges radioactives.
Mesurer la parenté
Deux espèces qui descendent d'un ancêtre commun récent ont eu peu de temps pour accumuler des mutations différentes. Leurs séquences d'ADN se ressemblent donc beaucoup. Plus l'ancêtre commun est ancien, plus le nombre de différences est grand.
Le pourcentage de différence se calcule ainsi :
$$\text{différence} = 100\,\% - \text{similarité}$$Si deux séquences de $N$ paires de bases diffèrent à $p\,\%$, le nombre attendu de différences est $N \times \dfrac{p}{100}$.
Construire un arbre de parenté
On range les espèces selon le nombre de différences. Les deux espèces qui diffèrent le moins forment un groupe : elles partagent un ancêtre commun plus récent que celui qu'elles ont avec une troisième espèce.
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.
Lire l'évolution dans les fossiles
Les fossiles donnent des caractères mesurables : capacité crânienne, bipédie, taille des dents. Une variation relative se calcule par :
$$\text{variation en \%} = \frac{V_{\text{finale}} - V_{\text{initiale}}}{V_{\text{initiale}}}\times 100$$Mais un seul caractère ne définit pas un genre : le genre Homo se reconnaît par un ensemble de caractères (bipédie, mains, outils, dents, crâne…). Par ailleurs, les fossiles sont rares : il faut des conditions particulières (enfouissement rapide, sédiments) pour qu'un os se conserve. Une espèce n'est donc connue que par quelques individus.
Les durées se traitent en notation scientifique : $7$ millions d'années $= 7\times10^{6}$ ans. Avec une génération de $25$ ans, cela fait $\dfrac{7\times10^{6}}{25} = 2{,}8\times10^{5}$ générations.
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
Un élément radioactif se désintègre au hasard, mais de façon régulière à l'échelle d'un grand nombre de noyaux : la demi-vie $T$ est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux restants s'est désintégrée.
Après $n$ demi-vies, la fraction restante est $f = \left(\dfrac12\right)^{n}$, avec $n = \dfrac{t}{T}$.
Pour trouver $t$ quand on connaît $f$ : on cherche $n$ tel que $\left(\frac12\right)^n = f$, ou, avec le logarithme, $t = T\times\dfrac{\ln f}{\ln(1/2)} = -T\,\dfrac{\ln f}{\ln 2}$.
Quelle méthode pour quelle durée ?
Au bout d'environ $10$ demi-vies, il reste moins de $0{,}1\,\%$ des noyaux : la mesure devient impossible. Le carbone 14 ($T = 5\,730$ ans) sert donc pour des restes organiques de moins de $50\,000$ ans environ. Pour des fossiles de millions d'années, on utilise des éléments à longue demi-vie, comme le potassium 40 ($T = 1{,}25$ milliard d'années), dans les roches volcaniques : on date les couches de cendres qui encadrent les fossiles (c'est le cas en Afrique de l'Est, dans la vallée du Rift).
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 et les croisements
Les mutations s'accumulent à un rythme à peu près régulier. Si le taux est $\mu$ substitution par site et par an et par lignée, deux espèces séparées depuis $t$ années ont chacune accumulé $\mu t$ différences : la divergence observée est
$$d = 2\mu t \quad\Longrightarrow\quad t = \frac{d}{2\mu}.$$Limites : le taux de mutation peut varier selon les lignées, la durée de génération, la sélection ; il faut une calibration avec des fossiles datés. L'horloge donne un ordre de grandeur, avec une incertitude.
Néandertal et la notion d'espèce
Les Européens actuels portent environ $2\,\%$ d'ADN néandertalien : il y a eu des croisements féconds avec Homo sapiens. Après $50\,000$ ans, soit $2\,000$ générations, la recombinaison coupe les segments en morceaux de plus en plus courts mais ne change pas la proportion globale ; seule la sélection (ou la dérive) peut la modifier. Certaines régions n'ont aucun ADN néandertalien : la sélection naturelle les a éliminés car ils étaient défavorables. Ces croisements montrent que la frontière entre espèces peut être floue : le critère « ne pas pouvoir se reproduire entre elles » est trop strict.
En termes de génétique des populations, l'évolution est un changement des fréquences alléliques d'une population au fil des générations. La sélection naturelle fait varier ces fréquences selon l'avantage que procure un allèle. La dérive génétique les fait varier au hasard, surtout dans les petites populations. Ainsi, un allèle néandertalien rare peut disparaître par hasard ou être éliminé par sélection, ou au contraire se répandre s'il est avantageux.
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.
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.
Bilan : on sait que l'humain est proche du chimpanzé grâce aux comparaisons d'ADN, on date les fossiles avec des chronomètres radioactifs adaptés à leur âge, et l'horloge moléculaire donne un ordre de grandeur de la séparation des lignées.
L'essentiel
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La parenté se mesure par le nombre de différences entre séquences : moins de différences, ancêtre commun plus récent.
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Un arbre de parenté se lit par les ancêtres communs, pas par « qui descend de qui ».
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La demi-vie $T$ donne $f = \left(\frac12\right)^{t/T}$ ; choisir un chronomètre adapté à l'âge (carbone 14 : $<50\,000$ ans ; potassium 40 : millions d'années).
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Horloge moléculaire : $d = 2\mu t$, avec des hypothèses et des limites.
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Une variation relative se calcule par $\dfrac{V_f - V_i}{V_i}\times100$.
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Les croisements avec Néandertal rendent floue la notion d'espèce.