Les Denisoviens : la troisieme espece humaine revelee par son genome

En 2010, une equipe de paleogeneticiens de l'Institut Max Planck pour l'anthropologie evolutionnaire, a Leipzig, a annonce une decouverte sans precedent : un tout petit os d'un doigt de la main, trouve dans une grotte des montagnes de l'Altai en Siberie, avait livre l'ADNADNMolécule porteuse de l'information génétique, utilisée pour reconstruire les liens de parenté entre espèces.→ d'une espece humaine entierement inconnue. Ni Homo sapiensHomo sapiensEspèce humaine actuelle, apparue en Afrique il y a environ 300 000 ans, seule lignée humaine survivante après l'extinction de Néandertal et des Dénisoviens.→. Ni Neandertal. Une troisieme lignee d'hominines qui avait partage la Terre avec nous et nos cousins neandertals pendant des centaines de milliers d'annees, dans l'ombre totale de l'histoire. Les Denisoviens venaient de faire leur entree dans le catalogue de l'humanite -- et ils allaient bousculer tout ce que nous pensions savoir sur notre passe evolutif.¹

La grotte Denisova et la phalange enigmatique

La grotte Denisova est une caverne calcaire creusee dans les contreforts des monts Altai, dans la region de l'Altai en Russie, a environ 150 kilometres au sud de la ville de Barnaoul. Elle tire son nom d'un ermite du XVIII^e siecle, Denis, qui y aurait vecu. Connue des archeologues russes depuis les annees 1970, la grotte a revele une stratigraphieStratigraphieÉtude de la superposition des couches (strates) d'un site archéologique ; chaque couche correspond à une phase d'occupation et fonde une chronologie relative.→ remarquable couvrant plusieurs centaines de milliers d'annees, avec des outils lithiques et des restes fauniques indiquant une occupation ancienne et continue par des hominines.

C'est en 2008 qu'un fragment d'os de phalange de la main -- specifiquement la distalite distale du cinquieme doigt -- fut mis au jour dans la couche 11 de la grotte par une equipe russo-allemande. La piece, grosse comme un grain de riz, appartenait a un individu dont la taille, le sexe et l'apparence physique restaient totalement inconnus. Ce qui etait connu, en revanche, c'est qu'elle avait survecu de facon exceptionnelle dans les conditions froides et stables de la grotte : son ADN etait partiellement intact.

Svante Paabo, directeur du departement de paleogenetique a l'Institut Max Planck de Leipzig, et son equipe se specialisaient alors dans l'extraction et la sequencage de l'ADN ancienADN ancienMatériel génétique conservé dans des vestiges anciens, souvent dégradé, séquencé grâce à des techniques de pointe.→ a partir de fossiles. Ils avaient deja decrypte plusieurs genomes neandertals et s'attaquaient a la diversite humaine prehistorique. Quand la phalange de Denisova arriva dans leur laboratoire, le sequencage de l'ADN mitochondrial -- l'ADN des mitochondries, transmis uniquement par la mere et presente en grand nombre de copies par cellule, facilitant son extraction -- donna un resultat stupefiant : la sequence etait deux fois plus divergente de celle des Neandertals ou des humains modernes que ceux-ci ne le sont l'un de l'autre. Il s'agissait d'une lignee completement distincte.

Le sequencage du genome : une troisieme espece humaine revelee

La confirmation definitive vint en 2010 avec la publication dans Nature du sequencage du genome nucleaire complet de l'individu. Le genome nucleaire, contenu dans le noyau de chaque cellule, est beaucoup plus riche en information que l'ADN mitochondrial, mais aussi beaucoup plus difficile a extraire et a reconstituer a partir d'un fossile. Paabo et ses collegues reussirent cet exploit grace a des techniques de purification et d'amplification de l'ADN ancien qu'ils avaient mises au point depuis des annees.

Le resultat etait sans ambiguite : l'individu de la phalange appartenait a une lignee qui s'etait separee de l'ancetre commun des Neandertals et des humains modernes il y a environ 800 000 ans, puis de la lignee neandertalienne il y a entre 400 000 et 500 000 ans. En d'autres termes, les Denisoviens et les Neandertals sont plus proches l'un de l'autre qu'aucun des deux ne l'est des Homo sapiens -- mais ils forment deux branches distinctes, ayant suivi des trajectoires evolutives separees pendant des centaines de milliers d'annees.²

Ce resultat bouleversait le scenario jusqu'alors dominant de l'evolution humaine du Pleistocene : une Europe et une Asie occupees par les Neandertals et les Homo erectus, puis envahies par les Homo sapiens modernes venus d'AfriqueAfriqueContinent berceau de l'humanité : les premiers hominines y apparaissent, puis Homo sapiens il y a environ 300 000 ans, avant l'expansion vers le reste du monde.→. Desormais, il fallait compter avec une troisieme population humaine en Asie -- une population dont on ne savait quasiment rien physiquement, mais dont le genome allait livrer des informations extraordinaires.

Un "fantome" dans nos genomes : l'introgressionIntrogressionTransfert durable de fragments d'ADN d'une population ou d'une espèce vers une autre à la suite de métissages répétés, détectable dans les génomes longtemps après.→ denisovienne

La decouverte la plus spectaculaire ne portait pas sur les Denisoviens eux-memes, mais sur leur heritage dans les populations humaines actuelles. En comparant le genome denisovien avec les genomes de populations humaines modernes du monde entier, l'equipe de Paabo detecta quelque chose d'etonnant : les Melanesiens -- les populations de Papouasie-Nouvelle-Guinee, des iles Salomon, de Vanuatu, des Fidji et d'Australie -- portent dans leur genome 3 a 6 % de sequences d'origine denisovienne. Les peuples indigenes d'Australie et des Philippines, ainsi que certains groupes indigenes d'Amerique, portent egalement des traces significatives de ce metissage.

La conclusion s'imposait : avant ou pendant leur dispersion dans le sud-est asiatique et en Oceanie, les ancetres des populations melanesiennes avaient croise et eu des enfants avec des Denisoviens. Ce metissage, appele "introgression", avait eu lieu il y a probablement 50 000 a 60 000 ans, quelque part en Asie du sud-est ou dans les iles de l'Oceanie. Les genes denisoviens introgreses n'etaient pas des residus neutres : certains d'entre eux avaient ete selectionnes positivement, c'est-a-dire qu'ils conferaient un avantage adaptatif a leurs porteurs et ont donc augmente en frequence dans les populations au fil des generations.

L'exemple le plus remarquable de ce phenomene concerne le gene EPAS1, qui code pour une proteine regulant la reponse de l'organisme a l'hypoxie -- le manque d'oxygene. Les Tibetains modernes portent une variante de ce gene qui leur permet de vivre et de travailler efficacement a des altitudes superieures a 4 000 metres, la ou la plupart des autres populations humaines souffrent du mal des montagnes. Cette variante, absente de tous les autres groupes humains sauf les Han chinois (a faible frequence), s'est averee etre d'origine denisovienne : elle avait ete introgressee depuis les Denisoviens dans les ancetres des Tibetains il y a environ 40 000 ans, conferant un avantage crucial pour la colonisation du plateau tibetain.³

Denny, l'hybride impossible : quand les especes se croisaient

En 2018, l'analyse d'un nouvel os de la grotte Denisova -- une phalange etiquetee Denisova 11 mais surnommee "Denny" par les chercheurs -- produisit une revelation stupefiant meme les paleogeneticiens les plus experimentes : Denny etait un hybride de premiere generation entre un Neandertal et un Denisovien. Sa mere etait neandertalienne, son pere etait denisovien. Une femme dont la moitie exacte du genome provenait de chacune des deux especes humaines.⁴

Cette decouverte avait plusieurs implications majeures. D'abord, elle confirmait que les Denisoviens et les Neandertals partageaient le meme habitat au moins a certaines periodes et dans certaines regions, et qu'ils etaient reproductiblement fertiles ensemble -- preuve qu'ils etaient encore, sur le plan biologique, suffisamment proches pour produire une descendance viable. Ensuite, en examinant le genome neandertalien de la mere de Denny, les chercheurs determinerent qu'elle appartenait a une population neandertalienne occidentale, probablement d'Europe de l'Ouest, distante genetiquement des Neandertals siberiensauxquels on s'attendait. Cela suggerait que les Neandertals avaient une mobilite ou une connectivite sur de longues distances plus grande qu'on ne le pensait.

Enfin, la probabilite de tomber sur un hybride de premiere generation dans le maigre echantillon de restes denisoviens connus (quelques fragments d'os a peine) suggere que ces croisements etaient relativement frequents dans la grotte Denisova et ses environs -- bien plus frequents que le hasard statistique ne le permettrait de prevoir si les hybrides etaient des evenements exceptionnels. La grotte Denisova semble avoir ete un lieu de rencontre ou Denisoviens et Neandertals se cotoiaient regulierement.

Le bracelet de Denisova : une intelligence symbolique insoupconnee

La question de la complexite cognitive des Denisoviens restait entiere tant que seuls des restes osseux minuscules etaient disponibles. Les outils lithiques trouves dans les couches de la grotte correspondant aux Denisoviens (attribues au "Complexe de Denisova") etaient relativement courants et ne permettaient pas de distinguer leurs fabricants d'autres hominines du Paleolithique moyen. C'est alors qu'un objet exceptionnel vint changer la perspective.

Dans les couches profondes de la grotte Denisova, les archeologues mirent au jour un fragment de bracelet taille dans une chloritolite verte -- une roche metamorphique -- d'une finesse d'execution remarquable. Le bracelet avait ete perce d'un trou parfait, probablement pour y inserer un pendentif ou le fixer a un objet. La surface interieure avait ete poncee jusqu'a un lustre exceptionnel. Il avait ete decore d'un motif de cannelures. Les analyses indiquent une date d'environ 50 000 ans et une attribution aux Denisoviens sur la base stratigraphique.

Ce bracelet est extraordinaire pour plusieurs raisons. La chloritolite utilisee ne se trouve pas dans les environs immediats de la grotte : elle provient d'un gisement situe a environ 200 kilometres de la, impliquant soit un transport delibere de la matiere premiere, soit des echanges avec d'autres groupes. La technique de perforation utilisee -- probablement une sorte de foret rotatif -- n'est attestee chez Homo sapiens qu'au Paleolithique superieur, bien plus tard. Son existence chez les Denisoviens oblige a reconaitre une capacite technique et symbolique comparable a celle de nos ancetres.

La mandibule de Xiahe : des Denisoviens au coeur du Tibet

La grotte Denisova, malgre son importance capitale, n'est pas le seul site ou des restes denisoviens ont ete identifies. En 2019, une equipe internationale publia l'analyse d'une mandibule presque complete decouverte en 1980 dans la grotte de Baishiya KarstKarstRelief calcaire façonné par la dissolution de la roche, riche en grottes et galeries ; ses sédiments peuvent préserver os et ADN sur de longues durées.→, a Xiahe, dans la province chinoise du Gansu, sur le bord nord-est du plateau tibetain, a une altitude de 3 280 metres.⁵

La mandibule avait une morphologie tres robuste, avec des dents enormes dont la taille n'est pas compatible avec un Homo sapiens moderne ni avec un Neandertal typique. En l'absence d'ADN extractible -- la piece avait ete trop exposee pour conserver de l'ADN intact -- les chercheurs utiliserent la paleoproteomique, l'analyse des proteines anciennes preservees dans le collage dentaire. Le profil proteique obtenu etait clairement different de celui des Homo sapiens et des Neandertals, et consistant avec ce que l'on attendrait d'un Denisovien. La mandibule etait datee d'au moins 160 000 ans -- bien plus ancienne que les restes de la grotte Denisova elle-meme.

Cette decouverte etait fondamentale : elle prouvait que les Denisoviens avaient atteint le plateau tibetain -- l'une des regions les plus inhospitalieres de la planete, ou l'altitude reduit la teneur en oxygene a environ 60 % du niveau de la mer -- il y a au moins 160 000 ans, bien avant que les Homo sapiens ne s'y etablissent. Le gene EPAS1 denisovien acquis par les Tibetains modernes prend ici tout son sens : les Denisoviens avaient peut-etre eux-memes evolue une adaptation a l'altitude qui fut ensuite transferee aux Homo sapiens lors du metissage.

Aire de repartition, chronologie et populations multiples

Avec la grotte Denisova en Siberie, la mandibule de Xiahe au Tibet, et les traces genetiques dans les populations de Melanesie, d'Australie, des Philippines et potentiellement d'Asie du sud-est, les Denisoviens s'averent avoir occupe une aire de repartition geographique colossale -- probablement la plus vaste jamais atteinte par une population d'hominines du Pleistocene. De la Siberie aux iles du Pacifique, de l'Himalaya aux tropiques d'Asie du sud-est : une distribution qui s'etend sur pres de 7 000 kilometres du nord au sud et autant d'est en ouest.

L'analyse des genomes denisoviens de la grotte (plusieurs individus ont maintenant ete sequences) montre une diversite genetique considerable, suggerant soit une longue histoire evolutive dans cette region, soit la coexistence de plusieurs populations distinctes. Les traces d'introgression dans les populations humaines actuelles sont elles-memes heterogenes : les Papous et Australiens portent une signature denisovienne tres differente de celle detectee chez certains groupes d'Asie du sud-est continentale, suggerant au moins deux, peut-etre trois episodes distincts de metissage entre des populations denisoviennes differentes et des vagues successives d'Homo sapiens.

La chronologie des Denisoviens est elle aussi etendue : les fossiles de Xiahe attestent leur presence a 160 000 ans, les restes de la grotte Denisova vont de 200 000 a 50 000 ans environ, et les evenements d'introgression avec Homo sapiens se situent entre 50 000 et 30 000 ans. Cela signifie que les Denisoviens ont survecu pendant au moins 150 000 ans dans leur forme connue, co-existant successivement avec les Neandertals puis avec les premiers Homo sapiens de dispersion en Asie.

A quoi ressemblaient les Denisoviens ?

La question de l'apparence physique des Denisoviens est l'une des plus fascinantes -- et des plus difficiles a resoudre -- de la paleontologie humaine contemporaine. Avec si peu de restes osseux (un fragment de phalange, quelques dents, la mandibule de Xiahe), il est impossible de reconstituer leur anatomie par les methodes traditionnelles. Deux approches genomiques ont cependant ete explorees.

La premiere, publiee en 2019 par une equipe israelienne dirigee par Liran Carmel, consiste a analyser les marqueurs de methylation de l'ADN denisovien -- des modifications chimiques qui regulen l'expression des genes -- et a les comparer aux marqueurs correspondants chez les Neandertals et les humains modernes. Ces marqueurs de methylation influencent quel genes sont exprimes dans quels tissus, et leur comparaison permet d'inferer quels genes etaient actifs (ou non) dans les os, les cartilages, les muscles et les autres tissus des Denisoviens. Les chercheurs ont reconstruit un portrait anatomique probabiliste : les Denisoviens auraient eu un crane large et aplati (comme les Neandertals), un visage large, et une dentition massive -- coherente avec la mandibule de Xiahe. Ils auraient egalement eu des arcades sourcilieres saillantes, une posture robuste, et peut-etre une pigmentation sombre de la peau adaptee au faible ensoleillement des altitudes elevees.

La deuxieme approche consiste a utiliser les variantes genetiques specifiques aux Denisoviens pour identifier les genes impliques dans leur morphologie distinctive -- couleur de peau, forme du squelette, capacite cranienne -- en comparaison avec les Homo sapiens. Ces analyses sont encore en cours et les resultats sont partiels, mais elles suggerent que les Denisoviens etaient morphologiquement plus proches des Neandertals que des humains modernes, tout en presentant des caracteristiques propres refletant leur histoire evolutive independante en Asie.

Svante Paabo et le prix Nobel de medecine 2022

Les travaux de Svante Paabo sur les Denisoviens et les Neandertals ont ete couronnes en 2022 par le prix Nobel de physiologie ou medecine, que l'Academie suedoise lui a decerne "pour ses decouvertes concernant les genomes des hominines eteints et l'evolution humaine". Paabo est le fondateur de la paleogenetique, une discipline entierement nouvelle qui combine biologie moleculaire et paleontologie pour extraire et analyser l'ADN des fossiles.⁶

La recompense celebrait non seulement les decouvertes sur les Denisoviens, mais toute une revolution methodologique : Paabo et son equipe avaient developpe des techniques permettant de decontaminer les echantillons fossiles de l'ADN humain moderne (la contamination etant le probleme numero un en paleogenetique), d'amplifier des quantites infimes d'ADN fragmentes preserves dans les os, et de les reassembler en sequences genomiques coherentes. Ces techniques ont depuis ete adoptees par des laboratoires du monde entier et permettent maintenant d'analyser l'ADN de specimens vieux de plusieurs centaines de milliers d'annees.

La decouverte des Denisoviens reste sans doute la revelation la plus spectaculaire de cette revolution paleogenetique : l'identification d'une espece humaine entiere a partir d'un seul et petit os, sans aucun indice anatomique prealable, uniquement grace a la lecture de son genome, est a ce jour sans equivalent dans l'histoire des sciences naturelles. Elle illustre de facon saisissante la puissance de la biologie moleculaire appliquee a l'archeologie et a l'evolution humaine.

Perspectives : ce que nous ne savons pas encore

Malgre les progres fulgurants de la derniere decennie, notre connaissance des Denisoviens reste pleine de lacunes. Nous ne savons pas avec certitude quelle relation les Denisoviens entretenaient avec d'autres populations hominines d'Asie, comme Homo erectus -- present en Asie depuis plus d'un million d'annees -- ou les populations mysterieuses d'Asie du sud-est dont certaines traces genetiques dans les populations actuelles ne s'expliquent ni par les Denisoviens connus, ni par les Neandertals, ni par les Homo sapiens anatomiquement modernes.

Homo luzonensis, une espece recemment decouverte dans l'ile de Luzon aux Philippines et datee de 50 000 a 67 000 ans, presente des caracteristiques morphologiques tres particulieres qui n'ont pas encore ete expliquees. Pourrait-il s'agir d'une population denisoviennes insulaire ayant evolue de facon independante ? La question reste ouverte. De meme, les populations "negrito" de Filipinas portent la plus forte proportion de genes denisoviens de tous les groupes non-oceaniens -- ce qui suggere que les iles d'Asie du sud-est ont ete un lieu de rencontre particulierement intense entre les deux humanites.

La paleoproteomique -- l'analyse des proteines anciennes qui survivent la ou l'ADN s'est degrade -- offre une perspective d'avenir prometteuse : des proteines peuvent etre extraites de fossiles vieux de plus d'un million d'annees, la ou l'ADN ne survit que rarement au-dela de 500 000 ans. Des fossiles d'hominines d'Asie orientale dont la classification etait incertaine pourraient, grace a cette technique, reveler s'ils appartiennent a la lignee denisovienne ou a une autre.

Enfin, de nombreux fossiles d'hominines "archaiques" d'Asie orientale -- les cranes de Dali, de Jinniushan, ou de Harbin en Chine -- restent non classes dans le systeme standard d'evolution humaine. Le crane de Harbin ("homme du Dragon"), decrit en 2021 comme potentiellement la plus proche parente connue des humains modernes, a ete propose par certains chercheurs comme appartenant a la lignee denisovienne. Si cette attribution se confirmait, les Denisoviens auraient developpe, en Asie orientale, un cerveau au volume comparable a celui des humains modernes -- une information capitale pour comprendre leur intelligence et leur culture.

Les Denisoviens nous rappellent avec eclat que l'histoire de l'humanite est bien plus complexe, bien plus riche en embranchements et en rencontres, que les schema lineaires que nous avons longtemps voulu lui imposer. Nous ne sommes pas le produit d'une marche rectiligne vers la modernite, mais les heritiers d'une tapisserie d'humanites entrelacees, dont certaines ont disparu en ne laissant que leurs genes dans nos corps.