Les Dénisoviens : la troisième espèce humaine révélée par son génome

En 2010, une équipe de paleogeneticiens de l'Institut Max Planck pour l'anthropologie evolutionnaire, a Leipzig, a annonce une découverte 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 espèce humaine entièrement 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 Néandertal. Une troisième lignée d'hominines qui avait partage la Terre avec nous et nos cousins neandertals pendant des centaines de milliers d'années, dans l'ombre totale de l'histoire. Les Dénisoviens venaient de faire leur entrée dans le catalogue de l'humanité -- et ils allaient bousculer tout ce que nous pensions savoir sur notre passe évolutif.¹

La grotte Denisova et la phalange énigmatique

La grotte Denisova est une caverne calcaire creusée dans les contreforts des monts Altai, dans la région de l'Altai en Russie, a environ 150 kilomètres au sud de la ville de Barnaoul. Elle tire son nom d'un ermite du XVIII^e siècle, Dénis, qui y aurait vécu. Connue des archéologues russes depuis les années 1970, la grotte a révélé 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'années, 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 -- spécifiquement la distalite distale du cinquième doigt -- fut mis au jour dans la couche 11 de la grotte par une équipe russo-allemande. La pièce, grosse comme un grain de riz, appartenait a un individu dont la taille, le sexe et l'apparence physique restaient totalement inconnus. Ce qui était connu, en revanche, c'est qu'elle avait survécu de façon exceptionnelle dans les conditions froides et stables de la grotte : son ADN était partiellement intact.

Svante Paabo, directeur du département de paleogenetique a l'Institut Max Planck de Leipzig, et son équipe se spécialisaient 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 déjà decrypte plusieurs génomes neandertals et s'attaquaient a la diversité humaine préhistorique. Quand la phalange de Denisova arriva dans leur laboratoire, le sequencage de l'ADN mitochondrial -- l'ADN des mitochondries, transmis uniquement par la mère et presente en grand nombre de copies par cellule, facilitant son extraction -- donna un resultat stupéfiant : la séquence était 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 lignée complètement distincte.

Le sequencage du génome : une troisième espèce humaine révélée

La confirmation définitive vint en 2010 avec la publication dans Nature du sequencage du génome nucléaire complet de l'individu. Le génome nucléaire, 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 collègues réussirent cet exploit grâce a des techniques de purification et d'amplification de l'ADN ancien qu'ils avaient mises au point depuis des années.

Le resultat était sans ambiguïté : l'individu de la phalange appartenait a une lignée qui s'était séparée de l'ancêtre commun des Neandertals et des humains modernes il y a environ 800 000 ans, puis de la lignée néandertalienne il y a entre 400 000 et 500 000 ans. En d'autres termes, les Dénisoviens 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 évolutives séparées pendant des centaines de milliers d'années.²

Ce resultat bouleversait le scénario jusqu'alors dominant de l'évolution humaine du PléistocènePléistocèneÉpoque géologique des grandes glaciations (env. −2,6 Ma à −11 700), couvrant l'essentiel de la préhistoire humaine.→ : une Europe et une Asie occupées 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.→. Désormais, il fallait compter avec une troisième population humaine en Asie -- une population dont on ne savait quasiment rien physiquement, mais dont le génome allait livrer des informations extraordinaires.

Un "fantôme" dans nos génomes : 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.→ dénisovienne

La découverte la plus spectaculaire ne portait pas sur les Dénisoviens eux-memes, mais sur leur héritage dans les populations humaines actuelles. En comparant le génome dénisovienDénisovienPopulation humaine éteinte, cousine des Néandertaliens, identifiée en 2010 par l'ADN de restes de la grotte de Denisova (Sibérie).→ avec les génomes de populations humaines modernes du monde entier, l'équipe de Paabo détecta quelque chose d'étonnant : les Melanesiens -- les populations de Papouasie-Nouvelle-Guinée, des îles Salomon, de Vanuatu, des Fidji et d'Australie -- portent dans leur génome 3 a 6 % de séquences d'origine dénisovienne. Les peuplés indigènes d'Australie et des Philippines, ainsi que certains groupes indigènes d'Amérique, portent également des traces significatives de ce métissageMétissageCroisement génétique entre populations ou espèces humaines ; entre Néandertal et Homo sapiens, il a laissé 1 à 2 % d'ADN néandertalien chez les non-Africains.→.

La conclusion s'imposait : avant ou pendant leur dispersion dans le sud-est asiatique et en Oceanie, les ancêtres des populations melanesiennes avaient croise et eu des enfants avec des Dénisoviens. Ce métissage, appelé "introgression", avait eu lieu il y a probablement 50 000 a 60 000 ans, quelque part en Asie du sud-est ou dans les îles de l'Oceanie. Les genes dénisoviens introgreses n'étaient pas des résidus neutres : certains d'entre eux avaient été selectionnes positivement, c'est-a-dire qu'ils conféraient un avantage adaptatif a leurs porteurs et ont donc augmente en fréquence dans les populations au fil des générations.

L'exemple le plus remarquable de ce phénomène concerne le gene EPAS1, qui code pour une protéine regulant la réponse de l'organisme a l'hypoxie -- le manque d'oxygene. Les Tibétains modernes portent une variante de ce gene qui leur permet de vivre et de travailler efficacement a des altitudes supérieures 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 fréquence), s'est avérée être d'origine dénisovienne : elle avait été introgressee depuis les Dénisoviens dans les ancêtres des Tibétains il y a environ 40 000 ans, conférant un avantage crucial pour la colonisation du plateau tibétain.³

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

En 2018, l'analyse d'un nouvel os de la grotte Denisova -- une phalange étiquetée Denisova 11 mais surnommée "Denny" par les chercheurs -- produisit une révélation stupéfiant meme les paleogeneticiens les plus experimentes : Denny était un hybride de première génération entre un Néandertal et un Dénisovien. Sa mère était néandertalienne, son père était dénisovien. Une femme dont la moitie exacte du génome provenait de chacune des deux espèces humaines.⁴

Cette découverte avait plusieurs implications majeures. D'abord, elle confirmait que les Dénisoviens et les Neandertals partageaient le meme habitat au moins a certaines périodes et dans certaines régions, et qu'ils étaient reproductiblement fertiles ensemble -- preuve qu'ils étaient encore, sur le plan biologique, suffisamment proches pour produire une descendance viable. Ensuite, en examinant le génome néandertalien de la mère de Denny, les chercheurs déterminèrent qu'elle appartenait a une population néandertalienne occidentale, probablement d'Europe de l'Ouest, distante génétiquement des Neandertals siberiensauxquels on s'attendait. Cela suggérait que les Neandertals avaient une mobilité ou une connectivite sur de longues distances plus grande qu'on ne le pensait.

Enfin, la probabilité de tomber sur un hybride de première génération dans le maigre échantillon de restes dénisoviens connus (quelques fragments d'os a peine) suggere que ces croisements étaient relativement fréquents dans la grotte Denisova et ses environs -- bien plus fréquents que le hasard statistique ne le permettrait de prévoir si les hybrides étaient des evenements exceptionnels. La grotte Denisova semble avoir été un lieu de rencontre ou Dénisoviens et Neandertals se cotoiaient régulièrement.

Le bracelet de Denisova : une intelligence symbolique insoupçonnée

La question de la complexité cognitive des Dénisoviens restait entière tant que seuls des restes osseux minuscules étaient disponibles. Les outils lithiques trouves dans les couches de la grotte correspondant aux Dénisoviens (attribues au "Complexe de Denisova") étaient relativement courants et ne permettaient pas de distinguer leurs fabricants d'autres hominines du Paléolithique moyenPaléolithique moyenPériode du Paléolithique (env. 300 000 à 40 000 ans) associée surtout à Néandertal et aux premiers Homo sapiens, marquée par l'outillage Levallois.→. C'est alors qu'un objet exceptionnel vint changer la perspective.

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

Ce bracelet est extraordinaire pour plusieurs raisons. La chloritolite utilisée ne se trouve pas dans les environs immédiats de la grotte : elle provient d'un gisement situe a environ 200 kilomètres de la, impliquant soit un transport delibere de la matière première, soit des echanges avec d'autres groupes. La technique de perforation utilisée -- probablement une sorte de forêt rotatif -- n'est attestée chez Homo sapiens qu'au Paléolithique supérieur, bien plus tard. Son existence chez les Dénisoviens oblige a reconaitre une capacité technique et symbolique comparable a celle de nos ancêtres.

La mandibule de Xiahe : des Dénisoviens au coeur du Tibet

La grotte Denisova, malgré son importance capitale, n'est pas le seul site ou des restes dénisoviens ont été identifies. En 2019, une équipe internationale publia l'analyse d'une mandibule presque complete découverte 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 tibétain, a une altitude de 3 280 metres.⁵

La mandibule avait une morphologie très robuste, avec des dents énormes dont la taille n'est pas compatible avec un Homo sapiens moderne ni avec un Néandertal typique. En l'absence d'ADN extractible -- la pièce avait été trop exposée pour conserver de l'ADN intact -- les chercheurs utilisèrent la paleoproteomique, l'analyse des protéines anciennes préservées dans le collage dentaire. Le profil protéique obtenu était clairement different de celui des Homo sapiens et des Neandertals, et consistant avec ce que l'on attendrait d'un Dénisovien. La mandibule était datée d'au moins 160 000 ans -- bien plus ancienne que les restes de la grotte Denisova elle-meme.

Cette découverte était fondamentale : elle prouvait que les Dénisoviens avaient atteint le plateau tibétain -- l'une des régions les plus inhospitalières de la planète, ou l'altitude réduit 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 établissent. Le gene EPAS1 dénisovien acquis par les Tibétains modernes prend ici tout son sens : les Dénisoviens avaient peut-être eux-memes evolue une adaptation a l'altitude qui fut ensuite transférée aux Homo sapiens lors du métissage.

Aire de répartition, chronologie et populations multiples

Avec la grotte Denisova en Siberie, la mandibule de Xiahe au Tibet, et les traces génétiques dans les populations de Melanesie, d'Australie, des Philippines et potentiellement d'Asie du sud-est, les Dénisoviens s'avèrent avoir occupe une aire de répartition géographique colossale -- probablement la plus vaste jamais atteinte par une population d'hominines du Pléistocène. De la Siberie aux îles du Pacifique, de l'Himalaya aux tropiques d'Asie du sud-est : une distribution qui s'étend sur près de 7 000 kilomètres du nord au sud et autant d'est en ouest.

L'analyse des génomes dénisoviens de la grotte (plusieurs individus ont maintenant été séquences) montre une diversité génétique considérable, suggérant soit une longue histoire évolutive dans cette région, soit la coexistence de plusieurs populations distinctes. Les traces d'introgression dans les populations humaines actuelles sont elles-memes hétérogènes : les Papous et Australiens portent une signature dénisovienne très différente de celle détectée chez certains groupes d'Asie du sud-est continentale, suggérant au moins deux, peut-être trois épisodes distincts de métissage entre des populations denisoviennes différentes et des vagues successives d'Homo sapiens.

La chronologie des Dénisoviens est elle aussi étendue : les fossiles de Xiahe attestent leur présence 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 Dénisoviens ont survécu 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 Dénisoviens ?

La question de l'apparence physique des Dénisoviens est l'une des plus fascinantes -- et des plus difficiles a résoudre -- de la paléontologie 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 méthodes traditionnelles. Deux approches génomiques ont cependant été explorées.

La première, publiée en 2019 par une équipe israélienne dirigée par Liran Carmel, consiste a analyser les marqueurs de methylation de l'ADN dénisovien -- 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'inférer quels genes étaient actifs (ou non) dans les os, les cartilages, les muscles et les autres tissus des Dénisoviens. Les chercheurs ont reconstruit un portrait anatomique probabiliste : les Dénisoviens auraient eu un crane large et aplati (comme les Neandertals), un visage large, et une dentition massive -- cohérente avec la mandibule de Xiahe. Ils auraient également eu des arcades sourcilières saillantes, une posture robuste, et peut-être une pigmentation sombre de la peau adaptée au faible ensoleillement des altitudes élevées.

La deuxième approche consiste a utiliser les variantes génétiques spécifiques aux Dénisoviens pour identifier les genes impliques dans leur morphologie distinctive -- couleur de peau, forme du squelette, capacité crânienne -- en comparaison avec les Homo sapiens. Ces analyses sont encore en cours et les résultats sont partiels, mais elles suggèrent que les Dénisoviens étaient morphologiquement plus proches des Neandertals que des humains modernes, tout en présentant des caractéristiques propres reflétant leur histoire évolutive indépendante en Asie.

Svante Paabo et le prix Nobel de médecine 2022

Les travaux de Svante Paabo sur les Dénisoviens et les Neandertals ont été couronnes en 2022 par le prix Nobel de physiologie ou médecine, que l'Académie suédoise lui a decerne "pour ses découvertes concernant les génomes des hominines éteints et l'évolution humaine". Paabo est le fondateur de la paleogenetique, une discipline entièrement nouvelle qui combine biologie moléculaire et paléontologie pour extraire et analyser l'ADN des fossiles.⁶

La recompense célébrait non seulement les découvertes sur les Dénisoviens, mais toute une révolution méthodologique : Paabo et son équipe avaient developpe des techniques permettant de décontaminer les échantillons fossiles de l'ADN humain moderne (la contamination étant le problème numéro un en paleogenetique), d'amplifier des quantités infimes d'ADN fragmentes preserves dans les os, et de les reassembler en séquences génomiques cohérentes. Ces techniques ont depuis été adoptées par des laboratoires du monde entier et permettent maintenant d'analyser l'ADN de spécimens vieux de plusieurs centaines de milliers d'années.

La découverte des Dénisoviens reste sans doute la révélation la plus spectaculaire de cette révolution paleogenetique : l'identification d'une espèce humaine entière a partir d'un seul et petit os, sans aucun indice anatomique préalable, uniquement grâce a la lecture de son génome, est a ce jour sans équivalent dans l'histoire des sciences naturelles. Elle illustre de façon saisissante la puissance de la biologie moléculaire appliquée a l'archéologie et a l'évolution humaine.

Perspectives : ce que nous ne savons pas encore

Malgré les progrès fulgurants de la dernière décennie, notre connaissance des Dénisoviens reste pleine de lacunes. Nous ne savons pas avec certitude quelle relation les Dénisoviens entretenaient avec d'autres populations hominines d'Asie, comme Homo erectus -- présent en Asie depuis plus d'un million d'années -- ou les populations mystérieuses d'Asie du sud-est dont certaines traces génétiques dans les populations actuelles ne s'expliquent ni par les Dénisoviens connus, ni par les Neandertals, ni par les Homo sapiens anatomiquement modernes.

Homo luzonensis, une espèce récemment découverte dans l'île de Luzon aux Philippines et datée de 50 000 a 67 000 ans, presente des caractéristiques morphologiques très particulières qui n'ont pas encore été expliquées. Pourrait-il s'agir d'une population denisoviennes insulaire ayant evolue de façon indépendante ? La question reste ouverte. De meme, les populations "negrito" de Filipinas portent la plus forte proportion de genes dénisoviens de tous les groupes non-océaniens -- ce qui suggere que les îles d'Asie du sud-est ont été un lieu de rencontre particulièrement intense entre les deux humanités.

La paleoproteomique -- l'analyse des protéines anciennes qui survivent la ou l'ADN s'est degrade -- offre une perspective d'avenir prometteuse : des protéines peuvent être extraites de fossiles vieux de plus d'un million d'années, la ou l'ADN ne survit que rarement au-delà de 500 000 ans. Des fossiles d'hominines d'Asie orientale dont la classification était incertaine pourraient, grâce a cette technique, révéler s'ils appartiennent a la lignée dénisovienne ou a une autre.

Enfin, de nombreux fossiles d'hominines "archaïques" d'Asie orientale -- les cranes de Dali, de Jinniushan, ou de Harbin en Chine -- restent non classes dans le système standard d'évolution humaine. Le crane de Harbin ("homme du Dragon"), décrit en 2021 comme potentiellement la plus proche parente connue des humains modernes, a été propose par certains chercheurs comme appartenant a la lignée dénisovienne. Si cette attribution se confirmait, les Dénisoviens 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 Dénisoviens nous rappellent avec éclat que l'histoire de l'humanité est bien plus complexe, bien plus riche en embranchements et en rencontres, que les schéma linéaires que nous avons longtemps voulu lui imposer. Nous ne sommes pas le produit d'une marche rectiligne vers la modernité, mais les héritiers d'une tapisserie d'humanités entrelacées, dont certaines ont disparu en ne laissant que leurs genes dans nos corps.