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Jusqu'à présent, l'étude des fossiles s'appuyait majoritairement sur l'analyse morphologique des squelettes, ou bien dans certains cas dans l'analyse de fragments ADN. Une équipe internationale a toutefois travaillé sur une approche radicalement différente: l'analyse du métabolome. Il s'agit de l'ensemble des molécules qui sont produites par le fonctionnement interne d'un organisme.
Leurs travaux, publiés dans Nature, démontrent que ces signatures biochimiques préservées dans la structure osseuse, peuvent survivre sur des échelles de temps dépassant largement le million d'années et révéler des informations jusqu'alors inconnues. Alors que l'ADN permet de retracer les arbres généalogiques, les métabolites peuvent représenter comment l'organisme fonctionnait de son vivant.
La boîte noire biochimique de l'os
Contrairement à son apparence solide, l'os est un tissu dynamique et vascularisé. Son réseau dense de micro-canaux, qui sert initialement à l'irrigation sanguine et aux échanges nutritifs, agit in fine comme un piège naturel. Lors de la croissance osseuse, des métabolites qui circulent dans le sang (résidus des processus digestifs, hormonaux ou immunitaires) peuvent en effet s'infiltrer et se loger dans cette matrice microporeuse qui offre une protection remarquable contre la dégradation.
Une équipe de chercheurs a pu vérifier cette hypothèse en analysant des os de souris à l'aide d'une spectrométrie de masse, une technique capable d'identifier des molécules par leur poids. L'analyse a révélé la présence de près de 2200 métabolites, ce qui a permis de valider le principe. Les scientifiques ont ensuite appliqué cette même méthode à des fossiles d'animaux (rongeurs, antilope, éléphant) provenant de sites majeurs pour l'évolution humaine en Afrique australe et orientale, datés de 1,3 à 3 millions d'années.
L'analyse a révélé une grande quantité de molécules liées à des fonctions biologiques normales, comme le métabolisme des acides aminés ou des vitamines. La présence de certains marqueurs spécifiques a même permis de déterminer que certains individus fossiles étaient des femelles. Cette préservation offre donc un instantané biochimique de l'état physiologique de l'animal au moment de sa mort, une information qui était jusqu'alors inaccessible.
Récits de maladie et d'environnement
L'étude a franchi une étape inattendue, en identifiant une pathologie infectieuse dans un os d'écureuil datant de 1,8 million d'années. Les chercheurs ont en effet réussi à isoler un métabolite propre au parasite Trypanosoma brucei, agent de la maladie du sommeil véhiculé par une mouche tsé-tsé. Ils ont également détecté la signature chimique de la réponse inflammatoire de l'animal hôte. Il s'agit d'une des plus anciennes preuves directes d'une maladie infectieuse conservée dans des restes fossiles.
La découverte de métabolites d'origine végétale a également permis de livrer des secrets tout aussi précieux sur les paysages disparus. La chimie de l'os de l'écureuil contenait des traces d'aloès, une plante aux exigences écologiques strictes concernant la température, les précipitations et l'ensoleillement. La présence de ces molécules indique non seulement le régime de l'animal, mais permet de déduire les conditions climatiques de son habitat avec une précision remarquable.
Ces reconstructions environnementales, déduites de la biochimie fossile, corroborent les données géologiques existantes. Grâce à ces informations, se dessine petit à petit une représentation de l'Afrique orientale ancienne, plus chaud et considérablement plus humide que l'actuel, avec des paysages de forêts claires, de prairies et de zones marécageuses. Chaque fossile devient ainsi un point de données riche pour cartographier les écosystèmes du passé.
Pour aller plus loin: Qu'est-ce que la métabolomique ?
La métabolomique est la science qui étudie l'ensemble des petites molécules, appelées métabolites, présentes dans un organisme à un instant donné. Ces molécules sont les produits finaux ou intermédiaires des innombrables réactions chimiques qui maintiennent la vie, comme la transformation des aliments en énergie ou la synthèse d'hormones. Leur profil, le métabolome, est une empreinte unique et dynamique.
Contrairement au génome, qui est stable et hérité, le métabolome reflète l'interaction constante entre les gènes et l'environnement. Il change en réponse à l'alimentation, au stress, à une maladie ou à l'exposition à des toxines. En médecine moderne, l'analyse du métabolome sert ainsi au diagnostic précoce ou à la compréhension des mécanismes de certaines pathologies.
Son application à l'archéologie et à la paléontologie, comme dans cette étude, est récente et audacieuse. Elle consiste à chercher ces signatures biochimiques éphémères dans des matériaux anciens. Leur détection prouve qu'elles peuvent se fossiliser dans des conditions propices, et ainsi permettre d'obtenir des informations sur la physiologie et les conditions de vie d'organismes désormais éteints.