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La plus ancienne peinture d’ADN connue d’un Arctique autrefois luxuriant

Dans le pergélisol à la limite nord du Groenland, les scientifiques ont découvert les plus anciens fragments d’ADN connus, offrant un regard extraordinaire sur un écosystème ancien extraordinaire.

La le matériel génétique remonte à au moins deux millions d’années – c’est presque deux fois plus vieux que l’ADN de mammouth en Sibérie qui détenait le précédent record. Et les échantillons, décrits mercredi dans la revue Nature, provenaient de plus de 135 espèces différentes.

Ensemble, ils montrent qu’une région à seulement 600 miles du pôle Nord était autrefois couverte d’une forêt de peupliers et de bouleaux habitée par des mastodontes. Les forêts abritaient également des caribous et des lièvres arctiques. Et les eaux côtières chaudes étaient remplies de limules, une espèce qu’on ne trouve plus aujourd’hui plus au nord du Maine.

Des experts indépendants ont salué l’étude comme une avancée majeure.

“C’est presque magique de pouvoir déduire une image aussi complète d’un écosystème ancien à partir de minuscules fragments d’ADN préservé”, a déclaré Beth Shapiro, paléogénéticienne à l’Université de Californie à Santa Cruz.

“Je pense que ça va époustoufler les gens”, a déclaré Andrew Christ, géoscientifique à l’Université du Vermont qui étudie l’Arctique ancien. “Cela l’a certainement fait pour moi.”

La découverte est survenue après deux décennies de paris scientifiques et de revers frustrants.

L’un des chefs de file du projet, Eske Willerslev, a mis au point des méthodes pour extraire l’ADN des sédiments alors qu’il était étudiant diplômé à l’Université de Copenhague. En 2003, en étudiant un morceau de pergélisol sibérien, lui et ses collègues ont trouvé de l’ADN de plantes telles que le saule et les marguerites datant d’il y a 400 000 ans.

Cette découverte a établi un record pour l’ADN le plus ancien, et de nombreux scientifiques doutaient qu’il soit possible de trouver quoi que ce soit de beaucoup plus ancien. Mais en 2006, le Dr Willerslev et Kurt Kjaer, géoscientifique à l’Université de Copenhague, ont tenté de déjouer les pronostics dans le nord du Groenland. Ils se dirigèrent vers une formation géologique appelée Kap Kobenhavn, une série de collines nues aussi désolées qu’un paysage lunaire. Auparavant, les scientifiques y avaient trouvé des fossiles de plantes qu’ils estimaient avoir 2,4 millions d’années. Trouver de l’ADN dans les sédiments aurait été étonnant.

“Si vous voulez faire avancer les choses, vous devez faire quelques pas”, a déclaré le Dr Kjaer.

Les chercheurs ont déterré le pergélisol et l’ont ramené à Copenhague pour rechercher de l’ADN. Ils n’en ont trouvé aucun.

Plus tard, le Dr Willerslev et ses collègues ont eu plus de succès lorsqu’ils ont examiné des sédiments et des os plus jeunes provenant d’autres parties du monde. Ils ont découvert une richesse d’ADN humain ancien qui a contribué à remodeler notre compréhension de l’histoire de notre espèce.

En cours de route, les chercheurs ont peaufiné leurs méthodes d’extraction d’ADN à partir d’échantillons anciens et amélioré les machines qu’ils utilisaient pour le séquencer. Au fur et à mesure qu’ils devenaient meilleurs à la pêche aux gènes, ils prélevaient davantage d’échantillons de Kap Kobenhavn pour un autre tir.

Mais pendant des années, ils ont échoué, encore et encore. De temps en temps, ils étaient attirés par ce qui ressemblait à de courts morceaux d’ADN, appelés lectures. Les chercheurs ne pouvaient pas exclure la possibilité que des fragments d’ADN jeune au Groenland, ou même dans leur laboratoire, aient contaminé les lectures.

Enfin, après une mise à niveau majeure de leur technologie, ils ont trouvé de l’ADN dans les échantillons en 2017. Le pergélisol s’est avéré être chargé de matériel génétique. Avant longtemps, ils avaient collecté des millions de fragments d’ADN.

“Ce fut une percée”, a déclaré le Dr Willerslev. “Cela passait de rien ou de très peu dont vous ne savez pas qu’il est réel, à tout à coup : c’est là.”

Les chercheurs ont aligné les fragments avec des séquences d’ADN d’espèces vivantes pour déterminer leur place sur l’arbre évolutif. Ils ont trouvé 102 types de plantes différentes, dont 78 qui avaient déjà été identifiées à partir de fossiles et 24 nouvelles. L’ADN de la plante a peint une image de forêts dominées par les peupliers et les bouleaux.

D’autres séquences proviennent d’animaux terrestres, notamment des caribous, des lièvres, des mastodontes, des oies, des lemmings et des fourmis. Les chercheurs ont également trouvé des espèces marines, telles que des limules, des coraux et des algues.

“Cela a remplacé tout ce que nous avions imaginé”, a déclaré le Dr Kjaer.

Les chercheurs ont également fouillé le pergélisol à la recherche de nouveaux indices sur l’âge des fossiles. Ils ont trouvé des couches dans les sédiments dans lesquelles les minéraux ont révélé que le champ magnétique terrestre s’était inversé. L’âge de ces inversions a aidé les chercheurs à déterminer que Kap Kobenhavn avait au moins deux millions d’années, mais ils n’ont pas pu établir de limite supérieure claire. “Mon sentiment instinctif en tant que géoscientifique est qu’il est plus ancien”, a déclaré le Dr Kjaer.

Les chercheurs ont exclu la possibilité que l’ADN provienne d’espèces plus jeunes qui ont contaminé le pergélisol plus ancien. L’ADN des bouleaux de Kap Kobenhavn manquait de nombreuses mutations des espèces vivantes, ce qui indique qu’elles étaient anciennes. L’ADN de Kap Kobenhavn présentait également un schéma distinct de dommages qui ne se produit que lorsque les molécules sont restées dans les sédiments pendant des périodes géologiques.

“Cela aide vraiment à montrer qu’il s’agit vraiment d’un vieil ADN”, a déclaré Tyler Murchie, chercheur postdoctoral à l’Université McMaster qui n’a pas participé à la nouvelle étude.

Les chercheurs ont été surpris par certaines des espèces qu’ils ont trouvées. Le caribou vit aujourd’hui au Groenland, comme dans une grande partie de l’Arctique. Mais jusqu’à présent, leurs archives fossiles suggéraient qu’elles avaient évolué il y a un million d’années. Leur ADN double maintenant leur histoire évolutive.

Love Dalén, un paléogénéticien de l’Université de Stockholm qui a découvert l’année dernière de l’ADN de mammouth en Sibérie vieux de 1,2 million d’années, s’est émerveillé que des mastodontes soient apparus au Groenland. “Qu’est-ce qu’ils foutent là-haut ?” Il a demandé.

Le Dr Dalén a noté que les fossiles de mastodontes connus les plus proches étaient des restes vieux de 75 000 ans en Nouvelle-Écosse – qui sont beaucoup plus jeunes que l’ADN du Groenland et beaucoup plus au sud que Kap Kobenhavn. “Vous ne pouvez pas aller beaucoup plus au nord sur la terre ferme”, a-t-il déclaré.

Les chercheurs danois ont déterminé que les mastodontes du Groenland appartenaient il y a deux millions d’années à une branche profonde de l’arbre généalogique des mastodontes, qui était auparavant inconnue. “Cela pourrait signifier qu’ils sont les ancêtres des mastodontes du Pléistocène tardif que nous connaissons, ou qu’ils pourraient représenter une nouvelle espèce”, a déclaré le Dr Dalén.

Écologiquement, les mastodontes s’intégreraient bien dans une forêt de peupliers et de bouleaux au Groenland, comme ils le faisaient dans les forêts nord-américaines. Alors que le caribou est le plus commun dans les toundras du nord, une sous-espèce vit dans les forêts canadiennes, offrant des indices sur la façon dont l’ancien caribou aurait pu prospérer. Mais la présence de limules dans les eaux côtières peu profondes suggère que l’océan et la terre étaient remarquablement chauds.

Le Dr Willerslev et ses collègues continuent d’étudier l’ADN pour trouver des indices sur la façon dont toutes ces espèces ont pu prospérer à des milliers de kilomètres au nord du cercle polaire arctique. Les arbres, par exemple, devaient survivre la moitié de l’année dans l’obscurité. L’ADN conservé depuis deux millions d’années pourrait détenir ses secrets d’adaptation.

Les scientifiques s’intéressent également à la façon dont les fragments d’ADN ont réussi à survivre si longtemps et à défier les attentes. Leurs recherches indiquent que les molécules d’ADN peuvent s’accrocher aux minéraux de feldspath et d’argile, ce qui les protège contre d’autres dommages.

Sur la base de cette découverte, les chercheurs développent de nouvelles méthodes qui, espèrent-ils, leur permettront d’extraire encore plus d’ADN des sédiments anciens. Le Dr Kjaer et ses collègues explorent des sites vieux de quatre millions d’années au Canada dans l’espoir de battre leur propre record.

Le Dr Dalén a dit qu’ils pourraient réussir. Mais les dommages que lui et les chercheurs danois découvrent dans l’ADN le plus ancien lui suggèrent qu’il sera impossible de trouver du matériel génétique ancien datant de plus d’environ cinq millions d’années. “Cela ne suggère en aucun cas qu’il y aura de l’ADN provenant de fossiles de dinosaures”, a-t-il déclaré.

Le Dr Christ a déclaré que la découverte de plus d’ADN provenant d’endroits comme Kap Kobenhavn pourrait les aider à mieux comprendre comment le changement climatique d’origine humaine modifiera l’Arctique. Nous ne devons pas supposer, a-t-il dit, que la région ressemblera à des écosystèmes dans des endroits plus au sud. Après tout, l’écosystème de Kap Kobenhavn il y a deux millions d’années n’a pas d’analogue aujourd’hui.

“La vie s’adaptera, mais d’une manière à laquelle nous ne nous attendons pas”, a déclaré le Dr Christ.

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