Introduction

1Depuis une vingtaine d’années, les études archéologiques peuvent être étendues et enrichies en incluant les résultats d’une nouvelle discipline, la paléogénétique. En effet, la découverte que, dans des conditions taphonomiques particulières, l’ADN peut être conservé dans des restes osseux en cours de fossilisation (ici appelés « fossiles »), a donné accès directement aux molécules porteuses de l’information génétique de l’époque. En apportant une échelle de temps absolu aux données moléculaires, l’analyse de ces molécules d’ADN conservées dans les fossiles donne une nouvelle qualité aux études de phylogéographie1 et de génétique de populations : elle permet d’affiner les études des migrations des populations animales et humaines anciennes, ainsi que les liens de parenté au sein des populations et la structure des sociétés anciennes. Ainsi, l’approche paléogénétique peut apporter un éclairage nouveau sur les processus de domestication au Néolithique, processus qui sont connus à l’heure actuelle grâce aux données fournies d’une part par l’archéologie et d’autre part et plus récemment par la biologie moléculaire (analyse de populations bovines actuelles).

2Les études archéologiques ont mis en évidence les premiers indices de domestication des bovins sur des sites du Proche-Orient, il y a environ 10 000 ans, soit plus de 2000 ans avant l’apparition de bœufs domestiques en France. Bien que l’aurochs (ancêtre sauvage des bœufs domestiques) ait eu une répartition très large dans toute l’Eurasie, la plupart des archéozoologues pensent que les bœufs européens sont issus de souches proche-orientales importées avec la culture néolithique (Arbogast, 1994 ; Hachem, 1995 ; Tresset, 1997 ; Vigne, Helmer, 1999). Mais les critères morphologiques et paléodémographiques qu’ils utilisent sont très fragiles (Vigne, Helmer, 1999). Face à l’absence d’arguments archéologiques et archéozoologiques déterminants et non ambigus (comme un changement clair dans la composition des espèces fauniques d’un site, la diminution évidente de taille et/ou le changement de formes clairement liés à la domestication) pour établir l’origine des bovins européens et éclairer l’éventuel rôle de la domestication autochtone, il est nécessaire d’utiliser d’autres moyens d’investigation.

3Les analyses utilisant la biologie moléculaire pourraient apporter des observations décisives pour élucider le processus de domestication. En effet, l’Homme, en domestiquant les bovins, est intervenu dans la structure des troupeaux et dans leur reproduction, modifiant ainsi la sélection naturelle et induisant une différenciation génétique. Le prélèvement d’un petit échantillonnage de la population sauvage à des fins de domestication est susceptible de produire un effet de population fondatrice*. L’existence de petites populations aux stades initiaux de la domestication est susceptible d’avoir entraîné une dérive génétique* importante qui va participer à la disparition, dans le patrimoine génétique des animaux en voie de domestication, de certains facteurs héréditaires présents dans les populations sauvages. Cette différenciation génétique devrait permettre de retracer génétiquement les processus de domestication et de migration au cours du Néolithique. Ainsi, l’analyse de la diversité génétique au sein des cheptels bovins actuels de différents pays a déjà permis de retracer une partie de leur histoire (Troy et alii, 2001). Mais cette approche phylogénétique est limitée par la disparition de l’aurochs et les approximations dans la construction des arbres phylogénétiques * qui se basent sur le principe de l’horloge moléculaire*. On doit pouvoir s’affranchir de ces limites avec la paléogénétique. Pour cette raison, nous avons commencé une étude paléogénétique sur différents corpus d’ossements de bovins mésolithiques et néolithiques de plusieurs régions de France et d’Europe du Nord, en collaboration étroite avec les archéozoologues analysant ces ossements. En nous appuyant d’une part sur les données archéologiques et d’autre part sur de nombreuses données obtenues par les méthodes de biologie moléculaire, nous espérons comparer les modèles proposés par les deux disciplines, pallier certaines incohérences et lacunes et apporter une vision nouvelle à la compréhension des processus de domestication.

Qu’est-ce que les données moléculaires actuelles sur la domestication des bovinés nous enseignent sur l’analyse phylogénétique ?

Les centres primaires de domestications et le traitement des contradictions entre approches archéologiques et phylogénétiques

4Les études phylogénétiques récentes ont mis en évidence le fait que les bovins à bosse [les zébus (Bos indicus)] et ceux sans bosse (Bos taurus) ont été domestiqués indépendamment par deux civilisations néolithiques différentes (Loftus et alii, 1994b ; Bradley et alii, 1996), contrairement à l’hypothèse acceptée par la communauté archéologique jusqu’alors, selon laquelle il y aurait eu un centre primaire unique de domestication des bovinés au Proche-Orient (Epstein, 1971 ; Epstein, Mason, 1984 ; Payne, 1991). D’après les données moléculaires à partir des bœufs actuels, les zébus (Bos indicus) descendraient donc de la domestication d’aurochs d’Asie du Sud (Bos primigenius namadicus) par une population pastorale néolithique du Pakistan, alors que la domestication d’aurochs (Bos primigenius primigenius) en Anatolie serait à l’origine des bœufs modernes. Cette hypothèse a été établie par R. T. Loftus (Loftus et alii, 1999) en se basant sur le calcul de la date de divergence* entre ces deux sous-espèces, qui a été estimée à plus de 210 000 ans, c’est-à-dire antérieure à leur domestication. L’analyse d’autres marqueurs génétiques (Machugh et alii, 1997) corrobore ces données, mais estime que la séparation entre ces deux sous-espèces est encore plus ancienne (610 000 - 850 000 ans). De plus, d’autres études basées sur le même type de raisonnement suggèrent l’existence de deux origines de domestication différentes pour les bœufs africains et européens, une en Égypte et une en Anatolie (Bradley et alii, 1996 ; Machugh et alii, 1997). Mais cette hypothèse n’est pas corroborée par les données archéologiques.

5Comme toute discipline, la phylogénie moléculaire a ses limites et contraintes. En effet, cette approche se base sur un certain nombre de postulats qui ne sont pas tous démontrés et dont certains sont même très contestables. Pour calculer la date de divergence entre espèces, ou plus exactement entre séquences d’ADN portées par ces deux espèces, les phylogénéticiens déterminent le taux de divergence entre ces séquences, en déduisant le nombre de mutations* qui ont eu lieu, puis, en assumant que les mutations ont eu lieu à un rythme constant et en estimant la vitesse d’acquisition des mutations, en déduisent la date de divergence. La limite majeure de l’approche est dans l’estimation de cette vitesse d’acquisition des mutations. On sait maintenant qu’elle n’est pas homogène pour différentes séquences. De plus, rien ne prouve qu’elle ne soit constante au cours du temps, ce qui est implicitement admis dans les modèles. Au contraire, les rares données dont on dispose sur l’évolution des mutations au sein des populations bactériennes montrent plutôt que la vitesse d’acquisition des mutations est modifiée lorsque les conditions d’environnement sont modifiées (Giraud et alii, 2001). Finalement, le calibrage de la vitesse est effectué sur la base de données paléontologiques. Lorsqu’une étude phylogénique contredit une étude paléontologique, que faut-il remettre en question ? Cette étude paléontologique ou l’étude paléontologique qui a servi à calibrer l’horloge de l’approche phylogénique ?

6L’ensemble des travaux réalisés sur la phylogénie des bovins des différents continents du monde met en évidence l’existence de nombreux croisements entre les populations bovines depuis leur domestication, et une modification récente de la distribution des génotypes à la suite des programmes de sélection de ce dernier demi-siècle. Ceci complique l’interprétation des études génétiques des populations modernes. Face à ces difficultés, la paléogénétique, qui permet un accès direct aux séquences d’ADN de l’époque étudiée, devrait permettre de valider ces hypothèses en s’affranchissant de l’horloge moléculaire.

Impact de l’identité des séquences d’ADN analysé sur l’image donnée par l’analyse phylogénétique

7Les analyses génétiques ont généralement besoin d’être assez exhaustives pour éviter les erreurs d’interprétation concernant l’origine et l’évolution des populations. Un des problèmes qui se posent est l’origine parentale du matériel génétique. Les remaniements entre génome paternel et maternel qui ont lieu au sein de chaque individu rendent les analyses génétiques de populations inintelligibles, sauf si l’on étudie des régions qui échappent à ce remaniement car étant transmises exclusivement par un des parents. Deux types d’ADN* se prêtent à cette analyse : l’ADN mitochondrial et l’ADN correspondant à la région du chromosome Y, qui n’a pas d’homologue sur le chromosome X et qui est donc transmis par la lignée paternelle. L’ADN mitochondrial est l’ADN le plus souvent analysé. Il est porté par un organite présent dans le cytoplasme de toutes les cellules eucaryotes (c’est-à-dire possédant un noyau), la mitochondrie. La mitochondrie assure la respiration dans la cellule et permet la production de la majeure partie de l’énergie utilisée par la cellule. Lors de la fécondation, le spermatozoïde n’injecte pas ses mitochondries dans l’ovule et donc les seules mitochondries que l’on retrouve dans un organisme proviennent de sa mère. Certaines régions de l’ADN mitochondrial ne sont pas soumises à une très forte pression de sélection et évoluent rapidement, ce qui les rend favorables pour analyser des événements évolutifs assez récents. Ceci est bien adapté par exemple à l’analyse de la domestication. D’autre part, la cellule possède jusqu’à dix milliers de copies d’ADN mitochondrial, qui représentent donc un matériel beaucoup plus abondant que les séquences d’ADN nucléaire, présentes, elles, en deux exemplaires par cellule. Cette abondance facilite l’analyse dans les cas où peu de matériel génétique est disponible, comme pour l’analyse de l’ADN ancien.

8Malgré tous ces avantages de l’ADN mitochondrial, l’analyse exclusive de l’ADN d’origine maternelle peut induire en erreur. Ceci a été observé, par exemple, lors de l’étude des populations bovines actuelles en Afrique. De nos jours, la population bovine africaine est majoritairement de type zébu ou de forme hybride entre zébu et taurin (« sanga ») au niveau morphologique. Pourtant l’ADN mitochondrial des races africaines est essentiellement de type taureau (fig. 1) (Loftus et alii, 1994a) et se distingue nettement de celui des Bos indicus indien. Cette situation peut être expliquée par l’histoire particulière de la domestication des bovins en Afrique : à l’origine, le bétail indigène africain serait exclusivement de type taureau, c’est-à-dire sans bosse, et aurait été apporté par les migrations des peuples du Proche-Orient. Par la suite, les migrations successives venant du Moyen-Orient, d’Arabie et d’Inde pendant l’Antiquité et surtout les invasions arabes en 670 après J.-C., ainsi que les relations mercantiles à travers l’Océan indien, auraient introduit Bos indicus en Afrique. Par contre, l’introgression de Bos indicus dans cette espèce n’est visible qu’en étudiant l’ADN génomique * (Bradley et alii, 1994 ; Machugh et alii, 1997 ; Hanotte et alii, 2000 et 2002). Ce serait donc majoritairement des zébus mâles qui auraient été d’une part, introduits lors des invasions arabes et d’autre part, croisés avec des vaches indigènes afin de donner des hybrides plus résistants aux conditions arides. Il vaut donc mieux éviter de tirer des conclusions définitives d’une analyse phylogénétique avant qu’elle ne soit exhaustive.

Analyse paléogénétique*

Contraintes des analyses paléogénétiques

9Bien qu’elles soient riches de potentiel, les études paléogénétiques ne sont pas dénuées de difficultés techniques qui peuvent fausser grandement les interprétations. Les difficultés rencontrées au cours d’une étude paléogénétique interviennent à différents niveaux de l’analyse. Le matériel ancien en lui-même peut être un facteur limitant dans certaines études à cause de sa rareté, de son mauvais état de conservation, ou encore de son âge. Cependant ces problèmes sont moins graves pour l’étude de la domestication des bovins car ce sont généralement des os de taille importante, bien conservés, et dont la destruction d’un petit fragment pour l’analyse paléogénétique (moins d’un gramme d’os est nécessaire) est possible après analyse paléontologique.

10De plus, les ossements étudiés datent au maximum de 100 000 ans, âge pour lequel les méthodes « classiques » d’analyse paléogénétique permettent, avec une probabilité raisonnable, d’étudier l’ADN ancien. De façon générale, la préservation de l’ADN reste essentiellement dépendante des conditions de fossilisation, à savoir les événements suivants directement la mort (conditions de pourrissement) et, au long de la fossilisation, la présence d’eau ou d’oxygène, le pH, la pression, la température et l’exposition au rayonnement. En effet, peu de temps après la mort, l’ADN se fragmente par dégradation enzymatique, puis il subit de sévères modifications par oxydation et hydrolyse au cours des étapes ultérieures. Ces modifications posent un certain nombre de problèmes, aussi bien lors du clonage* direct de l’ADN que lors de l’amplification par PCR* (réaction de polymérisation en chaîne). Elles entraînent une fragmentation de l’ADN et l’incorporation de bases erronées lors de la réplication par l’ADN polymérase*. De ce fait, seuls de petits fragments (entre 100 et 300 paires de bases) peuvent être amplifiés par PCR. Or les analyses phylogénétiques à partir de grands fragments d’ADN sont plus fiables car ils sont porteurs de plus d’informations concernant le polymorphisme* de l’espèce. Pour pallier ce problème, on réalise des amplifications de petits fragments chevauchant une même région d’ADN.

11Cependant, l’un des problèmes les plus difficiles à maîtriser est l’amplification de molécules contaminantes. En effet, la PCR est une méthode si sensible qu’elle peut permettre l’amplification d’une molécule d’ADN unique. Or l’ADN moderne, non pénalisé par les modifications délétères précédemment évoquées, sera amplifié préférentiellement par rapport à l’ADN ancien. Il est donc essentiel de prévenir autant que possible toutes contaminations. Celles-ci peuvent se produire pendant la période d’enfouissement du spécimen, pendant son prélèvement à partir du sédiment et lors de son analyse. De nombreuses précautions, la restriction des manipulations des extraits fossiles à des laboratoires spécifiques dédiés à ce type de travaux, la destruction chimique et par l’UV de l’ADN contaminant les surfaces, ainsi que l’analyse d’un grand nombre de témoins sont donc indispensables pour limiter les contaminations par l’ADN moderne et éventuellement évaluer leur ampleur. Dans le cas d’un travail sur les ossements de bovins, l’importance de la taille des échantillons permet de retirer la surface externe et d’analyser uniquement la partie centrale, compacte, de l’os, qui est la moins susceptible d’avoir été contaminée. De plus, en choisissant des amorces* spécifiques de l’ADN bovin pour l’amplification, on peut s’affranchir des éventuelles contaminations humaines qui auraient pu avoir lieu au cours des différentes manipulations. Ainsi, si l’on respecte ces différentes contraintes, les ossements des grands mammifères se prêtent particulièrement bien aux analyses paléogénétiques.

12Dans le cas des bovins, plusieurs études paléogénétiques sur des os fossiles ont déjà été publiées (Bailey et alii, 1996 ; Machugh et alii, 1999 ; Troy et alii, 2001). Ces études ont tout d’abord permis de montrer qu’il était possible d’extraire de l’ADN d’ossements d’aurochs et de bœufs provenant de sites méso-, néo- et post-néolithiques.

La paléogénétique appliquée à la domestication

13Dans un premier temps, nous avons commencé notre analyse paléogénétique des processus de domestication sur un corpus d’une trentaine d’ossements de bœufs et d’aurochs provenant de différents sites du Néolithique moyen et final de Charente et de Vienne, en employant une nouvelle technique d’amplification d’ADN (Pruvost, Geigl, 2004). Ces ossements ont été prélevés au cours de fouilles de plusieurs enceintes néolithiques (ceux provenant du « camp » de Challignac notamment ont été prélevés de façon aseptique et congelés immédiatement) par l’équipe de Claude Burnez et de Catherine Louboutin et déterminés paléontologiquement par Séverine Braguier. L’étude paléontologique et archéologique de la faune de ces sites a révélé une activité de chasse très faible et une domestication des bovins axée surtout sur leur utilisation comme bête de somme (Braguier, 1999 ; Burnez et alii, 1999). Depuis, plusieurs autres échantillonnages ont été réalisés dans différentes régions de France et d’Europe du Nord, dont les ossements sont actuellement analysés.

14Quelques-uns de ces ossements ont donné des résultats encourageant pour le reste de l’étude. Nous avons en effet obtenu quelques séquences nucléotidiques dont l’authentification est en cours. Néanmoins une première analyse de ces séquences montre qu’elles appartiennent toutes au groupe des séquences afro-européennes, ce qui est un indice favorable de leur authenticité. De plus, l’arbre phylogénétique obtenu avec ces séquences reste en accord avec les résultats des études précédentes sur l’ADN moderne (Troy et alii, 2001). Nous observons également que les séquences des aurochs européens B. primigenius se retrouvent au sein des séquences européennes (fig. 1). Ces résultats semblent indiquer, contrairement aux études précédentes, que les aurochs sauvages indigènes ont eu une certaine influence sur les espèces domestiques, mais les valeurs de bootstrap* au niveau de ces branches sont trop faibles pour conclure et il serait nécessaire d’étendre l’étude à une séquence nucléotidique plus grande et de disposer de plus d’échantillons, afin de s’assurer de la solidité de cette hypothèse.

15Au sein des lignées indiennes, européennes et africaines, les relations phylogénétiques sont floues, comme nous l’avons souligné précédemment, et il y a relativement peu de variabilité. Dans ce contexte, la méthode du « Median Joining Network* » (Bandelt et alii, 1995), plus résolutive que les méthodes traditionnelles de construction d’arbres phylogénétiques, peut permettre d’identifier des groupes au sein des lignées africaines et européennes (Richards et alii, 1996). Cette méthode a permis à C.-S. Troy de définir un haplotype* correspondant aux bovins africains et un autre correspondant aux européens (Troy et alii, 2001). Sur la base de ces travaux, nous avons construit un réseau phylogénétique incluant nos séquences anciennes « françaises ». Nous avons constaté alors que toutes les séquences anciennes, y compris celle des aurochs, appartiennent à l’haplotype majoritaire en Europe et non à celui qui est majoritaire en Afrique. D’autre part, les séquences anciennes apparaissent dispersées au sein des séquences modernes, ce que l’on pouvait constater également sur les arbres phylogénétiques. Cela semble montrer qu’à cette époque la diversité observée au sein des séquences actuelles existait déjà ; ce qui pourrait confirmer l’hypothèse émise par J.-F. Bailey (Bailey et alii, 1996) d’une expansion de l’espèce en Europe lors du Néolithique. Notre analyse phylogénétique, basée sur la construction de réseaux réduits, suggère également une introgression possible des aurochs locaux dans le cheptel bovin d’un des sites analysés, mais notre étude n’est pas assez avancée pour confirmer ce résultat et pour déterminer s’il est généralisable à d’autres sites de cette époque ou de cette région.

Perspectives

16Ces données, bien que préliminaires, mettent déjà en évidence les différents problèmes auxquels nous serons confrontés lors de cette étude pour valider les différentes hypothèses relatives aux processus de domestication. Elles peuvent être en partie résolues en analysant de nombreux corpus d’ossements de différentes régions, chronologiquement fiables, bien caractérisés, bien insérés dans des études locales et prélevés dans des conditions compatibles avec une analyse paléogénétique fiable. Ceci implique sans aucun doute l’établissement de nombreuses collaborations avec des archéologues et archéozoologues s’intéressant au processus de domestication des bovins et travaillant sur le Mésolithique et le Néolithique. C’est à eux que nous adressons notre invitation à des collaborations qui doivent se baser sur un échange approfondi, car nous sommes convaincues qu’un échange d’informations aussi bien sur le site, sa richesse, sa structure, son histoire que sur les approches paléogénétiques et ses exigences méthodologiques, sont indispensables. En effet, l’approche paléogénétique, bien que très performante, est invasive et riche en perturbations potentielles dont il est nécessaire de se prémunir. Les conditions de prélèvement et de conservation des os doivent permettre d’éviter la contamination par de l’ADN moderne et la dégradation du matériel biologique. Les expériences doivent être dupliquées sur deux échantillons d’os, au sein de notre laboratoire, et pour les résultats les plus importants, dans un autre laboratoire. Plusieurs os représentatifs du site doivent être étudiés en parallèle.

17Par conséquent, notre stratégie actuelle implique deux étapes : pour l’instant, nous essayons d’échantillonner large et de façon non restrictive aussi bien géographiquement que chronologiquement pour déterminer les conditions taphonomiques (conditions géologiques, géochimiques, climatiques des sites en question au cours du temps) qui permettent la conservation de l’ADN. Il faut rappeler le fait que seule une petite partie des échantillons contient de l’ADN amplifiable par PCR, ce qui implique qu’un criblage des échantillons est nécessaire. Dans un deuxième temps, les sites qui s’avèrent favorables quant à la conservation de l’ADN seront analysés de manière approfondie selon des critères bien précis à définir en collaboration avec l’archéologie et l’archéozoologie, comme l’analyse des ossements d’un site dans le temps (c’est-à-dire à travers toute la stratigraphie), l’analyse « historisante » (c’est-à-dire de plusieurs sites le long d’une des routes des migrations des bœufs supposées à partir du Proche-Orient), ou bien l’analyse de l’impact de la post-domestication (c’est-à-dire de l’introgression des aurochs locaux). Ces deux dernières études demandent une approche de génétique de populations, c’est-à-dire l’analyse d’un grand nombre d’ossements, ainsi que l’établissement d’un référentiel moléculaire pour les populations d’aurochs mésolithiques et néolithiques afin de pouvoir en tirer des conclusions. De plus, si les résultats paléogénétiques obtenus avec une analyse de l’ADN mitochondrial ne sont pas assez résolutifs (gamme de mutations dans les échantillons anciens trop proche de celle des bœufs récents – ceci pouvant être la conséquence du fait que l’on analyse un locus génétique singulier qui peut ou peut ne pas refléter l’histoire générale du génome en question), il faudra analyser d’autres parties d’ADN comme les microsatellites*. Cela augmentera la résolution, mais posera encore plus de problèmes techniques. Finalement, l’analyse génétique de certains échantillons dont la détermination morphologique reste incertaine (comme dans le cas d’ossements d’aurochs femelles et de taureaux) devrait inclure une détermination moléculaire du sexe de l’os échantillonné afin d’établir une cohérence entre les résultats archéozoologiques et paléogénétiques dès le départ. L’étape finale de synthèse consistera enfin en une interprétation des données moléculaires obtenues en prenant en compte les données archéologiques et archéozoologiques disponibles, comme les types d’alimentation et d’élevages des animaux domestiqués par les humains, les proportions entre animaux chassés et élevés, les différents modes de leur exploitation, les contextes culturels et les habitudes alimentaires des communautés humaines étudiées, les indices d’échanges avec d’autres communautés, les aspects paléoenvironnementaux et paléoéconomiques, mais aussi les données taphonomiques des sites en question.

18D’ambitieux travaux doivent donc être entrepris pour obtenir des résultats représentatifs qui permettraient de trancher entre les différentes hypothèses. Néanmoins la paléogénétique reste pour la phylogéographie des bovinés, la seule méthode permettant de suivre l’évolution des relations phylogénétiques dans les deux dimensions, l’espace et le temps, et donc de tester les hypothèses émises par les paléontologues.