mardi 30 mai 2017

L'origine et l'évolution primitive de l'atmosphère terrestre révélée par des gaz piégés dans des minéraux de 3,3 milliards d'années

Pour PrépaCAPES et PrépaAgreg 

Thèmes : histoire de la Terre, atmosphère

La Terre s'est formée il y a environ 4,54 milliards d'années. A cette époque, notre planète était probablement dépourvue d'éléments volatils à cause de sa position proche du Soleil. Ces éléments ont en effet des capacités importantes de vaporisation (= volatilité). Il s'agit entre autres du N2, de l'eau, du CO2, de l'ammoniac, du méthane...etc...La présence d'océans et d'une atmosphère à la surface de notre planète démontre que des éléments volatils ont été apportés par le gaz solaire, les astéroïdes riches en volatils ou par les comètes. Cependant, de nombreux évènements ultérieurs (la formation du noyau, la différenciation du manteau, la subduction de la croûte dans le manteau ou encore les fuites atmosphériques) ont modifié les quantités d'éléments volatils terrestres. Il est donc difficile de lier l'atmosphère actuelle aux potentielles sources du système solaire. 
 
Les gaz rares dont le xénon et ses neuf isotopes, sont des éléments chimiquement inertes, c'est-à-dire qu'ils n'interviennent pas dans les réactions chimiques. Ce sont donc d'excellents traceurs de processus physiques tels que l'apport d'éléments volatils à l'atmosphère, les fuites atmosphériques, le dégazage des enveloppes terrestres etc. Dans une étude publiée le 18 Mai 2017, deux chercheurs du CRPG (CNRS / Université de Lorraine) en collaboration avec l'Université de Manchester démontrent que des inclusions de fluides piégées dans des roches anciennes de la région de Barberton (Afrique du Sud) ont enregistré la composition isotopique des gaz de l'atmosphère d'il y a 3,3 milliards d'années. Les données montrent qu'une partie de l'atmosphère terrestre ne peut avoir été apportée par les astéroïdes et suggèrent une source cométaire pour les gaz rares de l'atmosphère.

Les chercheurs ont mesuré la composition isotopique des gaz rares (Ar, Kr et surtout Xe) des inclusions fluides contenues dans des échantillons de quartz provenant de carottes forées dans la ceinture de roches vertes de Barberton (Afrique du Sud). Ces cristaux de quartz forment des veines de plusieurs centimètres à plusieurs mètres, liées à la circulation de fluides contenant des gaz atmosphériques dissouts.  





 De nouvelles méthodes de purification ainsi que de nouveaux instruments à la pointe de la technologie ont permis aux chercheurs de mesurer à haute précision la composition isotopique du xénon ancien piégé dans ces cristaux.

Dans les quartzs de Barberton, le xénon âgé de 3,3 milliards d'années (d'après la datation par la méthode 40K/40Ar) a une composition isotopique bien différente du xénon de l'atmosphère moderne. Dans les mêmes échantillons, le krypton ne présente pas d'anomalies isotopiques, ce qui suggère que la composition originelle des gaz n'a pas été modifiée lors ou après leur piégeage. Le xénon Archéen (3,3 Ga) présente un excès en isotopes légers et un appauvrissement en isotopes lourds par rapport à l'atmosphère moderne. Cela montre une évolution sur le long terme de la composition isotopique du xénon atmosphérique.

La grande précision des mesures prises par les chercheurs leur permet d'éliminer définitivement les sources astéroïdales ou solaires comme précurseurs du xénon atmosphérique, qui provient d'une source différente appelée le U-Xe (Xénon U), et qui est exclusivement d'origine extraterrestre. Les comètes deviennent donc les principaux suspects susceptibles d'avoir apporté ce xénon à l'atmosphère terrestre. C'est tout à fait plausible car ces objets sont riches en gaz rares. Par extension, d'autres éléments volatils proviendraient donc de comètes dont l'eau, le CO2 etc...

Enfin, le xénon archéen présente un léger appauvrissement en xénon 129 par rapport à l'atmosphère moderne. Cet isotope du xénon était produit au tout début de l'histoire de la Terre par décroissance radioactive de l'iode 129 (129I) dans le manteau terrestre et par dégazage subséquent du xénon produit. L'équipe a calculé que le taux de dégazage du manteau terrestre dans l'atmosphère a dû être environ 4 fois plus intense qu'aujourd'hui pendant les 3,3 derniers milliards d'années pour expliquer cette anomalie.

L'étude des gaz piégés dans les roches très anciennes ouvre de nouvelle perspective pour comprendre l'origine et l'évolution des éléments volatils terrestres, qui sont des facteurs clefs de l'habitabilité de notre planète.

 


dimanche 14 mai 2017

Homo sapiens a cohabité avec une autre espèce : Homo naledi

Pour PrépaCAPES et PrépaAgreg
Thèmes : évolution des hominidés, datation des fossiles

Le nombre d'espèces (et de sous-espèces) dans le genre Homo continue d'augmenter (même si certaines variations anatomiques sont sans doute dues à un polymorphisme).  En 2015, une nouvelle espèce a été découverte dans une grotte en Afrique du Sud, Homo naledi. Les restes découverts appartenaient à au moins 15 individus ce qui en faisait d'emblée une collection assez riche. Caractéristiques : bipède, mais aussi capable de se déplacer dans les arbres avec ses phalanges recourbées, des poignets par contre très proches des humains actuels, omnivore et une tête assez petite (capacité crânienne autour de 500 cm3; nous actuellement c'est 1350 cm3). 

Source : http://news.nationalgeographic.com/2015/09/150910-human-evolution-change/

Il n'y avait pas de datation disponible et la présence de certains caractères dit archaïques (les phalanges recourbées et la petite tête) avaient fait même penser que c'était plutôt un Australopithèque (avis d'Yves Coppens notamment).


Crâne récemment découvert d'Homo naledi, appelé Néo. Source : eLife

De nouveaux squelettes plus complets (dont un crâne) et les datations viennent d'être publiées dans eLife : Homo naledi aurait vécu sur le site entre 236.000 et 335.000 ans. Les chercheurs ont utilisé pas moins de six méthodes de datation indépendantes ou combinées –thermoluminescence, uranium/thorium, paléomagnétisme, datation par résonance de spin électronique pour confirmer la datation à partir de dents et de sédiments des grottes où les squelettes ont été découverts.



Cette datation est importante car elle montre la possibilité d'une cohabitation avec les premiers Homo sapiens en Afrique. Les chercheurs pensent que Homo naledi est une espèce qui a très longtemps conservée des caractères proches des premiers Homo. Le terme d'équivalent humain du coelacanthe est mentionné, même s'il faut se méfier de ce genre de raccourci. Sa position précise dans l'arbre phylogénétique est encore en débat. 

Néanmoins, il est clair que ce qui s'est passé avec Néanderthal ne se reproduira pas avec H. naledi : il y a tellement de différences avec H. sapiens qu'il s'agit bien d'une espèce différente et non pas d'une sous-espèce.

Voir la vidéo

Article scientifique
Voir aussi cet article.

samedi 6 mai 2017

Les axones commissuraux ne sont pas guidés par la Nétrine-1 de la plaque du plancher

Pour PrépaBCPST et PrépaAgreg
Thèmes : développement, neurones, morphogènes


Les neurones ne se connectent pas au hasard dans le système nerveux et les axones en croissance font l'objet d'un guidage précis. L'un des modèles classiques est constitué par les neurones commissuraux du tube neural. Ce sont des neurones dont le corps cellulaire se trouve dans le tube neural dorsal et dont l'axone se dirige ventralement puis passe du côté contralatéral (de gauche à droite ou de droite à gauche) au niveau de la plaque du plancher puis continue son chemin. Ce sont des neurones qui ont une importance fonctionnelle notamment pour la coordination des mouvements entre le côté droit et le côté gauche du corps. 

Le modèle classique, désormais obsolète. Source : http://www.sciencedirect.com/topics/page/Morphogens

Dans le modèle classique, la plaque du plancher sécrète une protéine, Nétrine-1, qui attire les axones vers la plaque du plancher, en synergie avec la protéine SHH (Sonic Hedgehog) qui est produite au même endroit. Nétrine-1 diffuse de la plaque du plancher vers les zones plus dorsales créant un gradient qui est remonté par les axones en croissance. 

D'après un article publié il y a quelques jours dans Nature, ce modèle doit être révisé. En utilisant des techniques de détection plus sensibles qu'auparavant les chercheurs ont découvert que la Nétrine-1 est aussi produite dans la zone ventriculaire ventrale et médiane c'est à dire dans la zone du tube neural contre la cavité centrale (ou ventricule). Parmi les cellules qui la produisent, il y a des progéniteurs neuraux qui émettent des prolongements vers la région latérale du tube neural, qui correspond justement à la région traversée par les axones commissuraux.

Source : Dominici et al., 2017 ; doi:10.1038/nature22331
Les chercheurs ont ensuite invalidé par recombinaison homologue contrôlée (système Cre-Lox) le gène codant la Nétrine-1 soit dans la plaque du plancher, soit dans la zone ventriculaire. Ils ont observé que les axones commissuraux continuaient à croître et à atteindre leur cible habituelle sans la Nétrine-1 de la plaque du plancher, mais ce n'était plus le cas sans la Nétrine-1 d'origine ventriculaire. Dans les études précédentes, l'invalidation généralisée de la Nétrine-1 et le fait de ne pas avoir pu voir l'expression dans la zone ventriculaire du gène avait fait penser que c'était la Nétrine-1 de la plaque du plancher qui jouait un rôle essentiel. 

Il s'agit donc d'une révision complète du modèle avec un effet de la diffusion de la Nétrine-1 bien moins important. La Nétrine-1 est plutôt apportée par des prolongements cellulaires dans la région précise où les axones sont en croissance. Des études précédentes avaient déjà montré que la Nétrine-1 était capable de se lier à la matrice extracellulaire, ce qui pouvait diminuer ses capacités de diffusion.

Reste à comprendre la dynamique spatiale et temporelle de cet apport de Nétrine-1 car autant le modèle du gradient d'origine ventrale était simple à comprendre, autant ici doivent être mis en jeu des mécanismes plus subtils pour que les axones croissent correctement vers la plaque du plancher sous le contrôle de la nouvelle source de Nétrine-1 qui a une origine différente par rapport à la destination des axones.