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Histoire de l’utilisation des laitages et de la persistance du gène de la lactase

Dairying history and the evolution of lactase persistence

Chapitre I : Microbiote, lactose et lactase

Pascale Gerbault1,*, Mélanie Roffet-Salque2

 
1Department of Life Sciences, University of Westminster, 115 New Cavendish Street, London W1W 6UW, UK
2Organic Geochemistry Unit, School of Chemistry, University of Bristol, Cantock’s Close, Bristol BS8 1TS, UK
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(Pré-)histoire de la consommation laitière : analyses des résidus lipidiques dans les poteries

Principes et méthodologies

Pour comprendre les pratiques alimentaires passées, les poteries dans lesquelles ont été cuisinés, entre autres, des produits animaux sont une source d’information importante. Lors de la cuisson, une partie des graisses des aliments est absorbée par l’argile poreuse des poteries utilisées comme marmites. Ces lipides peuvent rester préservés pendant des millénaires dans les pores de l’argile [1]. Condamin et al. ont montré, dès le milieu des années 1970, qu’il était possible d’extraire et d’identifier des traces organiques issues de l’utilisation des poteries [2]. Un nettoyage mécanique d’environ 2 g de tesson de poterie permet d’enlever toute trace de contamination provenant de la manipulation des tessons ou du sol. L’échantillon est alors réduit en poudre afin d’ouvrir les pores, puis les lipides préservés dans l’argile sont extraits avec des solvants organiques [3-5]. Cet extrait est ensuite analysé grâce à des techniques chromatographiques (séparation des composés), spectrométriques (identification) et isotopiques (mesure de la composition isotopique en carbone stable des acides gras) afin d’affiner l’identification des graisses animales.

La composition moléculaire des extraits permet de reconnaître les graisses animales [6,7], les huiles végétales [8], la cire d’abeille [9], les résines et brais (goudrons végétaux) [1,10]. Les graisses animales sont très souvent dégradées en contexte archéologique et les composés tels que les acides gras insaturés ou les triglycérides sont détruits avec le temps, rendant souvent impossible l’identification précise de leur origine (espèce animale, origine laitière ou adipeuse…) grâce à la seule composition moléculaire. Toutefois, depuis la fin des années 1990, la spectrométrie de masse isotopique a permis d’aller beaucoup plus loin dans l’identification des graisses animales, même en présence d’extraits archéologiques très dégradés dominés par les acides gras saturés C16:0 (palmitique) et C18:0 (stéarique) [6].

En effet, des analyses de graisses animales modernes ont montré que la composition isotopique de ces deux acides gras est différente entre ruminants (bovins/caprins) et non-ruminants (cochons) en raison de leurs différences de métabolismes. Au sein de la classe des ruminants, il est également possible de distinguer les graisses laitières des graisses adipeuses. En effet, l’acide stéarique du lait provient en partie de la remobilisation des graisses adipeuses mais est aussi incorporé directement à partir des acides gras insaturés (C18:n) des plantes après leur bio-hydrogénation dans le rumen [7].

En revanche, ces analyses ne permettent pas d’identifier l’espèce animale qui a produit le lait. De nouvelles méthodes spectrométriques prometteuses (NanoESI MS et MS/MS) sont en train d’être explorées sur des échantillons lacustres mieux conservés (présence de triglycérides) afin d’identifier l’espèce animale dont provenait le lait [11].

État de la recherche – Moyen-Orient, Europe centrale, Royaume-Uni

Depuis la fin des années 1990, de nombreuses études se sont intéressées à la transition alimentaire entre le Mésolithique des chasseurs-cueilleurs et le Néolithique des premiers agriculteurs, notamment à l’ancienneté de la production laitière. Le développement de méthodes d’identification de résidus laitiers en contexte archéologique a ouvert de nouvelles pistes de recherche sur l’utilisation du lait au Néolithique, entre les IXe et IVe millénaires avant notre ère.

L’analyse de plus de 2 200 tessons de poteries provenant du Proche-Orient a montré la présence de résidus laitiers à partir du VIIe millénaire avant notre ère, ce qui en fait la plus ancienne preuve directe d’exploitation laitière [12]. Ces résultats sont en accord avec les études archéozoologiques (études des restes animaux) montrant des pratiques d’élevage orienté vers le lait dès le Néolithique précéramique B (autour du IXe millénaire avant notre ère) avant même l’invention de la poterie (dans la seconde partie du VIIe millénaire avant notre ère). On assiste à cette époque à la régionalisation de l’exploitation laitière, avec une exploitation intensive autour de la mer de Marmara (entre les mers Noire et Égée), et plus discrète ailleurs.

L’adoption de l’exploitation laitière ne s’est pas faite partout au même rythme. Au nord de l’Europe, deux trajectoires différentes ont pu être  observées. Au  sud de la Grande-Bretagne, la présence de résidus laitiers dans les poteries est importante (> 25 %) dès l’arrivée du Néolithique [13]. En Grande-Bretagne et en Irlande, des résidus laitiers ont été détectés dans plus de 80 % des tessons du début du néolithique. Les premiers néolithiques des îles Britanniques semblent même délaisser les ressources aquatiques omniprésentes durant le Mésolithique pour exploiter leur cheptel domestique, principalement pour leur lait [14]. Au contraire, une transition plus graduelle entre ressources aquatiques et ressources animales domestiques (dont le lait) a été observée par l’analyse de tessons en Finlande [15] et au Danemark [16] suggérant des stratégies de subsistance opportunistes, alliant la chasse, la pêche et la cueillette à l’élevage, probablement les plus adaptées aux conditions environnementales.

Plus au sud, d’autres études s’intéressant à des sites néolithiques du bassin nord de la Méditerranée ont montré des différences régionales concernant l’intensité de l’exploitation laitière [17]. Les analyses des tessons et l’étude des stratégies d’élevage par l’intermédiaire des restes osseux animaux des sites archéologiques montrent une très faible exploitation laitière dans le nord de la Grèce alors qu’elle est plus intense à l’est et à l’ouest de la Méditerranée [17]. La découverte de résidus laitiers dans des tessons de poteries de taille et de forme très variables ne permet pas d’expliciter les pratiques alimentaires ni la nature des produits laitiers consommés [12]. Cependant, la présence de tessons de poterie perforés sur des sites néolithiques a attiré l’attention de certains archéologues dès les années 1980 [18,19]. En Europe centrale, ces poteries perforées de trous millimétriques découvertes dans les sites archéologiques des premiers agriculteurs de cette région, ont longtemps été interprétées comme des faisselles, preuves de la fabrication du fromage dans ces villages [19]. Sur ces mêmes sites, l’omniprésence d’ossements de bovins, majoritairement issus de femelles matures, a permis de soutenir l’hypothèse d’une exploitation laitière. Près de 30 ans plus tard, l’analyse des lipides extraits de tessons perforés provenant de la région de Cujavie (Pologne) a confirmé que ces poteries datant entre 5 200 et 4 800 avant notre ère avaient été utilisées pour la manipulation du lait [20]. La présence de perforations dans ces récipients de typologie similaire à des faisselles modernes ainsi que la détection de lipides d’origine laitière apportent conjointement la preuve que ces poteries ont été utilisées pour la fabrication du fromage. Les perforations (réalisées avant la cuisson de l’argile) permettent en effet au caillé d’être séparé du petit-lait. Ce procédé, faisant intervenir la fermentation, permet de transformer le lait cru, riche en lactose, en fromage, produit laitier pauvre en lactose. La fabrication de fromage permet d’une part de conserver le lait qui est un aliment fragile, mais aussi de le transformer en un produit laitier plus digeste pour les populations intolérantes au lactose. À ce jour, les poteries utilitaires non perforées de ces sites n’ont pas livré de résidus laitiers, suggérant que le lait était principalement transformé en fromage.

Histoire de l’utilisation des laitages : évolution de la persistance de l’enzyme lactase

 

Si les sites archéologiques témoignent de l’utilisation du lait par les premières populations néolithiques entre le VIIe et le VIe millénaire avant notre ère, ceci ne nous informe pas sur leur capacité à digérer le lait [12]. En effet, tandis que le lait frais est riche en lactose, les produits laitiers fermentés (comme les yaourts ou les fromages) en contiennent moins [21], et leur consommation par des personnes intolérantes au lactose n’entraîne normalement pas de symptômes d’intolérance (voir P. Marteau, ce numéro) [22]. Les symptômes d’intolérance au lactose peuvent se présenter lors de la consommation de lait frais par des adultes dont l’enzyme lactase n’est plus active.

La lactase est une enzyme qui permet de scinder le lactose (disaccharide) en glucose et galactose, le rendant digestible. La lactase voit son activité diminuer après le sevrage. Ce phénotype, appelé la « non-persistance de la lactase », est un développement naturel des mammifères. Toutefois, environ un tiers des adultes dans le monde présentent une persistance de l’activité de l’enzyme tout au long de leur vie. La distribution géographique de ce phénotype de persistance de la lactase chez les adultes est corrélée avec une pratique ancestrale du pastoralisme et de la traite laitière [23-25].

Ce phénotype de persistance de la lactase est héréditaire et causé par des changements de nucléotides dans la séquence d’ADN située à environ 14kb en amont du promoteur du gène de la lactase (LCT) sur le chromosome 2 [26,27]. À ce jour, au moins cinq variants génétiques, ou allèles, associés à la persistance de la lactase ont été identifiés [28-33]. Ces allèles ne sont pas répartis de façon homogène géographiquement : tous ont été identifiés en Afrique, mais un seul allèle –13910*T est présent en Europe. Tous ces allèles semblent activer l’expression de l’enzyme in vitro, mais ceci ne démontre pas leur effet fonctionnel biologique in vivo [31,33-37]. Ces études in vivo sont difficiles à mettre en place et jusqu’à présent, un seul de ces allèles (–13910*T) a été étudié in vivo et associé avec l’expression de l’enzyme [38].

Les techniques d’étude de l’ADN ancien nous permettent de savoir si les adultes des premières populations néolithiques qui utilisaient le lait possédaient cet allèle, et donc auraient pu être tolérantes au lactose. L’échantillon le plus ancien étudié ayant été typé à cette position de l’ADN remonte   à environ 4 300 ans avant notre ère [39-60]. Cependant l’allèle –13910*T n’est détecté que plus tard, l’échantillon le plus ancien présentant cet allèle datant de 3 000 ans avant notre ère [45].

De plus, des méthodes de génétique des populations appliquées à des échantillons de populations  modernes ont estimé que l’allèle –13910*T serait apparu entre 188 et 18 660 ans avant notre ère [61-63], avec des intervalles de temps similaires pour l’allèle le plus fréquent associé à la persistance de la lactase en Afrique (–14010*C) [31].

L’ensemble de ces observations est surprenant considérant que la fréquence de l’allèle -13910*T peut atteindre près de 95 % de la population au nord-ouest de l’Europe [23]. Un allèle atteignant de telles fréquences aujourd’hui est soit ancien, ce qui n’est pas le cas ici au regard des données de l’ADN ancien et des populations actuelles, soit associé à une pression adaptative appelée aussi « pression de sélection ». Les coefficients de sélection estimés (obtenus par des méthodes de génétique de population) pour expliquer une émergence aussi récente couplée à des fréquences aussi importantes, sont parmi les plus élevés de notre histoire évolutive [64].

Le Néolithique (débuts de l’agriculture et de l’élevage) a commencé aux environs de –9 000 ans au Proche-Orient. On voit ces techniques néolithiques se propager progressivement sur l’ensemble du territoire européen, remplaçant – ou cohabitant avec – les chasseurs-cueilleurs, qui jusque-là peuplaient le continent. À l’aide de techniques de détection et d’identification de résidus lipidiques, l’exploitation du lait est observée dès les débuts du Néolithique, accompagnant les premiers signes de l’agriculture et de l’élevage. L’allèle –13910*T n’est observé que plus tard dans certaines populations néolithiques. Cet allèle est retrouvé chez 95% des adultes du nord de l’Europe (îles Britanniques et Scandinavie).

Conclusions et perspectives

 

Les données que nous possédons aujourd’hui montrent que (i) les populations néolithiques utilisaient le lait de leurs animaux domestiques dès 7 000 avant notre ère, (ii) l’allèle associé à la persistance de la lactase en Europe était rare 3 000 ans avant notre ère, (iii) il semble que cet allèle ait augmenté en fréquence très rapidement sous pression de sélection. Il est important de préciser que ce n’est pas parce que l’allèle est présent dans les populations du passé qu’il était déjà sous pression de sélection ; les deux phénomènes (présence d’une mutation et pression de sélection) pouvant être découplés [65].

Des études de simulation suggèrent que ce processus d’adaptation aurait commencé en Europe centrale environ 6 000 ans avant notre ère [66] (Fig. 1). Or, à cette époque dans cette région, l’analyse de dizaines de tessons perforés provenant de ces sites de la culture rubanée suggère que le lait était transformé en fromage, dont la consommation n’entraînait probablement pas de symptômes d’intolérance au lactose. Il reste ainsi à montrer que les premières populations néolithiques qui utilisaient le lait consommaient des produits dont la digestion nécessitait la persistance de la lactase, à une période où leur survie pouvait dépendre de cet aliment. Il semble en tout cas que le lait ait pu fournir un complément alimentaire important aux adultes capables de le digérer sans symptômes d’intolérance au lactose. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer la distribution de ce phénotype et son évolution, mais les raisons pour lesquelles cet allèle aurait été sélectionné restent à élucider [25,67-70].

Malgré le fait que l’accès au lait n’ait été possible qu’après la domestication des vaches, brebis et chèvres qui a commencé il y a 10 500 ans, et donc relativement récemment dans l’histoire humaine, le lait et les produits laitiers ont pris une place importante dans l’alimentation des sociétés de tradition pastorale depuis cette période et auraient peut-être conditionné la survie de certaines populations durant le Néolithique.

Remerciements et financement

 

P. Gerbault est financée par un programme de bourse Leverhulme Trust attribué à A. M. Migliano (UCL Anthropology) et M. G. Thomas (RP2011-R-045, UCL Genetics, Evolution and Environment). M. Roffet-Salque est financée par la bourse European Research Council Advanced Grant (ERC) NeoMilk (neomilk-erc.eu) accordée à R. P. Evershed (FP7-IDEAS-ERC/324202). Nous remercions Marie Balasse, Jean-Denis Vigne et Rosalind Gillis pour l’aide apportée lors de la rédaction de ce manuscrit.

 

Liens d’intérêts

P. Gerbault et M. Roffet-Salque ont été rémunérées par Danone produits frais France pour la rédaction de cet article.

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