Området forntida DNA har avslöjat viktiga aspekter av människans evolutionära förflutna, inklusive relationer med denisovaner och neandertalare. Dessa studier har förlitat sig på DNA från ben och tänder, som lagrar DNA och skyddar det från miljön. Men sådana skelettrester är ytterst sällsynta, lämnar stora delar av mänsklighetens historia otillgängliga för genetisk analys.

För att fylla dessa luckor, Forskare vid Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology utvecklade nya metoder för att berika och analysera mänskligt nukleärt DNA från sediment, som finns rikligt på nästan alla arkeologiska platser. Tills nu, endast mitokondriellt DNA har återvunnits från arkeologiska sediment, men detta är av begränsat värde för att studera befolkningsförhållanden. Tillkomsten av nukleära DNA-analyser av sediment ger nya möjligheter att undersöka det djupa mänskliga förflutna.

Sediment kan innehålla genetiskt material från andra däggdjur

När man extraherar forntida mänskligt DNA från sedimenten, forskarna var tvungna att vara försiktiga för att undvika den avsevärda mängden DNA från andra däggdjur, som björnar och hyenor. "Det finns många ställen i det mänskliga genomet som liknar en björns DNA, till exempel, sa Benjamin Vernot, studiens första författare. Forskarna riktade sig specifikt mot regioner i genomet där de kunde vara säkra på att endast isolera mänskligt DNA, och de designade också metoder för att mäta deras framgång med att ta bort icke-mänskligt DNA. "Vi ville vara säkra på att vi inte av misstag tittade på några okända arter av hyenor, sa Vernot.

Forskarna använde sina tekniker för att studera mer än 150 sedimentprover från tre grottor. Vid två av dessa – Chagyrskaya och Denisova-grottorna i Altaibergen i södra Sibirien – hade tidigare studier analyserat DNA från ben. Så författarna kunde jämföra DNA från sediment med DNA från ben. "Teknikerna vi utvecklade är väldigt nya, och vi ville kunna testa dem på platser där vi visste vad vi kunde förvänta oss, sa Matthias Meyer, seniorförfattaren på studien. Forskarna fann att DNA från sedimenten var närmast besläktat med genom som hämtats från ben från dessa platser, ge dem förtroende för robustheten i sina metoder.

Nukleärt DNA hämtat från grottavlagringar i norra Spanien

Utgrävningar på den tredje platsen, Galería de las Estatuas i norra Spanien, ledd av Juan Luís Arsuaga från Universidad Complutense de Madrid, hade avslöjat stenverktyg från en period mellan 70 och 115 tusen år sedan. Men bara ett enda Neandertaltåben hade hittats, och det var för litet för att prova DNA. "Det fanns inget sätt att studera genetiken hos neandertalarna som bodde i Estatuas, " sa Asier Gómez-Olivencia, en vetenskapsman i Estatuas-teamet från Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea. Det nukleära DNA som extraherades från sedimenten avslöjade att inte en, men två neandertalbefolkningar hade bott i grottan, med den ursprungliga gruppen ersatt av en senare grupp för ungefär 100 tusen år sedan.

När forskarna jämförde sediment-DNA med andra skelettprover, de märkte en slående trend - det verkade ha varit två "strålningar" av neandertalare, med den äldre Estatuas befolkning som härrör från en strålning, och den yngre befolkningen från en andra händelse. "Vi undrade om dessa strålningar, tillsammans med befolkningsersättningen i Estatuas, kan ha varit knuten till klimatförändringar, eller till förändringar i neandertalmorfologi som inträffade runt denna tidsperiod – även om vi kommer att behöva mer data för att säga säkert, sa Juan Luís Arsuaga.

Nya insikter i det djupa mänskliga förflutna

Även för platser där studier tidigare har analyserat DNA från ben, det är möjligt att hämta nya insikter från sedimenten. Vid Chagyrskaya-grottan, tidigare arkeologiska studier hade föreslagit att neandertalarna tillhörde en enda befolkning, och bodde där bara en kort tid. Men eftersom tidigare arbete bara hade återvunnit ett enda genom från ett av benen som hittades på platsen, det fanns inget sätt att säga om det var representativt för hela befolkningen som bodde runt Chagyrskaya-grottan. Sedimentets DNA kunde bekräfta denna hypotes. "Vi tog sedimentprover från hela stratigrafin, och alla såg väldigt lika ut som DNA från benet, även om sediment-DNA kom från flera individer, " sa Kseniya Kolobova vid Institutet för arkeologi och etnografi, ryska vetenskapsakademin, den ledande arkeologen vid Chagyrskaya-grottan.

"Gryningen av nukleär DNA-analys av sediment utökar enormt utbudet av alternativ för att reta ut den evolutionära historien hos forntida människor, ", sa Vernot. Genom att befria området med forntida DNA från begränsningarna att hitta mänskliga kvarlevor och utöka antalet platser som potentiellt är lämpliga för undersökning, "Vi kan nu studera DNA från många fler mänskliga populationer, och från många fler ställen, än man tidigare trott var möjligt, sa Meyer.