I en landmärkestudie, forskare från Australien, Tyskland och Ryssland har använt forntida DNA som återvunnits från sedimentprover från Denisova-grottan i Sibirien för att avslöja en detaljerad yrkeshistoria för denna unika plats av tre olika grupper av forntida människor och en mängd olika djur under de senaste 300, 000 år.

Vid foten av Rysslands Altaiberg, Denisova-grottan är känd som platsen där fossila rester av en gåtfull grupp arkaiska människor som kallas Denisovans först upptäcktes. Det är den enda platsen i världen som är känt för att också ha varit bebodd av deras nära evolutionära släktingar - neandertalarna - och av tidiga moderna människor.

Under de senaste 40 åren, Ryska arkeologer har hämtat ett dussin Denisovan- och Neanderthal-fossiler från grottan – inklusive ett ben från dottern till en Neanderthal-mamma och Denisovan-fadern – men inga moderna mänskliga fossil har återfunnits från avlagringarna. Bristen på mänskliga fossiler har omintetgjort försök att fastställa vilka människor som ockuperade Denisova-grottan vid olika tidpunkter i det förflutna och vilken grupp som gjort stenverktygen och andra artefakter som grävts ut från fyndigheterna.

I denna nya studie, ett tvärvetenskapligt team av forskare sammansatt av professor Michael Shunkov från Institutet för arkeologi och etnografi (sibiriska grenen av den ryska vetenskapsakademin), inklusive geokronologer från University of Wollongong (UOW), avslöjar sekvensen av mänsklig ockupation av grottan – såväl som andra grottlevande djur, inklusive björnar, hyenor och vargar – från genetisk analys av mer än 700 sedimentprover.

Forskningen, publiceras i Natur torsdagen den 24 juni, är den största analys som någonsin gjorts av sediment-DNA från en enda plats.

Identifieringen av forntida mänskligt DNA i 175 sedimentprover utökar avsevärt vår kunskap om denisovaner och neandertalare på platsen, och ger också det första direkta beviset på moderna människor vid Denisova-grottan.

Forskarna upptäckte att Denisovans bebodde grottan, på och av, från 250,- 000 år sedan till 60, 000 år sedan, och var ansvariga för de tidigaste stenredskapen som hittades på platsen.

Neandertalarna uppträdde först omkring 200, 000 år sedan, med en särskild variation av DNA som tidigare var okänt, och hade försvunnit vid 40, 000 år sedan - liknande tiden för deras försvinnande någon annanstans i Eurasien.

Det uråldriga DNA från moderna människor dyker först upp i sediment avsatta mellan cirka 60, 000 och 45, 000 år sedan.

UOW geokronologer framstående professor Richard 'Bert' Roberts, Professor Zenobia Jacobs, Docent Bo Li och Ph.D. student Kieran O'Gorman samlade 728 sedimentprover i ett tätt rutnät från de exponerade sedimentprofilerna i grottan.

"Analysen av sediment-DNA ger en underbar möjlighet att kombinera de datum som vi tidigare bestämt för avlagringarna i Denisova-grottan med molekylära bevis för närvaron av människor och fauna, " sa professor Roberts.

"Bara samlar hundratals prover från alla tre kamrarna i grottan, och dokumentera deras exakta platser, tog oss mer än en vecka, men vi fick en omfattande uppsättning prover som spänner över mer än 300, 000 år av Sibiriens historia, " sa professor Jacobs.

Den nya studien bygger på den detaljerade tidslinjen som erhållits från optisk datering av Denisova-grottans sediment vid UOW, publiceras i Natur under 2019.

"Kronologin som genererades tidigare för grottsedimenten gjorde det möjligt för oss att välja de bästa platserna för att samla in DNA-proverna och få ut det mesta av de extraordinära insikterna från sediment-DNA, " sa professor Jacobs.

Vid Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology i Leipzig, Ph.D. student Elena Zavala, studiens huvudförfattare, extraherat och sekvenserat små spår av forntida människors och djurs mitokondrie-DNA från den enorma samlingen av prover.

"Dessa ansträngningar gav resultat och vi upptäckte DNA från Denisovans, Neandertalare och forntida moderna människor i 24 procent av proverna, " Hon sa.

När man matchar DNA-profilerna med åldrarna på lagren, forskarna fann att de första människorna som besökte platsen var denisovaner omkring 250, 000 år sedan, följt av neandertalare omkring 200, 000 år sedan. Endast neandertal-DNA hittades i sediment avsatta mellan 130, 000 och 80, 000 år sedan. Denisovaner som kom tillbaka efter denna tid bar på ett annat mitokondriellt DNA än Denisovans som var där tidigare, vilket tyder på att en annan befolkning hade anlänt till regionen.

Modernt mänskligt DNA dyker först upp i de inledande övre paleolitiska lagren, som innehöll hängen och andra prydnadsföremål gjorda av djurben och tänder, mammut elfenben, struts äggskal, marmor och ädelstenar. "Detta ger inte bara de första bevisen för moderna människor på platsen, men antyder också att de kan ha tagit med sig ny teknik till regionen, " sa Ms Zavala.

Forskarna hittade också djur-DNA i nästan alla prover, och identifierade två tidsperioder då förändringar inträffade i både djur- och mänskliga populationer. Den första, runt 190, 000 år sedan, sammanföll med en förändring från relativt varma till relativt kalla förhållanden, när hyenor och björnpopulationer förändrades och neandertalarna först dök upp i grottan.

Den andra stora förändringen inträffade mellan 130, 000 och 100, 000 år sedan, tillsammans med en förändring i klimatet från relativt kalla till relativt varma förhållanden. Under denna period, djurpopulationer förändrades igen, Denisovaner försvann, och neandertalarna var kvar som de enda mänskliga invånarna i grottan.

"Sammanträffandet av dessa befolkningsomsättningar med klimatövergångar mellan interglaciala och glaciala perioder tyder på att miljöfaktorer spelade en nyckelroll i att forma människans och faunans historia i denna region, " sa professor Roberts.

Professor Matthias Meyer, ledare för Advanced DNA Sequencing Techniques-gruppen vid Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology och senior författare till den nya studien, sa:"Att kunna generera så tät genetisk data från en arkeologisk plats är som en dröm som går i uppfyllelse. Det finns så mycket information gömd i sediment - det kommer att hålla oss och många andra genetiker sysselsatta under en livstid."