In den letzten zwei Jahrzehnten kam es zu einer Revolution in der Fähigkeit der Wissenschaftler, die Vergangenheit zu rekonstruieren. Möglich wurde dies durch technologische Fortschritte bei der Art und Weise, wie DNA aus alten Knochen extrahiert und analysiert wird.
Diese Fortschritte haben gezeigt, dass sich Neandertaler und moderne Menschen vermischten – etwas, von dem man bisher nicht annahm, dass es passiert ist. Es hat Forschern ermöglicht, die verschiedenen Migrationen zu entwirren, die den modernen Menschen geprägt haben. Es hat Teams auch ermöglicht, die Genome ausgestorbener Tiere wie Mammuts und ausgestorbener Krankheitserreger wie ausgestorbene Peststämme zu sequenzieren.
Während ein Großteil dieser Arbeit durch die Analyse der physischen Überreste von Menschen oder Tieren durchgeführt wurde, gibt es eine andere Möglichkeit, alte DNA aus der Umwelt zu gewinnen.
Forscher können jetzt DNA direkt aus Höhlensedimenten extrahieren und sequenzieren (die Reihenfolge der „Buchstaben“ im Molekül bestimmen), anstatt sich auf Knochen zu verlassen. Dies verändert das Fachgebiet, bekannt als Paläogenetik.
Höhlen können Zehntausende Jahre genetischer Geschichte bewahren und bieten ideale Archive für die Untersuchung langfristiger Mensch-Ökosystem-Interaktionen. Die Ablagerungen unter unseren Füßen werden zu biologischen Zeitkapseln.
Das ist etwas, was wir hier am Geogenomic Archaeology Campus Tübingen (GACT) in Deutschland erforschen. Durch die Analyse der DNA aus Höhlensedimenten können wir rekonstruieren, wer im eiszeitlichen Europa lebte, wie sich Ökosysteme veränderten und welche Rolle der Mensch spielte. Überschnitten sich zum Beispiel moderne Menschen und Neandertaler in denselben Höhlen?
Es ist auch möglich, genetisches Material aus in Höhlen hinterlassenen Fäkalien zu gewinnen. Derzeit analysieren wir DNA aus dem Kot einer Höhlenhyäne, die vor rund 40.000 Jahren in Europa lebte.
Die älteste bisher entdeckte Sediment-DNA stammt aus Grönland und ist zwei Millionen Jahre alt.
Die Paläogenetik hat große Fortschritte gemacht, seit 1984 das erste Genom eines ausgestorbenen Tieres, des Quagga, eines nahen Verwandten moderner Zebras, sequenziert wurde.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben genetische Sequenzierungsmaschinen der nächsten Generation, Laborrobotik und Bioinformatik (die Fähigkeit, große, komplexe biologische Datensätze zu analysieren) alte DNA von einer fragilen Kuriosität in ein wissenschaftliches Hochdurchsatzwerkzeug verwandelt.
Heutzutage können Sequenzierungsmaschinen bis zu hundert Millionen Mal mehr DNA entschlüsseln als ihre frühen Vorgänger. Während die Fertigstellung des ersten menschlichen Genoms über ein Jahrzehnt dauerte, können moderne Labore heute Hunderte vollständiger menschlicher Genome an einem einzigen Tag sequenzieren.
Über den Autor
Gerlinde Bigga ist wissenschaftliche Koordinatorin des Leibniz-Wissenschaftscampus „Geogenomischer Archäologie-Campus Tübingen“ der Universität Tübingen.
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
Im Jahr 2022 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Svante Pääbo verliehen, einer der führenden Köpfe auf diesem Gebiet. Es unterstrich die globale Bedeutung dieser Forschung. Antike DNA sorgt mittlerweile regelmäßig für Schlagzeilen, von Versuchen, mammutähnliche Elefanten nachzubilden, bis hin zur Rückverfolgung Hunderttausender Jahre menschlicher Präsenz in Teilen der Welt. Entscheidend ist, dass Fortschritte in der Robotik und im Computerwesen es uns ermöglicht haben, DNA sowohl aus Sedimenten als auch aus Knochen zu gewinnen.
GACT ist ein wachsendes Forschungsnetzwerk mit Sitz in Tübingen, Deutschland, in dem drei Institutionen interdisziplinär zusammenarbeiten, um neue Methoden zum Auffinden von DNA in Sedimenten zu etablieren. Archäologen, Geowissenschaftler, Bioinformatiker, Mikrobiologen und Spezialisten für antike DNA bündeln ihr Fachwissen, um Erkenntnisse zu gewinnen, die kein einzelnes Fachgebiet allein erreichen könnte – eine Zusammenarbeit, bei der das Ganze tatsächlich größer wird als die Summe seiner Teile.
Das Netzwerk reicht weit über Deutschland hinaus. Internationale Partner ermöglichen Feldforschung in archäologischen Höhlenstandorten und natürlichen Höhlen auf der ganzen Welt.
In diesem Sommer untersuchte das Team beispielsweise Höhlenstandorte in Serbien und sammelte mehrere hundert Sedimentproben für alte DNA und damit verbundene ökologische Analysen. Zukünftige Arbeiten sind in Südafrika und im Westen der Vereinigten Staaten geplant, um die Grenzen der Erhaltung alter DNA in Sedimenten aus verschiedenen Umgebungen und Zeiträumen zu testen.
Eine Nadel im Heuhaufen
Die Gewinnung von DNA aus Sedimenten klingt einfach: Nehmen Sie eine Schaufel, extrahieren Sie sie und sequenzieren Sie sie. In Wirklichkeit ist es weitaus komplexer.
Die Moleküle sind selten, abgebaut und fragmentiert und mit moderner Kontamination durch Höhlenbesucher und Wildtiere vermischt. Der Nachweis authentischer Eiszeitmoleküle beruht auf subtilen chemischen Schadensmustern an der DNA selbst, hochreinen Labors, Roboterextraktion und spezialisierter Bioinformatik.
Jede positive Identifizierung ist ein kleiner Triumph und enthüllt Muster, die für die konventionelle Archäologie unsichtbar sind.
Ein Großteil der Arbeit von GACT findet in den Höhlen der Schwäbischen Alb in UNESCO-Welterbestätten wie dem Hohle Fels statt, der Heimat der ältesten Musikinstrumente und figurativen Kunst der Welt. Neandertaler und Homo sapiens hinterließen Steinartefakte, Knochen, Elfenbein und Sedimente, die sich über Zehntausende von Jahren ansammelten.
Höhlen sind natürliche DNA-Archive, in denen stabile Bedingungen fragile Biomoleküle bewahren und es Forschern ermöglichen, eine genetische Geschichte des eiszeitlichen Europas aufzubauen.
Einer der aufregendsten Aspekte der Sediment-DNA-Forschung ist ihre Fähigkeit, längst verschwundene Arten zu erkennen, selbst wenn keine Knochen oder Artefakte mehr vorhanden sind. Ein besonderer Fokus liegt auf dem Menschen: Wer lebte wann in der Höhle? Wie nutzen moderne Menschen und Neandertaler die Höhlen und waren sie, wie erwähnt, zur gleichen Zeit dort? Konkurrierten Höhlenbären und Menschen um Schutz und Ressourcen? Und was könnten die Mikroben, die neben ihnen lebten, über den Einfluss des Menschen auf frühere Ökosysteme verraten?
Sediment-DNA weist auch auf Leben außerhalb der Höhle hin. Raubtiere schleppten Beute in geschützte Kammern, Menschen hinterließen Abfall. Durch die Verfolgung von Veränderungen in der menschlichen, tierischen und mikrobiellen DNA im Laufe der Zeit können Forscher das Aussterben früherer Zeiten und Veränderungen in Ökosystemen untersuchen und so Erkenntnisse liefern, die für die heutige Krise der biologischen Vielfalt relevant sind.
Die Arbeit ist ehrgeizig: Sediment-DNA zu nutzen, um eiszeitliche Ökosysteme zu rekonstruieren und die ökologischen Folgen der menschlichen Präsenz zu verstehen. Nur zwei Jahre nach GACT wirft jeder Datensatz neue Fragen auf. Jede Höhlenschicht verleiht der Geschichte eine weitere Wendung.
Da derzeit Hunderte von Proben verarbeitet werden, stehen große Entdeckungen bevor. Forscher erwarten, bald die ersten Höhlenbärengenome, die frühesten menschlichen Spuren und komplexe mikrobielle Gemeinschaften zu entdecken, die einst in der Dunkelheit gediehen. Werden die Sedimente all ihre Geheimnisse preisgeben? Die Zeit wird es zeigen – aber die Aussichten sind berauschend.
