becky miller sammelt proben fuer erbgut analysen foto m.v. knul 30

Kräftiger Schub für Frühmenschenforschung

Erbgut im Höhlenboden verrät einiges über deren Bewohner

Von Roland Knauer

 

Seit die ersten Forscher begannen, die Urgeschichte der Menschheit zu untersuchen, kämpfen sie mit einem Problem: Für eine moderne Forschung tauchen einfach viel zu wenige Überreste der Urmenschen auf.

So lebensecht die Plastik der Urmenschen-Frau dann auch im Museum jeden Besucher begrüßt, so einzigartig bleibt der Fund des Schädels leider auch: Die nächsten Fossilien sind Jahrtausende entfernt, dazwischen gibt es nichts Greifbares. Bis auf unsichtbare, aber nachweisbare Spuren, die einige Frühmenschen in Form ihres Erbguts bisweilen auch im Untergrund von Höhlen und anderen Fundstätten  hinterlassen haben. Diese DNA aber können die EVA-Forscher Matthias Meyer und Viviane Slon mit ihren Kollegen inzwischen nachweisen.

Die Stecknadel im Heuhaufen

„Mit dieser Entdeckung stoßen wir die Tür zu ganz neuen Forschungsmöglichkeiten weit auf“, freut sich Matthias Meyer. Dabei war der Spezialist für Frühmenschen-Erbgut anfangs gar nicht so optimistisch: „Die Suche nach altem menschlichem Erbgut in den Sedimenten ähnelt der Suche nach Stecknadeln in Heuhaufen“, umschreibt der Forscher seine einstige Skepsis: Der Untergrund wimmelt einerseits vor Mikroorganismen, während sich andererseits eventuell vorhandenes Erbgut längst verstorbener Säugetiere und Urmenschen normalerweise mehr oder minder rasch zersetzt. Obendrein finden Forscher in Höhlen nur selten Fossilien von Frühmenschen, aber recht häufig die Knochen anderer Tiere und das oft auch noch in relativ großen Mengen.

Demnach sollte sich schon anfangs recht wenig menschliches unter sehr viel tierisches Erbgut mischen. An dieser starken Verdünnung nagt dann auch noch der Zahn der Zeit und obendrein verschwinden die übrig gebliebenen Reste auch noch in der Flut des Erbguts von Mikroorganismen im Boden. Da klingt die Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen beinahe einfach. Trotzdem ließ Matthias Meyer diese Möglichkeit im Rahmen einer Masterarbeit untersuchen. Und staunte über die durchaus erfolgversprechenden Ergebnisse. Anscheinend überlebt das Erbgut von Menschen und Tieren im Boden besser als zunächst befürchtet. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit hat Viviane Slon diese Überraschung dann genauer untersucht.

Ausgestorbene Urmenschen

Wo aber könnte das gesuchte Erbgut genau stecken? Als die Forscher einzelne Bestandteile des Bodens wie zum Beispiel Lehm analysierten, zeigte sich rasch, dass viele unterschiedliche Komponenten Erbgut gut festhalten. „Das wiederum könnte der Grund sein, aus dem sich die Erbsubstanz DNA in solchen Sedimenten recht gut hält“, überlegt Matthias Meyer. Schwimmt das Erbgut frei in Wasser, wird es rasch in seine Bestandteile zerlegt. Heftet die DNA sich dagegen an eine feste Oberfläche, ist sie viel stabiler. Im Labor nutzen die Forscher diese Tatsache schon lange und mischen die DNA mit Silika. Nachdem das Erbgut sich von selbst an diesen Feststoff geheftet hat, ist es sehr viel stabiler als vorher. Silika aber ist nichts anderes als zermahlener Quarz, der grob zerkleinert zu Sand wird. Sand wiederum lagert sich häufig am Boden von Höhlen ab.

Zwischen 14.000 und mehr als einer halben Million Jahre alt waren die 85 unterschiedlichen Bodenproben aus sieben zum Teil recht bekannten Fundstätten für die Aktivitäten von Frühmenschen in Spanien, Frankreich, Belgien, Kroatien und Russland, die Viviane Slon dann untersucht hat. Dabei konzentrierte sie sich auf Gruppen wie die Neandertaler und die Denisova-Menschen, die längst ausgestorben sind. „So konnten wir uns sicher sein, dass ein möglicher Fund wirklich alt ist und nicht etwa von einer Verunreinigung in heutiger Zeit stammt“, erklärt Matthias Meyer diese Auswahl.

Fischen mit Erbgut aus dem Zell-Kraftwerk

Wie aber fischt man das Erbgut von Urmenschen und Tieren aus der Fülle des Erbguts von Mikroorganismen? Ein wichtiger Helfer waren „Mitochondrien“: So nennen Zellbiologen winzig kleine Organellen, die in jeder Zelle die Funktion eines Kraftwerks übernehmen, das die lebenswichtige Energie bereitstellt. Diese Mitochondrien haben ein eigenes Erbgut. Da Energie für viele Zellen ähnlich wichtig wie für eine menschliche Gesellschaft ist, stecken häufig sehr viele Mitochondrien in einer Zelle und die Forscher finden meist viel mehr Erbgut aus diesen Mini-Kraftwerken als aus der Zelle selbst. Genau auf diese mitochondriale DNA konzentrierte sich Viviane Slon daher.

Obwohl sie recht häufig ist, geht diese mtDNA in der Flut der viel häufigeren Mikroorganismen im Boden völlig unter. Daher fischten die EVA-Forscher mit Hilfe künstlich hergestellter mtDNA in den Bodenproben gezielt nach dem Erbgut der Mini-Kraftwerke. Und da sich die mtDNA zwischen verschiedenen Säugetier-Arten unterscheidet, warf Viviane Slon auf ihrem Fischzug die Mitochondrien DNA von 242 verschiedenen Arten von Delfinen bis zum Elefanten aus.

Durchschlagender Erfolg

Der Erfolg dieses molekularen Fischzugs ist verblüffend: In fast allen Proben die höchstens 120.000 Jahre alt sind, entdeckten die Forscher das Erbgut von Säugetieren. Selbst bei den älteren Proben lag die Trefferquote immerhin noch bei mehr als 40 Prozent und deckt sich damit mit den Erfahrungen, die Paläogenetiker wie Matthias Meyer gemacht haben, wenn sie in  alten Knochen nach Erbgut suchten: Auch gut geschützt wird die DNA mit der Zeit in immer kleinere Stücke zerlegt. Bis dann irgendwann die Fragmente so klein sind, dass die Forscher mit ihnen nicht mehr viel anfangen können. Als Matthias Meyer Ende 2013 aus einem 430.000 Jahre alten Oberschenkel-Knochen eines Heidelberger-Menschen bereits das Mitochondrien-Erbgut gewinnen und analysieren konnte, näherte er sich damit bereits der Grenze des Machbaren.

Einen erheblichen Einfluss auf die Haltbarkeit des Erbguts haben auch die Umwelt und das Klima. Je feuchter und wärmer Fossilen lagern, umso schneller nagt der Zahn der Zeit am darin steckenden Erbgut. Am besten und längsten bleibt die DNA daher in kühleren Gefilden und vor allem im Dauerfrostboden wie zum Beispiel in Sibirien erhalten. Trotzdem fanden die Forscher auch in Bodenproben, die jahrelang bei normalen Raumtemperaturen in einem Labor lagen, noch reichlich Säugetier-Erbgut. „Diese DNA hatte allerdings vorher bereits einige Zehntausend Jahre überstanden, die vergleichsweise kurze zusätzliche Zeit im Labor machte dann nicht mehr viel aus“, erklärt Matthias Meyer dieses Ergebnis.

Hirsche, Pferde, Mammuts und Neandertaler

Bei ihren Analysen fanden die Forscher einen guten Querschnitt durch die damalige Tierwelt von Hirschen über Pferde bis zu Rindern. Entdeckten sie DNA aus der Elefanten-Familie, deutete die genaue Untersuchung auf ein Wollhaar-Mammut hin, das damals tatsächlich in der Nähe der Fundstätte lebte. Und dessen Knochen die Forscher immer wieder in solchen Höhlen finden. Dieser Zusammenhang gilt auch für andere Arten: Identifizierten die Forscher die DNA einer bestimmten Art, waren häufig bereits Knochen dieser Tiere an der gleichen Stelle gefunden worden. Das Erbgut aus den Bodenproben scheint also zuverlässige Ergebnisse zu liefern.

Die Knochen oder Zähne von Frühmenschen aber finden Archäologen nur sehr selten in solchen Höhlen. Solche Überreste stellen allenfalls einen winzigen Bruchteil der gefundenen Relikte von Tieren dar. Und wieder liefern die Analysen des Erbguts aus den Bodenproben ähnliche Ergebnisse, auf menschliche DNA stießen die Forscher nur sehr selten. Immerhin aber entdeckten sie in vier der sieben untersuchten Höhlen das Erbgut aus den Mitochondrien von Neandertalern. Dabei hatten die Forscher in der Trou Al’Wesse-Höhle in Belgien von den Herstellern und Nutzern der dort durchaus entdeckten Steinklingen und anderer Werkzeuge bisher nicht die geringste Spur in Form von Knochen oder Zähnen gefunden. Das Erbgut der Denisova-Menschen dagegen entdeckten die EVA-Forscher bisher nur in einer einzigen Höhle in Russland: Genau in der Denisova-Höhle, die dieser Menschengruppe ihren Namen gegeben hat und in der die Denisovaner bisher ausschließlich nachgewiesen wurden. Übrigens hatten dort auch Neandertaler gelebt. Beide Gruppen könnten sich also durchaus begegnet sein.

Die Exkremente der Hyänen

Auffällig häufig fanden die Forscher in den Proben das Erbgut der längst ausgestorbenen Höhlen-Hyänen. In 70 Prozent der Proben, die Säugetier-DNA enthielten, steckte auch das Erbgut dieser Tiere, die damals in der Umgebung der sieben Höhlen jagten und vermutlich auch Aas fraßen. „Das könnte auch ein Hinweis auf die Herkunft der gefundenen Frühmenschen-DNA sein“, vermutet Matthias Meyer. Die Tiere könnten durchaus die Körper verstorbener Frühmenschen gefressen haben. Und da sich in den Exkrementen von Tieren auch das Erbgut aus ihrer Nahrung findet, könnten die Hyänen so Neandertaler-Erbgut in Höhlen verteilt haben, das später an Lehm und Sand geklammert die Jahrtausende überstand. Natürlich aber könnten Denisova-Menschen und Neandertaler ihr Erbgut auch direkt hinterlassen haben. Die DNA eines Menschen taucht schließlich auch in seinem Urin und seinem Schweiß auf. Und liefert so auch heute noch einen Nachweis, wo dieser Mensch sich einst aufgehalten hat.

Goldrausch für Frühmenschen-Forscher?

Die Entdeckung der Max-Planck-Forscher könnte in Zukunft die Antworten auf einige Fragen liefern, die den Frühmenschen-Wissenschaftlern auf den Nägeln brennen. Solche Antworten scheiterten bisher am Mangel an geeigneten Knochen. Und selbst wenn Knochen und Zähne samt Erbgut den Zahn der Zeit überstanden haben, geben die Frühmenschenforscher sie nur ungern aus der Hand. Und schon gar nicht an Kollegen, die daraus Erbgut holen wollen und dabei den wertvollen Fund schlicht zu Knochenmehl zermahlen.

Bodenproben können dagegen in vielen Höhlen und an anderen Stellen, an denen Frühmenschen zugange waren, problemlos gewonnen werden. Matthias Meyer spekuliert bereits über einen „kleinen Goldrausch für Frühmenschen-Forscher“. Vielleicht kommt man damit endlich dem Verschwinden der Neandertaler genauer auf die Spur. Eventuell könnte man auch untersuchen, wer genau in einer Höhle über Jahrhunderte und Jahrtausende hinweg gelebt hat: Behauptete vielleicht eine einzige Familie lange Zeit dieses Zuhause? Nicht nur für die Frühmenschen-Forschung könnten goldene Zeiten anbrechen, auch Paläobiologen können mit der DNA in Bodenproben zentrale Fragen beantworten: Welche Tiere und Pflanzen lebten auf dem Höhepunkt der letzten Eiszeit in einer bestimmten Region? Wer behauptete sich, als es wieder wärmer wurde? Und wer verschwand? Solche Antworten finden die Forscher vielleicht bald im Erbgut der Organismen, das sich erstaunlich gut im Boden hält.

 

Quellen:

Viviane Slon, Charlotte Hopfe, Clemens L. Weiß, Fabrizio Mafessoni, Marco de la Rasilla, Carles Lalueza-Fox, Antonio Rosas, Marie Soressi, Monika V. Knul, Rebecca Miller, John R. Stewart, Anatoly P. Derevianko, Zenobia Jacobs Bo Li, Richard G. Roberts, Michael V. Shunkov, Henry de Lumley, Christian Perrenoud, Ivan Gušić, Željko Kućan, Pavao Rudan, Ayinuer Aximu-Petri, Elena Essel, Sarah Nagel, Birgit Nickel, Anna Schmidt, Kay Prüfer, Janet Kelso, Hernán A. Burbano, Svante Pääbo, Matthias Meyer

Neandertal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments

Science  12 May 2017: Vol. 356, Issue 6338, pp. 605-608

DOI: 10.1126/science.aam9695

Diskussionen mit Dr. Matthias Meyer vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig

 

Titelbild: Becky Miller sammelt Proben für Erbgut-Analysen in der Trou Al’Wesse-Höhle in Belgien, Foto: Monika V. Knul

 

Ausgrabungen in der El Sidrón-Höhle in Spanien, in der die Überreste von mindestens zwölf Neandertalern gefunden wurden
Foto: El Sidrón Research Team

 

Aus dem Erbgut der Neandertaler, die hier in der Vindija-Höhle in Kroatien lebten, gewannen Paläogenetiker spektakuläre Erkenntnisse. Mit einer neuen Methode können die Forscher das Erbgut der Frühmenschen inzwischen nicht nur aus den Knochen, sondern direkt aus dem Höhlenboden gewinnen. Das öffnet der Forschung völlig neue Möglichkeiten.
Foto: Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie/J. Krause