Uralte DNA, die aus den versteinerten Knochen und Zähnen der menschlichen Spezies herausgekitzelt wurde, hat unser Wissen über unsere Vorfahren verändert. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Analyse von genetischem Material nicht nur neue menschliche Spezies enthüllt, sondern es Archäologen auch ermöglicht, nachzubilden, wie unsere Vorfahren Tausende von Jahren nach ihrem Aussterben aussahen.
Aber es kann uns nicht die ganze Geschichte erzählen, weil die DNA zerbrechlich ist – sie zerfällt im Laufe der Zeit bis zu dem Punkt, an dem ihr Code unverständlich wird. Dies hat dazu geführt, dass viele alte Knochen nicht genetisch analysiert werden können, weshalb ein Großteil des Stammbaums der Menschheit dem Blick verborgen geblieben ist.
Aber in den letzten Jahren haben neue Erkenntnisse über unsere alten Vorfahren aus den Proteinen gewonnen, die in versteinerten Überresten eingeschlossen sind. Proteine können viel länger überleben als DNA, und Fortschritte bei Labortechniken wie der Massenspektrometrie haben die Fähigkeit der Forscher verbessert, winzige Mengen von ihnen zu erkennen und zu charakterisieren.
Am vielversprechendsten ist die „Schrotflinten-Proteomik“, eine Technik, die ein Profil aller Proteine in einem versteinerten Knochen oder Zahn erstellt. Diese „Protein-Fingerabdrücke“ haben bereits bewiesen, dass sie in der Lage sind, zu identifizieren, zu welcher Art versteinerter menschlicher Knochen gehörten, selbst wenn DNA-Beweise verloren gegangen sind.
Das bedeutet, dass wir an der Schwelle einer „Paläoproteomik“-Revolution stehen, die verspricht, einen beispiellosen Einblick darüber zu geben, wer unsere alten Verwandten waren und wie sie lebten.
Tiefer in die Denisovaner eintauchen
Anthropologen sind besonders daran interessiert, mehr über die Denisova-Menschen zu erfahren, einen mysteriösen Menschenstamm, der vor mindestens 200.000 bis 50.000 Jahren lebte. Bisher wurde ihr genetisches Material nur an einem Ort geborgen:der Denisova-Höhle in den Ausläufern des sibirischen Altai-Gebirges.
Aber es gibt Hinweise darauf, dass sie viel weiter verbreitet waren. Menschen, die heute in Asien, Australien und Papua-Neuguinea leben, haben Denisova-DNA in ihrem genetischen Code.
„Fast jede [Frage, die wir haben] über die Denisova-Menschen ist unbeantwortet“, sagt Dr. Frido Welker von der Universität Kopenhagen in Dänemark, der führend auf dem Gebiet alter Proteine ist. „Wir müssen nicht nur wissen, wo sie lebten, wir wissen auch nicht, welche Art von Steinwerkzeugen sie hergestellt haben, wir kennen ihr Jagdverhalten nicht.“
Die bisher vollständigsten Überreste eines Denisovans sind ein halber Unterkieferknochen mit zwei daran befestigten Zähnen, der von einem Mönch in der Baishiya-Karsthöhle hoch oben auf dem tibetischen Plateau in China entdeckt wurde.
Die DNA im Kiefer, von der angenommen wird, dass sie mindestens 160.000 Jahre alt ist, war zu zersetzt, um sie zu analysieren. Aber im Jahr 2019 gelang es einem Team, zu dem auch Welker gehörte, das Kollagenprotein in den Zähnen zu analysieren, und es entsprach den Denisova-Menschen, die in der Denisova-Höhle gefunden wurden. Es war das erste Mal, dass ein alter Mensch nur anhand seiner Proteine identifiziert wurde.
Die Proteinanalyse wird jetzt verwendet, um Tausende von Knochenfragmenten zu durchkämmen, die an archäologischen Stätten in ganz Europa und Asien ausgegraben wurden, um zu identifizieren, welche alten Menschen gehörten und welche Tieren wie Hyänen und Mammuts gehörten.
Damit erhöht das Forschungsprojekt FINDER am Max-Planck-Institut für Menschheitsgeschichte in Jena, Deutschland, die Zahl der Knochenproben, von denen bekannt ist, dass sie von alten Menschen stammen. Dies wird eine viel größere Auswahl an alten menschlichen Knochen für die Analyse bereitstellen.
Uralte Ernährungsweisen verstehen
Neben der Verwendung von DNA haben Archäologen die Formen und Abmessungen von Knochen untersucht, um Arten zu identifizieren und zu überlegen, wo sie in unsere evolutionäre Vergangenheit passen könnten.
Aber vieles von dem, was sie finden, sind nur kleine Scherben, die nicht identifiziert werden können. „In den 1950er Jahren oder noch früher haben [Archäologen] diese Knochenfragmente weggeworfen, weil sie für sie wertlos waren“, sagt Dr. Katerina Douka, die FINDER leitet.
Douka verwendet eine Technik namens Zooarchaeology by Mass Spectrometry (ZooMS), um die Knochensplitter zu identifizieren. In ZooMS wird Kollagenprotein aus den Knochen extrahiert und mit Trypsin abgebaut, einem Enzym, das bei der Verdauung von Proteinen in unserem Magen hilft.
Trypsin zerhackt das Kollagen in Peptide (Aminosäureketten), die dann in ein Massenspektrometer gegeben werden, damit ihre Massen gemessen werden können. Die Peptide sind in menschlichen Überresten in unterschiedlichen Verhältnissen im Vergleich zu denen von Tieren vorhanden, wodurch menschliche Knochen identifiziert werden können.
Bisher wurden 11.000 Knochenfragmente aus der Denisova-Höhle mit Zooms analysiert und 10 menschliche Knochen identifiziert. Einige von ihnen sind fast 250.000 Jahre alt, also wahrscheinlich außerhalb der genetischen Analyse. Schließlich wurde DNA nur von drei Homininengruppen sequenziert; Neandertaler, Denisovaner und Homo sapiens – und meist aus den letzten 100.000 Jahren.
Die Tendenz der DNA, sich mit der Zeit aufzulösen, ist ein Problem, mit dem Welker aus seiner Zeit als Student vertraut ist. Er versuchte, genetisches Material zu sequenzieren, das im versteinerten Dung einer ausgestorbenen Bergziege (Myotragus balearicus) eingeschlossen war ), um herauszufinden, was es gefressen hat, indem es die Gene von Pflanzen identifiziert, die es verdaut hat.
„Es hat nicht funktioniert, weil [die DNA] in Bezug auf die Konservierung absolut kaputt war“, sagt er. „Das Nächstbeste schien Proteine zu sein.“
Im Dezember 2020 begann Welker mit der Arbeit an einem großen neuen Forschungsprojekt zur Sequenzierung der Proteine in Hominin-Fossilien der letzten Millionen Jahre, die in Afrika, Europa und Asien gesammelt wurden.
Er hat vom Europäischen Forschungsrat 1,5 Millionen Euro (etwa 1,35 Millionen Pfund) erhalten, um Knochen- und Zahnproben aus Museen und Universitäten zu analysieren. „Zwischen 700.000 und 200.000 Jahren ist eine aufregende Zeit, um zu verstehen, wo wir als Spezies herkommen und was die Homininenarten zu dieser Zeit taten, was das Verhalten betrifft“, sagt Welker.
Es ist die Zeit, in der Homo heidelbergensis , die Art, die wir, Homo sapiens , sollen von Homo erectus abstammen, zuerst entstanden sein, sich entwickelt haben .
„Es gibt mehrere Artenbezeichnungen, wie Homo heidelbergensis wo sich entweder die Leute uneinig sind, wie es zu uns in Beziehung gesetzt werden soll, oder ob es existiert oder nicht“, sagt Welker. „Das Gute ist, dass für diesen Zeitraum und Homo heidelbergensis Insbesondere können Proteine in den kommenden Jahren sehr aufschlussreich sein, um einige dieser Fragen zu beantworten.“
Die Schrotflinten-Proteomik-Technik, die Welker verwenden wird, beginnt mit dem Bohren in Knochen oder Zähne, um eine paniermehlgroße Menge Pulver zu erzeugen. Typischerweise wird das Pulver in Salzsäure gegeben, um die Proteine freizusetzen, die dann mit Trypsin in Peptide geschnitten werden.
Wie bei ZooMS werden die Massen der Peptide in einem Massenspektrometer gemessen. Aber die Shotgun-Proteomik unterscheidet sich von ZooMS darin, dass die Daten aus dem Massenspektrometer es Forschern auch ermöglichen, die Sequenz von Aminosäuren innerhalb der Peptide zu bestimmen – und zwar für alle Proteine in der Probe und nicht nur für eines.
Während ZooMS also feststellen kann, ob ein Knochen von einem alten Menschen oder etwas anderem stammt, kann eine Proteinsequenz aus der Schrotflinten-Proteomik mit denen verglichen werden, von denen bereits bekannt ist, dass sie in Homininen vorkommen, um die spezifische Spezies zu identifizieren.
Da die Aminosäuresequenz eines Proteins durch das Genom bestimmt wird, sagt die Variation in der Sequenz, die zwischen den Arten bestehen könnte, den Forschern außerdem etwas über die evolutionäre Beziehung zwischen dem untersuchten Fossil und anderen Homininenarten.
Die Zukunft der Proteomik
Es wird erwartet, dass die Schrotflinten-Proteomik es den Forschern in den nächsten Jahren ermöglichen wird, die Arten an weiteren archäologischen Stätten zu identifizieren, was ein klareres Bild davon liefert, wo Menschen wie die Denisova-Menschen lebten.
Durch die Identifizierung der an einem Ort vorkommenden Arten können Archäologen die dortigen Artefakte verwenden, um weitere Informationen über sie zusammenzusetzen, z. B. die Beute, die sie jagten, und ob sie Feuer benutzten oder nicht.
Aber es wird nicht einfach. Viele der Knochensplitter, mit denen Forscher arbeiten, enthalten nur eine begrenzte Anzahl von Proteinen – schließlich sind sie ein winziges Fragment aus einem Teil des Skeletts. Sie enthalten also viel weniger Informationen als ein vollständiger genetischer Code.
Proteine sind auch „evolutionär konserviert“, was bedeutet, dass sie sich zwischen den Arten oft nicht stark verändern, weil sie die gleiche Aufgabe erfüllen. Dies schränkt das Ausmaß ein, in dem sie verwendet werden können, um eine Knochenprobe mit einer bestimmten Art zu verknüpfen.
Aber Proteine haben sich bereits als viel widerstandsfähiger als DNA erwiesen, was es uns ermöglicht, weiter in die Vergangenheit zu blicken als je zuvor. Im Moment wissen wir einfach nicht, wie weit die Proteomik uns erlauben wird, zurück zu sehen.
„Es ist aufregend, Teil dessen zu sein, was in den letzten Jahren auf diesem Gebiet passiert ist“, sagt Welker. „Selbst jetzt weiß ich noch nicht, wo seine Grenzen sind. Das ist nur gut, denn es bedeutet, dass wir noch viel zu entdecken haben.“
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 358 des BBC Science Focus Magazine –