DNA enthält die Geschichte unserer Vorfahren – wie wir mit den vertrauten Gesichtern bei Familientreffen und älteren Angelegenheiten verwandt sind: wie wir mit unseren engsten nichtmenschlichen Verwandten, Schimpansen, verwandt sind; wie Homo sapiens sich mit Neandertalern paarte; und wie Menschen aus Afrika auswanderten und sich dabei an neue Umgebungen und Lebensstile anpassten. Und unsere DNA enthält auch Hinweise auf den Zeitpunkt dieser Schlüsselereignisse in der menschlichen Evolution.Wenn Wissenschaftler sagen, dass moderne Menschen vor etwa 200.000 Jahren in Afrika entstanden sind und ihre globale Ausbreitung vor etwa 60.000 Jahren begannen, wie kommen sie auf diese Daten? Traditionell bauten Forscher Zeitleisten der menschlichen Vorgeschichte basierend auf Fossilien und Artefakten, die direkt mit Methoden wie Radiokohlenstoff datiert werden können Dating und Kalium-Argon Dating. Diese Methoden erfordern jedoch, dass antike Überreste bestimmte Elemente oder Erhaltungsbedingungen aufweisen, und das ist nicht immer der Fall. Darüber hinaus wurden nicht für alle Meilensteine der menschlichen Evolution relevante Fossilien oder Artefakte entdeckt.Die Analyse von DNA aus heutigen und alten Genomen bietet einen komplementären Ansatz zur Datierung evolutionärer Ereignisse. Da bestimmte genetische Veränderungen mit einer konstanten Rate pro Generation auftreten, liefern sie eine Schätzung der verstrichenen Zeit. Diese Änderungen entstehen wie die Ticks auf einer Stoppuhr, Bereitstellung einer „molekularen Uhr.“ Durch den Vergleich von DNA-Sequenzen können Genetiker nicht nur Beziehungen zwischen verschiedenen Populationen oder Arten rekonstruieren, sondern auch auf die Evolutionsgeschichte über tiefe Zeitskalen schließen.

Molekulare Uhren werden dank verbesserter DNA-Sequenzierung, Analysewerkzeugen und einem besseren Verständnis der biologischen Prozesse hinter genetischen Veränderungen immer ausgefeilter. Durch die Anwendung dieser Methoden auf die ständig wachsende Datenbank mit DNA aus verschiedenen Populationen (sowohl aus der Gegenwart als auch aus der Antike) tragen Genetiker dazu bei, eine verfeinerte Zeitleiste der menschlichen Evolution zu erstellen.

Wie sich DNA akkumuliert

Molekulare Uhren basieren auf zwei biologischen Schlüsselprozessen, die die Quelle aller vererbbaren Variationen sind: Mutation und Rekombination.

Mutationen sind Änderungen an den Buchstaben des genetischen Codes der DNA – zum Beispiel wird ein Nukleotid Guanin (G) zu einem Thymin (T). Diese Veränderungen werden von zukünftigen Generationen vererbt, wenn sie in Eiern, Spermien oder ihren zellulären Vorläufern (der Keimbahn) auftreten. Die meisten resultieren aus Fehlern, wenn DNA sich während der Zellteilung kopiert, obwohl andere Arten von Mutationen spontan oder durch Exposition gegenüber Gefahren wie Strahlung und Chemikalien auftreten.

In einem einzigen menschlichen Genom gibt es etwa 70 Nukleotidveränderungen pro Generation – winzig in einem Genom, das aus sechs Milliarden Buchstaben besteht. Aber insgesamt, über viele Generationen, Diese Veränderungen führen zu erheblichen evolutionären Variationen.

Wissenschaftler können Mutationen verwenden, um das Timing von Zweigen in unserem Evolutionsbaum abzuschätzen. Zuerst vergleichen sie die DNA-Sequenzen von zwei Individuen oder Arten und zählen die neutralen Unterschiede, die die Überlebens- und Fortpflanzungschancen nicht verändern. Wenn sie dann die Geschwindigkeit dieser Änderungen kennen, können sie die Zeit berechnen, die benötigt wird, um so viele Unterschiede zu akkumulieren. Dies sagt ihnen, wie lange es her ist, seit die Individuen Vorfahren geteilt haben.Ein Vergleich der DNA zwischen Ihnen und Ihrem Geschwister würde relativ wenige Mutationsunterschiede zeigen, da Sie Vorfahren – Mama und Papa – vor nur einer Generation teilen. Es gibt jedoch Millionen von Unterschieden zwischen Menschen und Schimpansen; Unser letzter gemeinsamer Vorfahr lebte vor über sechs Millionen Jahren.

Rekombination, auch bekannt als Crossing-Over, ist der andere Hauptweg, wie DNA Veränderungen im Laufe der Zeit akkumuliert. Es führt zum Mischen der beiden Kopien des Genoms (eine von jedem Elternteil), die in Chromosomen gebündelt sind. Während der Rekombination reihen sich die entsprechenden (homologen) Chromosomen aneinander und tauschen Segmente aus, sodass das Genom, das Sie an Ihre Kinder weitergeben, ein Mosaik der DNA Ihrer Eltern ist.Beim Menschen treten etwa 36 Rekombinationsereignisse pro Generation auf, ein oder zwei pro Chromosom. Da dies jede Generation geschieht, werden Segmente, die von einem bestimmten Individuum geerbt wurden, in immer kleinere Stücke zerlegt. Basierend auf der Größe dieser Brocken und der Häufigkeit von Überkreuzungen, Genetiker können abschätzen, wie lange es her ist, dass diese Person Ihr Vorfahr war.

Erstellen von Zeitleisten basierend auf Änderungen

Genetische Veränderungen durch Mutation und Rekombination liefern zwei verschiedene Uhren, die jeweils für geeignet sind Dating verschiedene evolutionäre Ereignisse und Zeitskalen.Da sich Mutationen so langsam ansammeln, funktioniert diese Uhr besser für sehr alte Ereignisse, wie evolutionäre Spaltungen zwischen Arten. Die Rekombinationsuhr hingegen tickt mit einer Rate, die für Daten innerhalb der letzten 100.000 Jahre angemessen ist. Diese „jüngsten“ Ereignisse (in der Evolutionszeit) umfassen den Genfluss zwischen verschiedenen menschlichen Populationen, den Aufstieg nützlicher Anpassungen oder das Auftreten genetischer Krankheiten.

Der Fall der Neandertaler zeigt, wie die Mutations- und Rekombinationsuhren zusammen genutzt werden können, um komplizierte Ahnenbeziehungen zu entwirren. Genetiker schätzen, dass es zwischen Neandertalern und modernen Menschen 1,5 bis 2 Millionen Mutationsunterschiede gibt. Die Anwendung der Mutationsuhr auf diese Zählung legt nahe, dass sich die Gruppen zunächst zwischen 750.000 und 550.000 Jahren aufteilten.

Zu dieser Zeit trennte sich eine Population – die gemeinsamen Vorfahren beider menschlicher Gruppen – geografisch und genetisch. Einige Individuen der Gruppe wanderten nach Eurasien aus und entwickelten sich im Laufe der Zeit zu Neandertalern. Diejenigen, die in Afrika blieben, wurden anatomisch moderne Menschen.

Ihre Interaktionen waren jedoch nicht vorbei: Moderne Menschen breiteten sich schließlich nach Eurasien aus und paarten sich mit Neandertalern. Wenn man die Rekombinationsuhr auf Neandertaler-DNA anwendet, die im heutigen Menschen erhalten bleibt, schätzen die Forscher, dass sich die Gruppen vor 54.000 bis 40.000 Jahren gekreuzt haben. Als Wissenschaftler ein Homo sapiens-Fossil, bekannt als Oase 1, analysierten, das vor etwa 40.000 Jahren lebte, fanden sie große Regionen der Neandertaler-Abstammung, die in das Oase-Genom eingebettet waren, was darauf hindeutet, dass Oase vor nur vier bis sechs Generationen einen Neandertaler-Vorfahren hatte. Mit anderen Worten, Oase’s Ur-Ur-Großelternteil war ein Neandertaler.

Die Herausforderungen instationärer Uhren

Molekulare Uhren sind eine tragende Säule evolutionärer Berechnungen, nicht nur für den Menschen, sondern für alle Formen lebender Organismen. Aber es gibt einige komplizierende Faktoren.

Die größte Herausforderung ergibt sich aus der Tatsache, dass Mutations- und Rekombinationsraten über die menschliche Evolution nicht konstant geblieben sind. Die Raten selbst entwickeln sich, so dass sie im Laufe der Zeit variieren und sich zwischen Arten und sogar zwischen menschlichen Populationen unterscheiden können, wenn auch ziemlich langsam. Es ist, als würde man versuchen, die Zeit mit einer Uhr zu messen, die unter verschiedenen Bedingungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten tickt.Ein Problem betrifft ein Gen namens Prdm9, das den Ort dieser DNA-Crossover-Ereignisse bestimmt. Es wurde gezeigt, dass die Variation dieses Gens bei Menschen, Schimpansen und Mäusen Rekombinations–Hotspots verändert – kurze Regionen mit hohen Rekombinationsraten. Aufgrund der Entwicklung von Prdm9 und Hotspots unterscheiden sich die feinskaligen Rekombinationsraten zwischen Menschen und Schimpansen und möglicherweise auch zwischen Afrikanern und Europäern. Dies impliziert, dass die Rekombinationsuhr über verschiedene Zeitskalen und Populationen hinweg mit leicht unterschiedlichen Raten tickt, wenn sich Hotspots entwickeln.

Ein weiteres Problem ist, dass die Mutationsraten je nach Geschlecht und Alter variieren. Wenn Väter älter werden, übertragen sie pro Jahr ein paar zusätzliche Mutationen auf ihre Nachkommen. Das Sperma älterer Väter hat mehr Zellteilungsrunden durchlaufen, also mehr Möglichkeiten für Mutationen. Mütter hingegen übertragen weniger Mutationen (etwa 0,25 pro Jahr), da die Eier einer Frau meist alle gleichzeitig vor ihrer eigenen Geburt gebildet werden. Mutationsraten hängen auch von Faktoren wie dem Beginn der Pubertät, dem Alter bei der Fortpflanzung und der Geschwindigkeit der Spermienproduktion ab. Diese lebensgeschichtlichen Merkmale variieren zwischen lebenden Primaten und unterschieden sich wahrscheinlich auch zwischen ausgestorbenen Arten menschlicher Vorfahren.

Folglich scheint sich die durchschnittliche Mutationsrate im Laufe der menschlichen Evolution signifikant verlangsamt zu haben. Die durchschnittliche Rate über Millionen von Jahren seit der Spaltung von Menschen und Schimpansen wurde auf etwa 1×10⁻⁹ Mutationen pro Standort und Jahr geschätzt – oder ungefähr sechs veränderte DNA-Buchstaben pro Jahr. Diese Rate wird bestimmt, indem die Anzahl der Nukleotidunterschiede zwischen Menschen und anderen Affen durch das Datum ihrer evolutionären Spaltungen dividiert wird, wie aus Fossilien abgeleitet. Es ist, als würde man seine Fahrgeschwindigkeit berechnen, indem man die zurückgelegte Strecke durch die verstrichene Zeit teilt. Aber wenn Genetiker Nukleotidunterschiede zwischen lebenden Eltern und Kindern direkt messen (unter Verwendung menschlicher Stammbäume), ist die Mutationsrate die Hälfte der anderen Schätzung: etwa 0,5×10⁻⁹ pro Standort und Jahr oder nur etwa drei Mutationen pro Jahr. Für die Divergenz zwischen Neandertalern und modernen Menschen liefert die langsamere Rate eine Schätzung zwischen 765.000 und 550.000 Jahren. Die schnellere Rate würde jedoch die Hälfte dieses Alters oder vor 380.000 bis 275.000 Jahren nahelegen: ein großer Unterschied.

Um die Frage zu klären, welche Raten wann und auf wen angewendet werden sollen, haben Forscher neue molekulare Uhrmethoden entwickelt, die sich mit den Herausforderungen der sich entwickelnden Mutations- und Rekombinationsraten befassen.

Neue Ansätze für eine bessere Datierung

Ein Ansatz besteht darin, sich auf Mutationen zu konzentrieren, die unabhängig von Geschlecht, Alter und Art stetig auftreten. Da CpG-Übergänge meist nicht auf DNA-Kopierfehler während der Zellteilung zurückzuführen sind, sollten ihre Raten hauptsächlich unabhängig von Variablen der Lebensgeschichte sein – und vermutlich im Laufe der Zeit gleichmäßiger. Genetiker, die sich auf CpG-Übergänge konzentrierten, schätzten kürzlich, dass die Spaltung zwischen Menschen und Schimpansen vor 9,3 und 6,5 Millionen Jahren stattgefunden hat, was mit dem Alter übereinstimmt, das von Fossilien erwartet wird. Während diese Mutationen im Artenvergleich eher wie ein Uhrwerk zu verlaufen scheinen als andere Arten, sind sie immer noch nicht vollständig stabil.Ein weiterer Ansatz besteht darin, Modelle zu entwickeln, die molekulare Taktraten basierend auf Geschlecht und anderen Merkmalen der Lebensgeschichte anpassen. Mit dieser Methode, Forscher berechneten eine Schimpansen-Mensch-Divergenz, die mit der CpG-Schätzung und den fossilen Daten übereinstimmt. Der Nachteil hier ist, dass wir bei Ahnenarten nicht sicher sein können, ob es sich um Merkmale der Lebensgeschichte handelt, wie das Alter in der Pubertät oder die Generationslänge, was zu einer gewissen Unsicherheit bei den Schätzungen führt.

Die direkteste Lösung ergibt sich aus Analysen antiker DNA, die aus Fossilien gewonnen wurden. Weil die fossilen Exemplare unabhängig voneinander mit geologischen Methoden datiert werden, Genetiker können damit die molekularen Uhren für einen bestimmten Zeitraum oder eine bestimmte Population kalibrieren.

Diese Strategie löste kürzlich die Debatte über den Zeitpunkt unserer Divergenz mit Neandertalern. Im Jahr 2016 extrahierten Genetiker alte DNA aus 430.000 Jahre alten Fossilien, die Neandertaler-Vorfahren waren, nachdem sich ihre Abstammung vom Homo sapiens getrennt hatte. Mit dem Wissen, wo diese Fossilien im Evolutionsbaum hingehören, konnten Genetiker bestätigen, dass für diesen Zeitraum der menschlichen Evolution die langsamere molekulare Uhrrate von 0,5×10⁻⁹ genaue Daten liefert. Damit liegt die Spaltung zwischen Neandertaler und modernem Menschen vor 765.000 und 550.000 Jahren.Während Genetiker die Feinheiten molekularer Uhren sortieren und mehr Genome sequenzieren, sind wir bereit, mehr als je zuvor über die menschliche Evolution direkt aus unserer DNA zu lernen.