Die Erforschung der menschlichen Evolution hat in den letzten Jahrzehnten durch Fortschritte in der Genomsequenzierung und statistischen Modellen enorme Fortschritte gemacht. Besonders spannend ist die Frage, wie sich unsere Vorfahren über Millionen von Jahren entwickelt und miteinander vermischt haben. Ein bahnbrechender Ansatz dazu ist die Verwendung eines strukturierten Koaleszenzmodells, anhand dessen Forschende die tiefliegenden Abstammungsstrukturen der gesamten modernen Menschheit rekonstruieren konnten. Dieses Modell hebt sich von klassischen Ansätzen ab, indem es nicht von einer durchgängig zufällig vermischten Urbevölkerung ausgeht, sondern komplexe Populationsteilungen und anschließende Vermischungen berücksichtigt. Das vorgestellte strukturierte Koaleszenzmodell namens „cobraa“ wurde entwickelt, um anhand einer einzelnen diploiden Genomsequenz die historischen Abspaltungen und Wiedervereinigungen von Populationen aufzuzeigen.
Grundlage ist die Analyse der genetischen Rekombinationen und Mutationen, um daraus auf die zugrundeliegenden Abstammungslinien und Populationstrukturen zu schließen. Ein herausragendes Ergebnis dieser Untersuchungen ist die Identifikation zweier ehemals getrennt lebender ehemaliger Populationen, die vor etwa 1,5 Millionen Jahren auseinander gingen. Diese differenzierten Linien existierten für eine lange Zeit räumlich und genetisch voneinander getrennt, was auf eine nachhaltige Struktur in der damaligen Urbevölkerung schließen lässt. Die Studienergebnisse zeigen zudem, dass diese beiden Populationen vor circa 300.000 Jahren eine bedeutende Vermischung erfuhren.
Die moderne menschliche Genetik nimmt demzufolge ihren Ursprung zu etwa 80 Prozent aus der einen und zu 20 Prozent aus der anderen dieser ursprünglichen Gruppen. Diese Mischung ist tief in den Genomen aller gegenwärtigen Menschen verankert und somit ein universelles Erbe, das über alle heutigen Populationen hinweg geteilt wird. Dabei deuten die Daten auf ein dramatisches demografisches Ereignis in der größten der beiden Populationen hin, eine starke Verengung der Population – ein sogenannter Flaschenhalseffekt –, unmittelbar nach der Ursprungsaufspaltung. Die Folgen dieser alten genetischen Struktur sind bis heute in unseren Genomen sichtbar. Die Analyse zeigte, dass genetisches Material aus der kleineren Population negative Auswirkungen auf die Fitness hatte und daher gegen das Genom der größeren Population selektiv benachteiligt wurde.
Interessanterweise korreliert dieses Material stark mit der Entfernung zu protein-kodierenden Regionen, was Verunreinigungen durch schädliche Mutationen nahelegt. Solcher negativer Selektionsdruck führt dazu, dass bestimmte Gene aus der minoritären Linie selten oder selektiv eliminiert wurden, während andere Bereiche hingegen sogar angereichert sind. Eine besonders faszinierende Erkenntnis offenbart die Verbindung dieser uralten Populationen zu archaischen Menschenarten wie den Neandertalern und Denisovanern. Die Regionen der heutigen menschlichen Genome, die der größeren der beiden Altpopulationen zugeordnet werden, weisen eine engere genetische Verwandtschaft zu den bekannten archäischen Genomen auf. Dies spricht dafür, dass diese Hauptlinie auch die primäre Abstammungslinie der Neandertaler und Denisovaner war.
Dieses Ergebnis stellt eine wichtige Brücke dar, die den gemeinsamen Ursprung und die komplexen Verflechtungen unserer Art mit anderen Hominiden verdeutlicht. Derartig historische Rekonstruktionen konnten zuvor kaum in diesem Detailgrad erzielt werden, weil klassische Modelle der Populationsgenetik oft vereinfachend annahmen, dass die Vorfahren der heutigen Menschen durchgehend unter völliger Vermischung lebten. Solche Modelle, die sogenannte „panmiktische“ Modelle, haben jedoch die Komplexität der Realität oftmals unterschätzt. Neuere theoretische Arbeiten hatten bereits angedeutet, dass sehr unterschiedliche demografische Szenarien, etwa Strukturen oder Populationsgrößenänderungen, ähnliche genetische Signale hinterlassen können, die schwer auseinanderzuhalten sind. Das strukturierte Koaleszenzmodell cobraa nutzt eine ausgeklügelte Hidden-Markov-Modellierung, welches neben den Zeiten bis zur gemeinsamen Abstammung auch deren Verteilung entlang des Genoms fokussiert.
Dabei berücksichtigt es explizit ein Aufspalten einer Urbevölkerung in zwei getrennte Teilpopulationen und deren anschließende Wiedervereinigung. Dies ermöglicht, Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen verschiedenen Koaleszenzzeiten zu analysieren, welche wichtige Schlüsse auf die Populationstruktur bei gleichem effektivem Populationsgrößenverlauf liefern können. Somit gelingt es, ein identifizierbares und biologisch plausibles Modell für die uralte Populationstruktur zu erstellen. Anwendungen dieses Modells auf umfangreiche Datensätze wie den 1000-Genomes-Project und dem Human Genome Diversity Project zeigen eine erstaunliche Konsistenz der Ergebnisse über unterschiedliche aktuelle menschliche Populationen hinweg. Selbst bei den San, die genetisch als eine der ältesten Populationen gelten, war die alte Struktur evident und der strukturierte Ansatz deutlich überlegen gegenüber stetigen panmiktischen Modellen.
Neben den menschlichen Daten wurde das Modell auch auf andere Arten angewandt, wie auf verschiedene Säugetierartgenomdaten, etwa parti-farbige Fledermäuse, Delfine, Gorillas und Schimpansen. In manchen dieser Tiere wurde ebenfalls Strukturmodelle gefunden, während andere Arten wie die Fledermaus kaum Hinweise auf eine derartige tiefe Populationsteilung zeigen. Dies verdeutlicht, dass solche Modelle flexibel und generisch sind und je nach Art verschiedenartige evolutionäre Geschichten offenbaren können. Darüber hinaus bietet die detaillierte Rekonstruktion der einzelnen Genomregionen mit ihrer Zuweisung zu den beiden alten Populationen vielfältige Einblicke in die natürliche Selektion und die evolutionären Kräfte, die auf spezifische Gene und Funktionen gewirkt haben. So wurden genetische Regionen mit Zeugnissen für eine positive oder negative Selektion untersucht, und Gene, die mit neuronaler Entwicklung, Immunfunktion oder anderen biologischen Prozessen in Zusammenhang stehen, konnten identifiziert werden.
Insbesondere wurde eine negative Selektion gegen Aneignungen aus der minoritären Population festgestellt, die nahelegt, dass solche Segmente teilweise schädlich waren und deshalb weniger frequentiert in heutiger Menschheit sind. Auch die durch die Analyse entdeckten Zeitpunkte der Populationsteilungen und Vermischungen korrelieren mit archäologischen Funden früher moderner Menschen sowie Fossilien. Die geschätzte Vermischungszeit um 300.000 Jahre vor heute fällt in eine Periode mit bedeutsamen fossilen Belegen der anatomisch modernen Menschen im afrikanischen Afrika, was die genomische Rekonstruktion zusätzlich stützt. Die Entwicklung von Methoden wie cobraa markiert einen Meilenstein in der Populationsgenetik, weil sie komplexe, realistischere Vorstellungen von Populationen über lange Zeiträume erlaubt.
Gleichzeitig stößt das Modell an Grenzen, insbesondere bei der Auflösung äußerst komplexer, überlappender oder kontinuierlicher Genflussereignisse, da die Rechen- und Modellkomplexität exponentiell steigt. Diese Forschung verändert das paradigmatische Bild der menschlichen Ursprünge. Statt eines einfachen linearen oder stammbaumbasierten Weges wird ein dynamisches Mosaik menschlicher Abstammungen und Vermischungen sichtbar. Während vorher angenommen wurde, dass es nur relativ spät signifikante Vermischungen gab, etwa mit Neandertalern oder Denisovanern, zeigt die neue Studie, dass eine uralte Populationsteilung und Wiedervereinigung elementarer Bestandteil aller heutigen Menschen ist. Zusätzlich hilft dieses verbesserte Verständnis, die Evolution des Menschen im Kontext anderer Homininen-Arten besser einzuordnen.
Fragen nach der Rolle von Homo erectus, Homo heidelbergensis oder anderen archaischen Vertretern sowie deren Beitrag zum heutigen Genpool werden durch solche genetischen Erkenntnisse ergänzt. Auch im Hinblick auf medizinische Genetik kann das Wissen um diese alten Strukturen von Bedeutung sein. Genetische Elemente, die in alten Populationen entstanden sind, könnten heute mit bestimmten physiologischen oder gesundheitlichen Eigenschaften zusammenhängen. Das differenzierte Verständnis von Selektion, Genfluss und demografischer Geschichte kann somit Erkenntnisse ermöglichen, die weit über die reine Evolutionsforschung hinausgehen. Zukünftig könnten kombinierte Technologien, welche traditionelle Koaleszenz-Modelle mit multidimensionalen Daten wie dem Allelfrequenzspektrum oder referenzgenomübergreifenden Vergleichen verbinden, noch tiefere Einblicke liefern.
Die Einbeziehung von mehr Individuen, verschiedenen Spezies und zusätzlichen historischen Proben wird die Auflösung und Genauigkeit solcher Modelle weiter steigern. Die Ergebnisse des strukturierten Koaleszenzmodells zu den tiefen Populationsteilungen und anschließenden Vermischungen bei Menschen illustrieren eindrucksvoll, dass unsere Geschichte nicht linear oder eindimensional war. Vielmehr teilen alle heutigen Menschen ein komplexes Erbe, das aus langen Phasen der Trennung und dann Wiedervereinigung besteht. Dieses Modell wird das Fundament bilden, auf dem zukünftige Forschungen zur menschlichen Evolution und Populationsgenetik aufbauen können, und gibt neue Impulse für das Verständnis unserer eigenen Herkunft.
