Die molekulare Uhr

Jede menschliche Zelle besitzt einen Zellkern mit verschiedenen Zellorganen,1 dazu gehören auch die Mitochondrien.2 Die Mitochondrien besitzen eigene Erbsubstanz, die mitochondriale DNA oder mtDNA. Die mtDNA mutiert in regelmäßigen Zeitabständen, d.h. sie weist eine konstante Mutationsrate auf.3 Die Art und Weise der Mutationen ermöglicht Rückschlüsse auf die Zeit ihrer Entstehung, man spricht von einer molekularen Uhr.4

DNA-Helix

↑ Abb. 1: DNA-Helix verändert nach Zephyris

Die Mutationen der mtDNA können zur Aufklärung von Abstammungslinien genutzt werden,5 je mehr Mutationen vorhanden sind, desto länger hat die Entwicklungszeit gedauert.6 Darüberhinaus können Aussagen über Migration, Verdrängung oder Vermischung von Populationen abgeleitet werden.7 Die Mutationen werden in Haplogruppen eingeteilt. Einige Haplotgruppen finden sich nur unter Europäern, andere nur oder vorwiegend in Afrika,8 daraus ergeben sich Hinweise auf die Entwicklung und die Verbreitung des Menschen, sowohl räumlich als auch zeitlich. Ergebnisse aus den Bereichen der Archäologie und Paläoanthropologie können so verifiziert werden.

Wiege der Menschheit

Die Paläoanthropologie befasst sich mit dem Entstehen der spezifischen Merkmale des Menschen und der Stammesgeschichte des Menschen, das heißt mit der Rekonstruktion von Verwandtschaftslinien der Art Homo sapiens. Grundlage für diese Analysen sind fossile Knochen. Aus diesen Untersuchungen geht hervor, dass Afrika die Wiege der Menschheit ist. Dort und nur dort begann die Menschwerdung. Die Ergebnisse der Analysen der mtDNA bestätigen diese Feststellung. Der mitochondriale Stammbaum zeigt tiefe Äste in Afrika und sternförmige, kurze außerhalb Afrikas.9 Die Haplotypen der L-Gruppe sind die ältesten Typen. Sie dominieren in Afrika, südlich der Sahara und es steht außer Frage, dass sie auch dort ihren Ursprung haben.10 Die Haplogruppen M und N dominieren im Rest der Welt und sind in Afrika südlich der Sahara selten.11

MtDNA

↑ Abb. 2: Links frühe Diversität nach Pdeitiker, rechts heutige Verbreitung der Haplogruppen nach Maulucioni

Genpool der San

Im südlichen Afrika leben die San. Es handelt sich um kuturell und sprachlich eng verwandte ethnische Gruppen, die früher als Buschmänner bezeichnet wurden, sie selbst bezeichnen sich als „wahre Menschen“ – Khoikhoi.12 Die San haben eine sehr hohe genetische Vielfalt, ihre genetische Diversität ist deutlich höher als die der restlichen Menschheit. Zusätzlich weist die mtDNA sehr alte Haplotypen auf, das legt eine direkte Abstammung von den frühesten menschlichen Vorfahren nahe.13 Die San stammen wohl in direkter Linie von der Population von Homo sapiens ab, die Afrika nicht verließ.

Mitochondriale Eva

Durch Auswertung der Mutationen unter Berücksichtigung der molekularen Uhr lassen sich die Zeitpunkte ermitteln, zu denen sich verschiedene Arten auseinander entwickelten. Genaugenommen wird die letzte gemeinsame Urahnin ermittelt. Sie wird als „mitochondriale Eva“ bezeichnet, weil die mitochondriale DNA aller heute lebenden Menschen aus ihrer mitochondrialen DNA durch eine direkte Abstammungslinie hervorgegangen ist.14 Die mitochondriale Eva war weder die erste, noch die einzige Frau zu einem bestimmten Zeitpunkt der Vergangenheit. Sie war nur eine unter vielen Frauen, die mitochondrialen Erblinien der anderen Frauen starben aber aus, während ihre sich fortsetzte.15

Mitochondriale-Eva

↑ Abb. 3: Abstammungslinien, verändert nach Molgen

Nach neuesten Untersuchungen lebte der letzte gemeinsame Vorfahre aller menschlichen mitochondrialen DNA-Linien vor etwa 160.000 Jahren. Anders ausgedrückt tragen alle heute lebenden Menschen mitochondriale DNA in sich, die von einer einzigen Frau stammt, die vor etwa 160.000 Jahren lebte.16

Neandertaler

Mit Hilfe der molekularen Uhr kann zumindest grob ermittelt werden, wann sich Arten und Populationen voneinander abspalteten. Man schätzt, dass die letzte gemeinsame Urahnin von Modernem Menschen und Neandertaler vor 550.000 bis 690.000 Jahren gelebt hat.17

Abstammung

↑ Abb. 4: Verschiedene Neandertaler-Individuen und Bevölkerungsgruppen des Modernen Menschen

Siehe auch → Artikel: Der Denisova-Mensch

Vermischung

Eine Studie aus dem Jahr 2010 ergab, dass das Genom aus dem Zellkern der Neandertaler eine signifikant größere Ähnlichkeit mit dem Zellkern-Genom von Europäern und Asiaten hat als mit dem von Afrikanern. Das bedeutet, der Genfluss vom Neandertaler zu den Vorfahren der Nicht-Afrikaner erfolgte, bevor sich die eurasischen Gruppen voneinander trennten. Die Vermischung von Neandertaler und Modernen Mensch fand imNahen Osten statt, bevor sich der Moderne Mensch weiter nach Asien und Europa ausbreitete.18

Out of Afrika

Innerhalb Afrikas ist die genetische Diversität größer als außerhalb.19 Daraus lässt sich schließen, das nur eine relativ kleine Homo sapiens-Population Afrika verließ, der weitaus größere Teil bleib in Afrika. Die Lebenszeit des letzten gemeinsamen Vorfahren von Afrikanern und Nicht-Afrikanern wurde in der neuesten mtDNA-Studie auf 62.000 bis 95.000 Jahre vor heute datiert.20

Eurasien

↑ Abb. 5: Eurasische Ausbreitung nach Haplogruppen, verändert nach Metspalu et al.

Eurasien

Aus den Mutationen der mtDNA lassen sich Rückschlüsse auf die räumliche und zeitliche Verbreitung des Menschen ziehen. So ergibt die Untersuchung der entsprechenden Haplogruppen auch Hinweise auf die Verbreitungswege des Modernen Menschen. Diese führen von Afrika aus über den Nahen Osten nach Asien und Europa und schließlich über die ganze Welt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit betrug dabei im Schnitt 400 m/Jahr.21

Haplogruppen

↑ Abb. 7: Hapolgruppen weltweit, verändert nach Maulucioni

Die Vergleiche der mitochondrialen DNA ergaben, dass die Jäger und Sammler vor und nach der letzten Eiszeit in Europa in direkter Verwandtschaftslinie stehen. Das bedeutet, Europa war während der letzten Eiszeit durchgängig besiedelt.22

Genetischer Flaschenhals

Als genetischen Flaschenhals bezeichnet man eine starke genetische Verarmung einer Art. Ein solcher Flaschenhals ist ein deutlicher Hinweis auf eine stark geschrumpfte Populationsgröße. Analysen der mitochondrialen DNA haben beim Menschen eine unerwartet geringe genetische Vielfalt ergeben und zur Annahme geführt, dass es vor rund 70.000 bis 80.000 Jahren auch beim Menschen einen genetischen Flaschenhals gegeben haben könnte. Seinerzeit hätten demnach nur etwa 1000 bis 10.000 Individuen von Homo sapiens, größtenteils in Afrika, gelebt.23

genetischer Flaschenhals

↑ Abb. 8: Hellgrau zu erwartende Entwicklung, dunkelgrau genetischer Flaschenhals

Auch im Vergleich zu Menschenaffen ist die genetische Diversität des Menschen sehr gering. Dieses Ergebnis überrascht, theoretisch wäre eine ähnliche Diversität zu erwarten. In einem bestimmten Segment der mtDNA zeigen Schimpansen jedoch eine drei- bis vierfach größere genetische Diversität. Die mtDNA von nur 19 Schimpansen zeigt eine höhere Diversität als die mtDNA aller lebenden Menschen.24 Auch das ist ein deutlicher Hinweis auf eine zeitweise extrem geschrumpfte Population von Homo sapiens.

Abbildungsnachweis:

Abb. 1: verändert nach Zephyris at the English language Wikipedia / Wikimedia Commons / CC-BY-SA 3.0, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:A-DNA_orbit_animated_small.gif; Abb. 2: Links nach Pdeitiker / Wikimedia Commons / public domain, https://commons. wikimedia.org/wiki/File:Early_diversification_2011.PNG; rechts nach Maulucioni / Wikimedia Commons / CC-BY 3.0; https://en.wikipedia.org/wiki/File:Macrohaplogrupo_L_en_%C3%81frica.png; Abb. 3: verändert nach Molgen / Wikimedia Commons / CC-BY-SA 3.0, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:MtDNAtreeHuman.svg; Abb. 4: verändert nach Max Planck Institut EVA; Abb. 5: verändert nach Metspalu, M.; Kivisild, T.; Metspalu, E.; Parik, J.; Hudjashov, G.; Kaldma, K.; Serk, P.; Karmin, M. et al. (2004). „Most of the extant mtDNA boundaries in south and southwest Asia were likely shaped during the initial settlement of Eurasia by anatomically modern humans“. BMC Genetics 5: 26,Metspalu et al. / Wikimedia Commons / CC-BY 2.0, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Peopling_of_eurasia.jpg; Abb. 6: verändert nach Stringer / Wikimedia Commons / CC-BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Homo-Stammbaum,_Version _Stringer.jpg; Abb. 7: verändert nach Maulucioni / Wikimedia Commons / CC-BY-SA 3.0, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Migraciones _humanas_en_haplogrupos_mitocondriales.PNG

  1. Wikipedia/ Mitrochodien
  2. Wikipedia/Organell
  3. Wikipedia/Mitrochondriale DNA
  4. Wissenschaft online/Kompaktlexikon der Biologie/Molekulare Uhr
  5. Wikipedia/Mitochondrien/Genom
  6. Wikipedia/Molekulare Uhr
  7. Wikipedia/ Mitrochondriale Eva/Bedeutung
  8. Wikipedia/Haplogruppe
  9. Wikipedia/Mitochondriale Eva/Out of Africa
  10. Elizabeth Watson et al., Mitochondrial Footprints of Human Expansions in Africa, in American Journal of Human Genetics, Volume 61, Issue 3, September 1997, Pages 691–704, PDF
  11. Wikipedia/Mitochondriale Eva
  12. Wikipedia/San
  13. Wikipedia/San/Geschichte
  14. Wikipedia/Mitochondriale Eva
  15. Wikipedia/Mitochondriale Eva/Theorie
  16. Archäologie online, Uni Tübingen, Uni Bonn / CS, Wann verließ der moderne Mensch Afrika? Artikel vom 22.03.2013, Publikation: Fu et al. „A Revised Timescale for Human Evolution Based on Ancient Mitochondrial Genomes“ Current Biology (2013)
  17. Wikipedia/Mitochondriale Eva/Alte mitochondriale DNA
  18. Wikipedia/Ausbreitung des Menschen/Begegnung mit anderen Arten der Gattung Homo
  19. Wikipedia/Mitochondriale Eva/Genetische Diversität
  20. Archäologie online, Uni Tübingen, Uni Bonn / CS, Wann verließ der moderne Mensch Afrika? Artikel vom 22.03.2013
  21. Wikipedia/Mensch/Entwicklungsgeschichte
  22. Archäologie online, Uni Tübingen, Uni Bonn / CS, Wann verließ der moderne Mensch Afrika? Artikel vom 22.03.2013
  23. Wikipedia/Genetischer Flaschenhals/beim Menschen
  24. Wikipedia/Mitochondriale Eva/Genetische Diversität