Wetenschap lost drie grootste raadsels van de mensheid op

Eiwitten moeten uitmaken wie onze voorouders waren

Een kies van een neushoorn, een 300 kilo zware aap, twee uitgestorven mensensoorten en een onderzoeksteam in Kopenhagen – allemaal ingrediënten van het verhaal hoe een geheel nieuwe methode met oeroude eiwitten kan aantonen wie de mensheid heeft voortgebracht.

De kies van 5 centimeter breed en 4 centimeter hoog maakt niet veel indruk. Maar hij zat 1,77 miljoen jaar geleden in de kaak van een nu uitgestorven neushoorn die rondliep in Dmanisi, Georgië, en de kies opent een nieuw tijdperk in het onderzoek naar onze eigen geschiedenis.

Dankzij een aantal ontdekkingen tijdens het onderzoek naar de kies kunnen we onze stamboom nu enkele miljoenen jaren verder in kaart brengen dan voorheen mogelijk was.

Zo kunnen wetenschappers voor het eerst de soort opsporen waaruit de gehele mensheid is voortgekomen – en ze zijn al dicht bij de oplossing van dit raadsel.

De kies werd in 2019 wereldberoemd in de wetenschap toen een team onder leiding van biochemicus Enrico Cappellini van de universiteit van Kopenhagen de resultaten van de analyse ervan bekendmaakte.

Omdat de kies vanwege zijn hoge ouderdom geen bruikbaar DNA meer bevat, onderzocht het team het eiwitgehalte.

Doordat eiwitten worden gevormd uit de genen van de cellen, weerspiegelen ze de DNA-sequenties van de genen. Net als genen laten eiwitten dus zien of mensen verwant waren.

De onderzoekers gebruikten een nieuwe variant van de massaspectrometrie om de eiwitten van de kies te analyseren, waarna ze die vergeleken met eiwitten van andere uitgestorven en levende neushoornsoorten.

Zo bleek dat de eigenaar van de kies behoort tot een tak van de stamboom die zich later opsplitste in andere soorten, zoals de wolharige neushoorn, die na de laatste ijstijd 8000 jaar geleden uitstierf.

Verder bleek het fossiel een gemeenschappelijke voorouder te hebben met de Sumatraanse neushoorn

Miljoen jaar verder terug

1,77 miljoen jaar terug, toen de uitgestorven neushoorn van Dmanisi nog op bladeren kauwde, bevond de aarde zich in een ijstijd.

Gigantische ijskappen schoven over het noordelijk halfrond, en van onze eigen soort, Homo sapiens, was nog ruim 1 miljoen jaar geen sprake.

Maar onze voorouders waren bezig de wereld te veroveren.

Dit vroege verleden was altijd ver buiten het bereik van het genetisch onderzoek. Het oudste DNA dat wetenschappers te pakken hebben kunnen krijgen, is 700.000 jaar oud DNA van een paard, maar meestal blijft DNA slechts een paar honderdduizend jaar bruikbaar.

Het DNA van het paard ging alleen zo lang mee omdat het in een poolgebied met permafrost lag. We boffen veel minder met fossielen van onze eigen ontwikkelingsgeschiedenis, die plaatsvond in warmere gebieden.

Maar met de eiwittechnologie kunnen we minstens 1 miljoen jaar verder teruggaan. En omdat die eiwitten in gebitten zitten die vaak versteend zijn, is er genoeg materiaal voorhanden om de hiaten in de geschiedenis van de ontwikkeling van de mens in te vullen.

En daar zijn er veel van. Zo is de oorsprong van onze soort, Homo sapiens, nog altijd een bron van verhitte discussies tussen wetenschappers.

In 2018 publiceerde een team van Britse en Duitse deskundigen een artikel waarin ze de heersende opvatting van het ontstaan van Homo sapiens ter discussie stellen.

De overtuiging dat we 200.000 jaar terug vanuit een geïsoleerde groep voorouders in Oost-Afrika ontstonden, snijdt volgens het team geen hout.

De onderzoekers wijzen erop dat schedels uit verschillende delen van Afrika allemaal kenmerken hebben die aan Homo sapiens doen denken, maar op heel andere manieren.

Dit duidt erop dat onze soort is ontstaan door een veel complexer proces, waarbij groepen in Afrika elk hun ‘moderne’ eigenschappen ontwikkelden, die daarna met elkaar zijn vermengd.

Als dit klopt, is het in kaart brengen van de menselijke ontwikkeling nog lastiger dan gedacht.

Schedel schrijft geschiedenis

Of Homo sapiens nu op één plaats of her en der in Afrika is ontstaan, de vraag blijft van wie onze soort afstamt.

Tot in de jaren 1990 waren de meeste kenners het erover eens dat Homo sapiens voortkwam uit de soort Homo heidelbergensis, een heel behendige holbewoner met grote hersenen die 700.000-300.000 jaar geleden in Afrika en Europa leefde.

De schedel lijkt een kruising tussen die van ons en die van Neanderthalers, dus Homo heidelbergensis leek Neanderthalers én Homo sapiens te hebben voortgebracht.

Tot er een nieuwe kandidaat verscheen. In 1994 dook het fossiel van een schedel van een kind op in Atapuerca, Spanje, met kenmerken die meer aan onze eigen soort dan Homo heidelbergensis doen denken.

In hetzelfde gebied werden in de jaren daarna 80 fossielen van zes individuen opgegraven en samen met de kinderschedel werden ze in 1997 toegeschreven aan een nieuwe soort, die Homo antecessor werd genoemd. Uit de datering bleek dat de schedel 780.000 jaar oud was: ouder dan Homo heidelbergensis.

De ontdekking van Homo antecessor bracht nieuwe vragen met zich mee.

De soort is mogelijk een voorouder van Homo heidelbergensis, wat goed zou passen bij de ouderdom van de fossielen. Maar hij kan ook de directe voorouder van onszelf en de Neanderthaler zijn, of van een van de twee.

De Homo antecessor-schedel bleek moderne kenmerken te hebben: eigenschappen die meer op die van ons lijken dan op die van Neanderthalers.

Onderzoek duidt erop dat sommige van onze speciale kenmerken veel eerder zijn ontstaan dan we dachten – zelfs eerder dan de kenmerken die we in verband brengen met de Neanderthalers.

Wat wij ‘moderne kenmerken’ noemen, kunnen dus in feite ‘oude kenmerken’ zijn. En nu is die theorie onderbouwd door de analyse van eiwitten uit oeroude tanden.

De onderzoekers van de universiteit van Kopenhagen hebben de eiwitten van een fossiel van Homo antecessor vergeleken met overeenkomstige eiwitten van onszelf, Neanderthalers en zogeheten Denisova’s, die tot zo’n 40.000 jaar terug leefden ten tijde van de Neanderthalers.

‘We zien daaraan dat een Homo antecessor-achtige de voorouder is van alle drie de ontwikkelingstakken,’ zegt Eske Willerslev, lid van het onderzoeksteam en hoofd van het Deense centrum voor geogenetica.

Dus Homo antecessor kan onze directe voorouder zijn. Willerslev weet echter nog niet hoe Homo heidelbergensis in het plaatje past, dus de discussie is nog niet beslist.

‘Om het met zekerheid te kunnen zeggen is er nog een eiwitsequentie van Homo heidelbergensis nodig.’

Aap maakt de weg vrij

Het Deense team heeft ook laten zien wat eiwitanalyse kan betekenen in een ander project, waarbij het de kies van de circa 300 kilo zware mensaap Gigantopithecus blacki bekeek, die tot 300.000 jaar geleden in Zuidoost-Azië leefde.

De aap is alleen bekend van stukken onderkaak en gebitselementen, dus het viel voor de paleontologen niet mee om de verwantschap met andere mensapen vast te stellen. Tot de nieuwe eiwittechniek er was.

Eind 2019 brachten de wetenschappers naar buiten dat ze eiwitten uit de apenkies hadden geëxtraheerd en geanalyseerd. De kies was 1,9 miljoen jaar oud, dus ouder dan de kies van de oerneushoorn.

Uit analyse bleek dat de huidige naaste verwant van de reuzenaap de orang-oetan is, waarmee hij 10-12 miljoen jaar terug een voorouder had.

Het resultaat is spectaculair vanwege de ouderdom van de kies, maar ook omdat hij opdook in een gebied waar de gemiddelde temperatuur boven de 20 °C ligt.

Daarmee ligt de weg open om de vroege evolutie van de mens in de tropen te onderzoeken. De onderzoekers kunnen in elk geval teruggaan naar Homo erectus, een van de allereerste mensensoorten die Afrika verlieten.

Het wemelde hier van de mensensoorten

De wieg van de mens stond in Afrika … of Azië. Menselijke fossielen die her en der zijn opgedoken, prikken de gangbare theorieën steeds weer lek. Nu moeten oeroude eiwitten voor eens en voor altijd de kluwen van prehistorische mensen ontrafelen en de migratie van onze voorouders in kaart brengen.

I n juli 2018 kon de Chinese geoloog Zhaoyu Zhu eindelijk de resultaten publiceren van het onderzoek waar hij 14 jaar aan had gewerkt. Al in 2004 begon hij met een stel collega’s te graven naar stenen werktuigen op een berg in Shangchen, centraal China.

In 2007 vonden ze de eerste steen die duidelijk door mensenhanden bewerkt was, en tien jaar later hadden ze er ruim honderd weten op te diepen uit een 73 meter dikke aardlaag.

Zhu wist dat de vondsten in de diepste laag zo oud moesten zijn dat de werktuigen onmogelijk door moderne mensen gemaakt konden zijn. Op zich geen verrassing, want onderzoekers hebben wel eerder restanten van oude mensensoorten buiten Afrika gevonden.

De oudste zijn van Homo erectus, een vroege soort die als eerste het gebruik van vuur beheerste. Hij zat 1,85 miljoen jaar geleden in Georgië en 1,7 miljoen jaar terug in China.

De oudste vondsten van Homo erectus in Afrika zijn 1,9 miljoen jaar oud, en tot nu toe luidt de theorie dat de soort in Afrika ontstond en daarna is weggetrokken. Maar Zhu’s vondsten zetten alles op z’n kop.

Zhu’s team verdeelde de bodemlagen in Shangchen in 17 secties om ze afzonderlijk te dateren. De lagen besloegen samen meer dan 800.000 jaar en de zes oudste stenen werktuigen waren 2,12 miljoen jaar oud.

Ze zijn dus niet alleen 270.000 jaar ouder dan de oudste Homo erectus-fossielen buiten Afrika, ze zijn ook veel ouder dan de eerste Homo erectus in Afrika.

Wat Zhu’s vondsten precies zeggen over onze migratie over de aarde is nog onduidelijk, maar kennelijk is het plaatje verre van compleet. Gelukkig kunnen oeroude eiwitten binnenkort de antwoorden op vele vragen geven.

Ons geslacht ontstond in Azië

Als de stenen werktuigen in Shangchen zijn gemaakt door Homo erectus, moet de soort Afrika veel eerder hebben verlaten dan we dachten: 200.000 jaar voordat de Afrikaanse variant van de soort ontstond.

Dan kloppen de theorieën niet meer en zijn er nieuwe verklaringen nodig. Dus mogelijk ontstond Homo erectus veel eerder in Afrika en is hij ook eerder weggetrokken.

Ook kan het zijn dat de stenen werktuigen zijn gemaakt door een heel andere Homo-soort, die lang vóór Homo erectus is weggetrokken.

Het zou een vroege versie kunnen zijn van de aapachtige soort Homo habilis, mogelijk de voorouder van Homo erectus.

De oudste vondsten, die zijn toegeschreven aan een voorloper van Homo habilis, zijn 2,8 miljoen jaar oud, dus de soort zou de tijd hebben gehad om naar China te reizen en de werktuigen te maken.

Volgens verschillende wetenschappers was Homo habilis te primitief om hem tot het menselijk geslacht te kunnen rekenen, dus ze delen hem in als Australopithecus: het geslacht van aapmensen waaruit het Homo-geslacht voortkomt.

Als deze soort heel vroeg uit Afrika emigreerde, wordt het scenario erg controversieel.

De emigrant heeft mogelijk Homo erectus voortgebracht en dus het hele menselijke geslacht in Azië, waarna Homo erectus naar Afrika trok – en dan zou Afrika dus niet de bakermat van het Homo-geslacht zijn, zoals we dachten.

Azië wemelde van de soorten

Tot een paar decennia geleden leek het erop dat de uittocht uit Afrika plaatsvond in een aantal golven van Homo-soorten, met Homo erectus als eerste.

Even later volgde Homo Heidelbergensis, die in Europa uitgroeide tot de Neanderthaler. Tot slot kwam de uittocht van de moderne mens, Homo sapiens, zo’n 60.000 jaar geleden. En iedere emigratiegolf bracht een nieuwe mensensoort de wereld in, die al snel zijn voorgangers verdreef.

Inmiddels weten we dat de geschiedenis veel ingewikkelder is. De laatste jaren is gebleken dat er in Azië diverse soorten tegelijk aanwezig waren.

Een van hen was de Denisova, met wie de wetenschap in 2010 kennismaakte, toen DNA-analyse van een vingerkootje uit Siberië uitwees dat het om een nieuwe soort ging.

Vergelijkingen van het DNA van de Denisova, Neanderthaler en Homo sapiens laten zien dat de Denisova zich 550.000 jaar geleden van ons aftakte en 300.000 jaar geleden van de Neanderthalers.

Maar het DNA vertelt bovendien dat de drie soorten later kinderen met elkaar kregen toen ze elkaar troffen in Europa en Azië

In Zuidoost-Azië was er nog een vierde mensensoort, de ongeveer 1 meter grote Homo floresiensis.

Hij werd aanvankelijk als een directe afstammeling van Homo erectus beschouwd, maar sommige onderzoekers denken dat hij nog oudere wortels heeft en voortkomt uit Australopithecus.

Hetzelfde geldt voor een nieuw ontdekte soort, Homo luzonensis, uit de Filipijnen. Verder bleek in 2019 dat Homo erectus waarschijnlijk tot 110.000 jaar geleden in Azië voorkwam.

DNA en eiwit schetsen stamboom

Dat verschillende mensensoorten de laatste 100.000 jaar hun genen hebben vermengd, maakt het waarschijnlijk dat dit ook eerder is gebeurd.

Het verandert het idee dat elke emigratiegolf uit Afrika de vorige golf van de kaart heeft geveegd.

Europa en Azië waren net als Afrika tegelijkertijd bewoond door meerdere soorten mensen, die voldoende van elkaar waren afgezonderd om elk hun eigenschappen en kenmerken te hebben kunnen ontwikkelen, maar voldoende op elkaar leken om samen kinderen te kunnen maken als ze elkaar tegen het lijf liepen.

DNA-analyses van bevolkingsgroepen van nu geven een veel gedetailleerder beeld van onze geschiedenis dan het vergelijken van de vorm van fossielen.

De verschillen in ons DNA kunnen laten zien met wie we ons mengden en waar en wanneer dat gebeurde. Daardoor kunnen we onze stamboom op een nieuwe manier tekenen. En de op DNA gebaseerde stamboom is niet zo statisch; takken worden dikker en dunner, groeien samen en gaan weer uit elkaar.

De jongere fossielen die nog DNA bevatten, kunnen dan op de stamboom worden geplaatst waar hun genen het beste passen. En de oudere fossielen zullen er in de toekomst een plek op krijgen door eiwitten in kaart te brengen die uit botten en tandglazuur geëxtraheerd zijn. Zo zullen wetenschappers met behulp van oude eiwitten mogelijk al snel kunnen vaststellen of de Aziatische Homo erectus afstamt van de Afrikaanse, of andersom.

Homo sapiens nam voorsprong

Het nieuwe verhaal van de verovering van de wereld door de mens past beter bij tal van fossielen die in China zijn gevonden en die wetenschappers tot dusver dwarszaten.

Al in 1978 dook in centraal China de schedel op van de zogeheten Daliman. Hij trok veel aandacht omdat hij leek op een kruising tussen Homo erectus en Homo sapiens.

Uit latere dateringen blijkt echter dat hij circa 260.000 jaar oud is. En in 2009 beschreven onderzoekers een 110.000 jaar oude onderkaak van een Homo sapiens uit China.

De twee vondsten botsen met het idee dat Homo sapiens 60.000 jaar geleden pas emigreerde.

Veel onderzoekers staan er nog wat sceptisch tegenover, maar het idee dat Homo sapiens eerder uit Afrika vertrok dan werd aangenomen, wordt ondersteund door een aantal nieuwe vondsten, zoals een 180.000 jaar oude kaak uit Israël en een 210.000 jaar oude schedel uit Griekenland.

Al met al zijn groepen Homo sapiens waarschijnlijk 150.000 jaar eerder weggetrokken dan gedacht.

Op reis hebben ze een grote verscheidenheid aan soorten en hybriden ontmoet en zich met hen vermengd – een variatie die we ons niet kunnen voorstellen, nu de aarde maar één mensensoort kent.

We hebben andere mensen vriendelijk opzijgeschoven

70.000 jaar geleden werd Homo sapiens met uitsterven bedreigd – onze soort telde nog maar 20.000 individuen. Maar we kwamen terug, verdrongen een legertje andere mensensoorten en namen de wereld in. Onderzoekers gaan nu het succesverhaal na, en misschien waren we wel gewoon lieverdjes.

Groot, klein, dik, dun, wit, zwart – in het zwembad krijg je een goede indruk van de enorme variatie in ons uiterlijk.

Maar alle mensen die nu leven, lijken eigenlijk verbazingwekkend veel op elkaar als je kijkt naar de diversiteit die slechts 50.000 jaar geleden bestond, toen de wereld werd bevolkt door allerlei mensensoorten.

Onder onze huid verschillen we bijzonder weinig van elkaar, en met een snelle blik op een röntgenfoto zie je dat we allemaal tot Homo sapiens behoren.

Deze uniformiteit komen de wetenschappers ook tegen bij het analyseren van ons DNA. De gehele wereldbevolking lijkt genetisch meer op elkaar dan twee chimpansees uit hetzelfde bos.

Tegenwoordig zijn we de enige mensensoort op aarde, en tot dusver was het niet mogelijk om te bepalen waarom. Iets moet ons speciale voordelen hebben gegeven, en alleen door de kleine genetische verschillen tussen ons en eerdere mensensoorten te analyseren kunnen moleculair biologen
nagaan wat bepalend was voor ons succes en de ondergang van de andere soorten.

Onze soort was op sterven na dood

We lijken zo op elkaar doordat onze soort zich snel heeft verspreid en de bevolking ooit is gedecimeerd.

De variatie in ons DNA duidt erop dat er rond de 70.000 jaar geleden nog slechts 20.000 individuen van Homo sapiens waren, dus de soort was zo goed als uitgestorven – misschien wel door klimaatveranderingen.

Het klimaat is de afgelopen 15.000 jaar vrij stabiel, maar de 100.000 jaar daarvoor was het wispelturiger.

Het landijs groeide en slonk, en grote gebieden waren nu eens rijk bebost met open vlakten en dan weer woestijn.

Ook andere mensensoorten hadden het zwaar onder die wisselvallige omstandigheden. Wij overleefden het, maar andere soorten stierven uit, en nu probeert de wetenschap te achterhalen waarom.

Het is lastig om anatomische kenmerken te vinden die ons grote voordelen zouden hebben opgeleverd. Grotere hersenen zijn het niet – Neanderthalers hadden grotere hersenen dan wij.

Waarschijnlijk ligt het antwoord dieper in onze genen, en onderzoekers zijn op zoek naar mutaties die een great sweep kunnen veroorzaken: mutaties die een groot overlevingsvoordeel opleveren en zich daarom heel snel verspreiden.

Een goed voorbeeld zijn mutaties in de genen die de hoeveelheid rode bloedcellen reguleren en het mogelijk maken om te overleven in dunne luchtlagen.

Tibetanen hebben een variant van het EPAS1-gen die bij geen enkel ander volk voorkomt – maar wel bij de Denisova’s, dus mogelijk heeft deze uitgestorven mensensoort de variant rechtstreeks aan de Tibetanen doorgegeven.

Duitse wetenschappers hebben in 2019 een 160.000 jaar oud bot uit Tibet onderzocht. Ze konden er geen DNA uit extraheren, maar een eiwitanalyse toonde aan dat het van een Denisova afkomstig was.

De Denisova’s pasten zich dus aan de omstandigheden in Tibet aan en gaven hun mutaties door aan de hedendaagse Tibetanen.

Uit dit verhaal blijkt wel wat er allemaal mogelijk is als we DNA-analyses van huidige volken koppelen aan DNA- en eiwitstudies van fossielen.

We hebben onszelf getemd

De mutatie in het EPAS1-gen leidde tot een great sweep op het Tibetaans Hoogland, maar om het succes van onze gehele soort te verklaren, moeten de wetenschappers een mutatie vinden die voordelen alom biedt.

Een van onze bijzondere kenmerken is de taal. Onze taalvaardigheid houdt verband met het gen FOXP2, maar de Neanderthalers hadden dezelfde variant, dus dat gaf ons geen bijzonder voordeel ten opzichte van hen.

Misschien moeten we het zoeken in ons vermogen om in grote groepen dicht bij elkaar te wonen. De Britse bioloog Richard Wrangham stelt dat dit vermogen uniek is voor Homo sapiens en het resultaat is van zogeheten zelfdomesticatie.

Dit betekent dat we onszelf hebben getemd, net zoals we later bijvoorbeeld wolven hebben getemd tot zachtmoedige honden.

Bij onze directe voorouder ontstonden mutaties die socialer gedrag opleverden, waardoor we in groepen konden samenleven zonder veel conflicten.

Omdat dit gedrag zo gunstig was, hebben de mutaties zich verspreid in een great sweep.

De genen voor sociaal gedrag spelen ook elders in het lichaam een rol – vooral in de schedel.

Toen we de wolf temden en hem socialer maakten, gaven we hem onbedoeld een kortere snuit. Evenzo zijn onze platte gezichten een bijwerking van de mutaties die ons socialer hebben gemaakt.

Sociaal gedrag voorkomt inteelt

Wranghams theorie is met scepsis onthaald, maar werd in 2019 geschraagd door studies van het gen BAZ1B. Dit gen heeft te maken met veranderingen die we zien bij getemde dieren.

En mensen met het syndroom van Williams, dat door mutaties in BAZ1B wordt veroorzaakt, zijn erg vriendelijk en hebben een engelachtig gezicht – dus een extreme versie van de eigenschappen die onze soort kenmerken.

Nu blijkt dat BAZ1B bij Homo sapiens wezenlijk verschilt van hetzelfde gen bij Neanderthalers en Denisova’s. En de mutaties in BAZ1B hebben ons voordelen opgeleverd.

Zo kan onze vriendelijkheid het ons makkelijker hebben gemaakt om genen uit te wisselen met andere groepen mensen. Op die manier voorkwamen we inteelt, wat beslissend kan zijn geweest.

‘DNA-onderzoek laat zien dat groepen Neanderthalers extreme inteelt kenden, en dat Homo sapiens juist bijna een strategie tegen inteelt lijkt te hebben gehad.

Die werd mogelijk ondersteund door goede sociale vaardigheden, waardoor ze partners buiten hun eigen groep konden vinden,’ zegt Eske Willerslev van de Deense universiteit van Kopenhagen.

Maar hij wijst erop dat onze soort mogelijk ook was gebaat bij externe factoren. Door droogte en ontbossing als gevolg van klimaatveranderingen moesten we wel op de open vlakten op prooien jagen.

Dat was een voordeel voor onze soort, die erop gebouwd is om lange einden te rennen. Welke aanpassingen onze soort precies het doorslaggevende voordeel gaven, is niet zeker.

Maar de komende decennia zullen de nieuwe moleculairbiologische instrumenten waarschijnlijk kennis uit de oude fossielen opdiepen die ons de antwoorden kan geven.