Als Doktorand an der Uni Kopenhagen war Eske Willerslev ein Niemand. Zumindest kam er sich so vor. Denn wie will man im Fach Evolutionsgenetik promovieren, wenn man nie die Fossilien in die Finger bekommt, in denen sich die Spuren uralter DNA erhalten haben?

Die Erleuchtung kam ihm an einem Herbsttag im Jahr 2000, als er einem Hund dabei zuschaute, wie er sein Geschäft machte. Kot, dachte Willerslev, enthält DNA – und vielleicht bleibt ja ein bisschen was davon zurück, wenn der Regen das Häufchen fortgespült hat. Und wenn sich die Hunde-DNA in der Umwelt hält, dann doch vielleicht auch die von längst ausgestorbenen Tieren. So ließe sich mehr über diese Lebewesen in Erfahrung bringen, ohne dass man Zugang zu den raren Museumsexemplaren bräuchte.

Er habe noch nie so einen Quatsch gehört, soll einer seiner Professoren gesagt haben. Mit seiner Idee stieß Willerslev nicht gerade auf offene Ohren. Dabei hatte er den richtigen Riecher: In einer 2003 in »Science« erschienenen Arbeit zeigte er, dass sich aus einem 400 000 Jahre alten sibirischen Permafrost-Bohrkern die DNA von Pflanzen und Tieren gewinnen lässt.

Und selbst bei Erbgut, das unter wärmeren Bedingungen überdauerte, funktionierte das, wie Willerslev an den 600 Jahre alten Sedimenten einer neuseeländischen Höhle demonstrierte. Dort konnte er die DNA des ausgestorbenen, emuähnlichen Moas (Euryapteryx curtus) nachweisen. Es war das erste Mal, dass Forschende allein mithilfe von Sedimenten eine längst verschwundene Tierart identifizierten.

Plötzlich interessieren sich Labore für Erdhäufchen

Zwei Jahrzehnte später habe sich die Untersuchung alter DNA aus Sedimenten zu einem ihrer spannendsten neuen Werkzeuge entwickelt, sagen Fachleute. Vor allem seitdem klar ist, dass sich auch menschliche DNA aus uralten Sedimenten isolieren lässt. Diese Erkenntnis verlieh dem Feld vor zehn Jahren einen regelrechten Schub. DNA-Labore, die mit kostbaren Fossilien hantierten, interessierten sich plötzlich für Erdhäufchen. Und Archäologinnen und Archäologen betrachteten mit neugefundener Wertschätzung ihre alten, vor Jahrzehnten gesammelten Bodenproben. Natürlich in der Hoffnung, mit dem neuen Verfahren mehr über die Vergangenheit herauszufinden.

Denn immer deutlicher zeigt sich: In den Sedimenten schlummert ein gewaltiges Archiv der menschlichen Urgeschichte. Und jetzt sei die Technik reif, um es zu erkunden, findet Willerslev. 2022 gelang es seinem Team, DNA-Fragmente zu gewinnen, die zwei Millionen Jahre lang in nordgrönländischen Permafrost-Sedimenten überdauert hatten. Es ist das älteste genetische Material, das je auf diese Weise gefunden wurde. Von einem »Ozean« an Möglichkeiten spricht der Forscher: »Man findet Menschen, man findet Tiere, man findet Pflanzen – einfach das ganze Ökosystem.«

»Es ist wirklich unglaublich, wie viele molekulare Informationen in Sedimenten stecken«, sagt auch Matthias Meyer, Molekularbiologe am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig. »Ich bin überzeugt, wir sehen da gerade mal die Spitze des Eisbergs.«

Sediment-DNA macht das Unmögliche möglich

Ob an einem Fundort Fossilien vorhanden sind oder nicht, könnte Willerslev zufolge künftig an Bedeutung verlieren: »Meine Einschätzung ist, dass wir künftig die Knochen fast schon außer Acht lassen können und uns direkt den Boden anschauen.«

Vor allem bei der Erforschung von Frühmenschen – von Homo sapiens über Neandertaler bis hin zu den rätselhaften Denisovanern, von denen bisher nur sehr wenige Knochen gefunden wurden – hat die Sediment-DNA ihren Wert unter Beweis gestellt.

»Ohne Sediment-DNA«, sagt Pere Gelabert, Populationsgenetiker an der Universität Wien, wären alle dabei gewonnenen Erkenntnisse »unmöglich« gewesen.

Doch es gibt auch kritische Stimmen in der Fachcommunity. Angesichts der vielen Erfolgsgeschichten fragt sich durchaus der eine oder die andere, ob auch genügend Sorgfalt darauf verwendet wurde, die Zuverlässigkeit der Methode zu überprüfen.

Die ersten vierzehn Jahre lang war die Beprobung alter Sediment-DNA – auch sedaDNA genannt – vor allem Sache von Paläoökologinnen und Paläoökologen. Mithilfe von Seebohrkernen und Permafrost-Proben rekonstruierten sie die Ökosysteme von einst. Die Wende kam, als Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Jahr 2017 erfolgreich Erbgut von Frühmenschen nachwiesen.

»Sobald es um Menschen geht, steigt das Interesse«, sagt Diyendo Massilani, Paläogenetiker an der Yale School of Medicine in New Haven, Connecticut, der an der Studie von 2017 nicht beteiligt war. Kaum war die menschliche DNA entdeckt, »hieß es plötzlich: ›Jetzt machen wir alles mit Sedimenten.‹«

Fischen mit DNA-Angelhaken

Die Herausforderung besteht darin, dass alte menschliche DNA im Boden extrem selten vorkommt, vor allem im Vergleich zur DNA von Bodenmikroorganismen und anderen Lebewesen. Um ihre Chancen zu erhöhen, entwickelten Forschende am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie – darunter Svante Pääbo, Nobelpreisträger und Begründer der Paläogenomik – molekulare Sonden aus kurzen DNA-Schnipseln, die gezielt die Sequenzen menschlichen Erbguts herausfischen.

Dabei fanden sie menschliche DNA auch an Fundstellen, an denen zuvor keine menschlichen Fossilien entdeckt worden waren. Beispielsweise hatten Fachleute schon länger vermutet, dass in der belgischen Höhle Trou Al’Wesse Neandertaler gelebt haben. Das legten charakteristische Steinwerkzeuge nahe. Nun lieferte sedaDNA den Beweis dafür und gab zugleich eine Kostprobe ihres Potenzials.

Auch bei der Klärung, wer wann in der sibirischen Denisova-Höhle lebte, half sedaDNA. Dort waren längst Knochen beiderlei Menschengruppen aufgetaucht, nicht zuletzt sind die Denisovaner nach genau dieser Höhle benannt. In einer umfangreichen Untersuchung von rund 700 Permafrost-Sedimentproben aus der Denisova-Höhle ergab eine Probe aus einer tiefen, fossilfreien Schicht, dass Neandertaler den Ort bereits vor 170 000 Jahren erreicht hatten – und damit 30 000 Jahre früher, als es die Fossilfunde nahelegten.

Knochen moderner Menschen wurden in der Denisova-Höhle bislang nicht gefunden. Doch auch hier lieferte sedaDNA neue Einblicke: Demnach kamen Angehörige unserer eigenen Art vor etwa 45 000 Jahren in die Höhle.

Das Erbgut im Boden wies außerdem Neandertaler in einer Schicht nach, die einen bestimmten Typ von Steinwerkzeugen enthält, und Denisovaner in einer anderen Schicht mit einem anderen Werkzeugtyp – und bringt so die jeweiligen Werkzeuge mit ihren möglichen Herstellern in Verbindung. Eine solche Zuordnung ist sonst schwer zu belegen. Nun aber sind Meyer und andere optimistisch, mittels alter DNA eines Tages auch an weiteren Fundorten die Hersteller von Werkzeugen identifizieren zu können. Und sogar die Urheber von Höhlenmalereien, wie Max-Planck-Forscher im Juni 2026 mitteilten: Ihnen war es gelungen, in den Farbflächen an den Wänden der spanischen Altamira-Höhle menschliches Erbgut dingfest zu machen.

Auf den Spuren der Denisovaner

Sediment-DNA half auch dabei, ein Rätsel um eine Höhle auf dem Tibetischen Plateau zu lösen, die fast 3000 Kilometer südöstlich der Denisova-Höhle liegt. 1980 hatte ein Mönch an diesem Ort – der Baishiya-Karsthöhle – einen uralten Unterkiefer entdeckt. 2019 zeigten Qiaomei Fu, Paläogenetikerin am Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie in Peking, und Kollegen, dass der Kiefer einem Denisovaner gehörte. Dazu hatten sie Proteine analysiert, die in dem 160 000 Jahre alten Kieferknochen überdauert hatten.

Das war ein innovativer neuer Ansatz. Aber stammte der Kiefer wirklich aus dieser Höhle? Zwischen Fund und Untersuchung lagen fast vier Jahrzehnte. Und nur über Umwege war der Knochen in die Hände der Forscher gelangt. Bei einer Nachuntersuchung im Jahr 2020 lieferte das Team um Fu den Beleg: Denisovaner hatten tatsächlich in der Baishiya-Höhle gelebt, das verriet ihr Erbgut im Sediment. Es war zugleich der erste eindeutige Nachweis dafür, dass diese archaischen Menschen außerhalb Sibiriens gelebt hatten.

Sowohl Meyer als auch Fu hatten »molekulare Angelhaken« genutzt, die ausschließlich an der DNA aus Mitochondrien (sogenannte mtDNA) haften bleiben. Diese Variante des Erbguts ist deutlich leichter zu finden, da sie in jeder Zelle in tausendfacher Kopie vorliegt. Doch das Genom aus den Zellkernen, das eigentliche Erbgut, ist wesentlich größer – es besteht aus drei Milliarden Buchstaben statt nur 16 000 wie die mtDNA – und wird von beiden Eltern vererbt. Daher eignet es sich besser, um nachzuvollziehen, wie sich frühere menschliche Populationen im Lauf der Geschichte aufspalteten und miteinander vermischten.

Kern-DNA könnte noch mehr verraten

Die Fülle an Informationen, die in der Kern-DNA steckt, fasziniert Forscher wie Benjamin Vernot. Der Populationsgenetiker vom Max-Planck-Institut in Leipzig fragte sich, ob er aus Proben, die bereits mtDNA geliefert hatten, auch Kern-DNA herausfischen könnte.

Dazu entwarf Vernot einen Satz von 1,6 Millionen Sonden, die an DNA-Sequenzen von Neandertalern, Denisovanern und frühen modernen Menschen binden sollten. Auch die DNA von Frühmenschen, deren genetische Ausstattung noch unbekannt ist, sollten diese Sonden erfassen. »Man kann ja nie wissen, ob in einer Probe nicht auch Homo-erectus-DNA steckt«, sagt er. »Wir wollten für alle Fälle vorbereitet sein.«

Tatsächlich holten die Sonden, wie erhofft, Kern-DNA aus dem Boden. Nun bestand die fast noch größere Herausforderung darin, aus den spärlichen Daten etwas Sinnvolles herauszulesen. »Unsere besten Sedimentproben waren immer noch richtig, richtig mies«, sagt Vernot. In guten Proben hatten gerade einmal 10 000 der 1,6 Millionen »Angelhaken« an Sequenzen gebunden. Ganze acht Monate brauchte Vernot, um Software zu schreiben, die mit derart dünnen Daten umgehen konnte.

Mit diesen neuen Methoden im Gepäck wandte er sich Sedimenten aus der Galería de las Estatuas zu. In dieser nordspanischen Höhle hatten Ausgrabungen einen einzelnen Neandertaler-Fußknochen ans Tageslicht befördert sowie charakteristische Steinwerkzeuge. Genetische Informationen aus dem Knochen fehlten aber.

Die mtDNA, die Vernot isolierte, verriet ihm lediglich, dass sich zwei unterschiedliche Neandertalerpopulationen in der Höhle aufgehalten hatten, von denen die eine die andere vor rund 100 000 Jahren vollständig ersetzte. Mithilfe der Kern-DNA konnte er hingegen erkennen, ob eine Probe das Erbgut eines einzelnen Mannes enthielt oder das einer Frau – oder ob sie aus einer Mischung des Erbguts mehrerer Individuen bestand.

Auch Gelabert hat es auf die Kern-DNA in Höhlensedimenten abgesehen. Statt auf Sonden, die gezielt nach menschlicher DNA angeln, setzte er auf das Prinzip Schrotschuss: Beim sogenannten Shotgun-Sequencing werden sämtliche DNA-Stücke ausgelesen, die sich aus dem Boden extrahieren lassen. Und erst dann wird sortiert.

Schrotflinte versus Angel

Sein jüngster Vergleich beider Methoden, der als Preprint vorliegt, deutet allerdings darauf hin, dass der Shotgun-Ansatz für die Populationsgenetik weniger nützlich ist. In einem direkten Vergleich lieferte die DNA-Anreicherung mithilfe molekularer Sonden 32-mal mehr Sequenzen an informativen Stellen des Genoms als die Shotgun-Methode. Für letztere sei der Aufwand »absurd hoch«, sagt er.

Aber auch die »Angelhaken-Methode« bedeutet Zusatzaufwand. Und um den komme man bei der Suche nach Kern-DNA wohl absehbar nicht herum, glaubt Gelabert. Die Mühe lohne sich in einigen Spezialfällen – etwa, wenn die Sedimente besonders reich an genetischem Material sind. In den meisten anderen Fällen genüge mtDNA. Sie gebe bereits eine Vorstellung davon, wie viele verschiedene Linien in einer Probe seien, und »wir können sogar Unterschiede zwischen Populationen zurückverfolgen«.

Trotz dieser Erfolge wissen Forschende noch immer erstaunlich wenig darüber, welche Sedimente sich besonders gut für sedaDNA eignen. Viele Versuche laufen noch immer ins Leere. Gerade deshalb setzt Yale-Forscher Massilani gewisse Hoffnungen auf Fundstellen in seinem Heimatland Gabun: Auch wenn das heiße, feuchte Klima eigentlich eher ungeeignet ist für DNA-Erhaltung, lässt sich nicht ausschließen, dass dort doch eines Tages alte DNA gefunden wird. »Manchmal funktioniert es selbst unter solchen Bedingungen«, sagt er, »deshalb versuchen wir es immer weiter.«

Grund zur Hoffnung hat er: Alte DNA hat schon mehrfach für Überraschungen gesorgt. 2022 etwa fanden Forschende Hirsch- und Hyänen-DNA, die ganze 70 000 Jahre der Wärme einer israelischen Höhle getrotzt hatte.

Bis die idealen Bodenbedingungen identifiziert sind, plädiert Vera Aldeias, Geoarchäologin an der Universität Algarve in Faro, Portugal, für einen pragmatischen Ansatz: Forschende sollten nach Möglichkeit Bodeneigenschaften – pH-Wert, mineralische Zusammensetzung, Störungsgeschichte und so weiter – systematisch erfassen und mit der Fachwelt teilen. Dann könnten diese Daten nach Mustern durchsucht werden. »Schwierig wird es aber, wenn diese Daten nicht allen vorliegen«, sagt Aldeias.

Ist die DNA aus einer Sedimentschicht immer genauso alt wie das Sediment selbst?

Widersprüchliche Ergebnisse

Doch auch wenn die DNA-Suche erfolgreich verläuft, kann sie noch Anlass zur Debatte geben. Was sedaDNA aussagen kann und was nicht, diskutieren Forschende vor allem dann, wenn die Boden-DNA einen Widerspruch zum archäologischen Befund aufwirft.

Ein Beispiel: 2021 kam Willerslevs Team auf Grundlage von sedaDNA-Daten zu dem Schluss, dass in Nordsibirien noch bis vor etwa 4000 Jahren Wollhaarmammuts (Mammuthus primigenius) lebten – und vermutlich infolge eines wärmeren Klimas ausstarben, nicht durch menschliche Jagd. Das Problem dabei: Zu diesem Zeitpunkt waren Mammuts laut vorherrschender Meinung eigentlich längst ausgestorben.

Das Ergebnis warf die Frage auf, ob Wissenschaftler wirklich sicher sein können, dass die DNA, die sie aus einer Sedimentschicht fischen, genauso so alt ist wie das Sediment selbst. Stammte sie vielleicht ursprünglich aus älteren (oder jüngeren) Schichten und war im Lauf der Zeit durch den Boden gewandert? Denkbar wäre das.

Untersuchungen, die Massilani durchführte, deuten allerdings darauf hin, dass sich DNA-Moleküle, sobald sie an ein Substrat gebunden sind, nicht frei durch den Boden bewegen. Denn Substrate, seien es Knochenfragmente, versteinerter Kot oder Mineralkörner, hatten bei seinen Tests jeweils ganz eigene DNA-Signaturen, auch wenn sie aus ein und derselben Probe stammten – ein Hinweis darauf, dass sich die im Sediment enthaltene DNA eben nicht vermischt, denn dann wären die DNA-Signaturen an allen Stellen einer Probe annähernd gleich gewesen.

Aber, so wendet Aldeias ein: Die Substrate selbst könnten wandern – und mit ihnen die DNA im Schlepptau. Die Wissenschaftlerin führt deshalb Laborexperimente durch, bei denen sie Frost-Tau-Zyklen nachbildet, wie sie im Wechsel der Jahreszeiten oder auch auf geologischen Zeitskalen auftreten. Solche Belastungen im Bodengefüge könnten die Sedimente theoretisch vermengen.

Laut Aldeias ist es entscheidend, ein solides Grundverständnis über die Veränderung der Böden im Lauf der Zeit zu entwickeln. Nur so könne man genetische Daten aus dem Untergrund korrekt einordnen. Auch die Analyse der Mikrostruktur eines Fundorts könne Forschenden helfen, um »kontextuelle Kontamination« zu reduzieren – also Fälle, in denen Sedimente zwischen Schichten gewandert sind.

Was die Mammuts betrifft, sagt Willerslev, hätten inzwischen Modellierungsstudien anderer Gruppen gezeigt, dass geeignete Rückzugsräume länger existierten als erwartet – und genau dort habe sein Team die jüngste sedaDNA gefunden.

Aus einer simplen Bodenprobe wird ein heikler Eingriff

»Ich weiß, dass die Leute skeptisch sind, und das ist völlig in Ordnung«, sagt Willerslev. Aber es sei auch nichts Seltsames dabei, dass sie so spät noch Mammuts gefunden hätten. Die Kombination von sedaDNA und herkömmlichen Ansätzen mache solche Schlussfolgerungen deutlich belastbarer als Untersuchungen mit nur einer einzelnen Methode allein.

Die Erkenntnis, dass sich DNA im Boden auslesen lässt, hat der Forschung ein ganz neues Feld eröffnet, mit ganz neuen Möglichkeiten. Aber auch mit neuen Unwägbarkeiten, nicht zuletzt, was damit verbundene ethische Fragen anbelangt. In Australien sind Wissenschaftler beispielsweise auf Skepsis gestoßen, als sie bei indigenen Gruppen um die Erlaubnis baten, in bestimmten Sedimenten gezielt nach DNA zu fahnden. Laut Dawn Lewis, die als Archäologin an der University of Adelaide auf die Erforschung der indigenen Woolwonga spezialisiert ist, empfinden manche australische Ureinwohner auch die Entnahme von Bodenproben als potenzielle Störung der Totenruhe ihrer Ahnen oder von Tierarten mit kultureller Bedeutung. Forschende sollten frühzeitig mit indigenen Gemeinschaften zusammenarbeiten, damit klar ist, wer welche Absichten hat und wo Bedenken bestehen.

Manche Gemeinschaften würden die Entnahme von Bodenproben als nicht invasiv empfinden und hätten kein Problem damit, sagt Lewis. »Und dann gibt es die, die sagen: ›Nein, auch das ist ein Eingriff.‹«