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Mammut-Fossil liefert älteste DNA

Gut eine Million Jahre altes Erbgut wirft neues Licht auf den Mammut-Stammbaum

Steppenmammuts
Forscher haben mehr als eine Million Jahre alte DNA aus Mammutfossilien im Permafrost gewonnen – es ist das bislang älteste sequenzierte Erbgut. © Beth Zaiken/ Centre for Palaeogenetics

Zeitkapsel Permafrost: Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, mehr als eine Million Jahre alte DNA zu gewinnen und zu sequenzieren. Das Erbgut stammt aus den Zähnen von drei Mammuts, die im sibirischen Permafrost konserviert worden waren. Wie die DNA-Analysen enthüllen, gehörte das älteste dieser Mammuts zu einer zuvor unbekannten Art. Die Präriemammuts Nordamerikas könnten aus einer Kreuzung dieser Art mit Wollhaarmammuts entstanden sein, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Im dauerhaft gefrorenen Boden des Permafrosts bleiben Gewebe, Knochen und auch Erbgut über lange Zeiträume hinweg konserviert. Die DNA aus solchen Funden gibt Wissenschaftlern daher einzigartige Chancen, die Entwicklung von Lebewesen zu rekonstruieren – von Wölfen, Vögeln und Mammuts bis hin zu Viren oder Menschen. Doch wie lange Erbgut im Permafrost erhalten bleiben kann, ist unklar. Die bisher älteste erfolgreich aus einem gefrorenen Fossil isolierte DNA stammt von einem 700.000 Jahre alten Urpferd.

Mammutstoßzahn
Stoßzahn eines Wollhaarmammuts aus dem Permafrost der sibirischen Wrangelinsel. © Love Dalén

Die älteste je sequenzierte DNA

Doch es geht noch älter, wie nun Tom van der Valk vom Zentrum für Paläogenetik in Stockholm und seine Kollegen belegen. Sie haben mehr als eine Million Jahre altes Erbgut aus den fossilen Zähnen dreier Mammuts isoliert und ausgelesen. Diese waren im Nordosten Sibiriens im Permafrost gefunden worden. Tatsächlich gelang es den Forschern, aus allen drei Relikten genügend Erbgut-Fragmente zu isolieren, um die fast vollständige mitochondriale DNA dieser drei Mammuts zu sequenzieren.

Dieses Erbgut ist damit die älteste je sequenzierte DNA. „Eine der großen Fragen ist nun, wie weit wir zurückgehen können“, sagt van der Walks Kollege Anders Götherström. „Ich vermute, dass wir selbst zwei Millionen Jahre alte DNA wiederherstellen können, wahrscheinlich sogar 2,6 Millionen Jahre zurück.“ Aus der Zeit davor gibt es keinen Permafrost, daher könnte dies zumindest für tiefgefroren konservierte DNA die Grenze sein.

Unbekannte Mammut-Art entdeckt

Die Genome der drei Mammuts liefern nun neue Einblicke in die Stammesgeschichte der eiszeitlichen Rüsseltiere – und einige Überraschungen. Denn das mit bis zu 1,6 Millionen Jahren älteste Mammut, Krestovska, gehört zu einer zuvor unbekannten Stammeslinie der Mammuts. Diese ging aus dem einst in Afrika entstandenen Südmammut (Mammuthus meridionalis) hervor und muss sich schon vor mindestens zwei Millionen Jahren von der Linie aller anderen Mammuts abgetrennt haben.

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„Das war eine komplette Überraschung für uns“, sagt van der Walk. „Alle früheren Studien sprachen dafür, dass es zu dieser Zeit nur das Steppenmammut in Sibirien gab. Aber unsere DNA-Analysen belegen, dass es zwei verschiedene genetische Stammeslinien gab – möglicherweise waren es sogar zwei verschiedene Mammutarten.“ Das Krestovska-Mammut besitzt zwar äußerliche Merkmale des Steppenmammuts (Mammuthus trogontherii), weicht aber genetisch deutlich von diesem ab.

Mammut-Stammbaum
Rekonstruktion des Mammut-Stammbaums auf Basis der neuen DNA-Daten. © van der Walk et al./ Stockholm University

Wie entstand das Präriemammut?

Und noch eine Überraschung gab es: Den Erbgutvergleichen zufolge war es das Krestovka-Mammut und nicht das Steppenmammut, das vor rund 1,5 Millionen Jahren von Sibirien nach Nordamerika einwanderte. Aus diesem Vorgänger ging dann später das Präriemammut (Mammuthus columbi) hervor – das Mammut, das bis zum Ende der Eiszeit die Landschaft Nordamerikas durchstreifte.

Doch es war noch ein weiterer Akteur im Spiel, wie die Genvergleiche enthüllen. Denn rund 40 Prozent des Präriemammut-Erbguts stammen zwar vom Krestovka-Mammut, rund 60 Prozent aber von einem Wollhaarmammut. „Das ist eine wichtige Entdeckung“, sagt Koautorin Patricia Pecnerova vom schwedischen Naturkundemuseum in Stockholm. „Es scheint, dass sich das Präriemammut, eine der Ikonen der nordamerikanischen Eiszeitfauna, durch eine Hybridisierung entwickelte, die vor rund 420.000 Jahren stattfand.“

Offenbar waren damals Wollhaarmammuts aus Sibirien über die Beringstraße neu nach Nordamerika eingewandert, wo sie sich dann mit den dort schon lebenden Krestovka-Mammuts paarten.

Mammuts entwickelten ihre Kälteanpassungen früher als gedacht

Und noch eine Erkenntnis lieferte die Permafrost-DNA: Entgegen gängiger Annahme entwickelten nicht erst die beiden jüngsten Mammutarten, das Wollhaarmammut und das Präriemammut, spezielle Anpassungen an die Kälte. Stattdessen besaßen schon ihre Vorläufer entsprechende Gene, wie das Genom des zweitältesten Mammuts belegte. Dieses „Adycha“ getaufte Tier lebte vor rund 1,3 Millionen Jahren und ähnelte äußerlich noch einem Steppenmammut.

Trotzdem besaß Adycha schon die Genvarianten, die den Mammuts ihr dichtes Haarkleid, ihre isolierenden Fettschichten, die Kältetoleranz und weitere Anpassungen an die arktische Umgebung verliehen. „Unsere Analysen zeigen, dass die meisten Kälteadaptationen schon bei den Vorfahren des Wollhaarmammuts präsent waren“, sagt van der Walks Kollege David Diez-del-Molino. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03224-9)

Quelle: Stockholm University

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