Det är nu allmänt accepterat att arten Homo sapiens har sitt ursprung i Afrika och så småningom spred sig över hela världen. Men korsade de tidiga människorna med mer förfäders former av släktet Homo, till exempel Homo erectus, den "upprättgående mannen", Homo habilis, - den "redskapsanvändande mannen" eller Homo neanderthalensis, de första konstnärerna av grottmålarberömmelse ?
Direkta studier av forntida DNA från neandertalben tyder på att korsavel inträffade efter att anatomiskt moderna människor hade migrerat från sin evolutionära vagga i Afrika till det kallare klimatet i Eurasien, men vad som hade hänt i Afrika förblev ett mysterium - fram till nu.
I en artikel publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ger ett team under ledning av Michael Hammer, en docent och forskare vid University of Arizonas Arizona Research Labs, bevis för att anatomiskt moderna människor var inte så unika att de förblev separata.
"Vi hittade bevis för hybridisering mellan moderna människor och arkaiska former i Afrika. Det ser ut som att vår härstamning alltid har utbytt gener med sina mer morfologiskt divergerade grannar", säger Hammer, som också har utnämningar på UA:s avdelning för ekologi och evolutionsbiologi, skolan för antropologi, BIO5 Institute och Arizona Cancer Center.
Hammer tillade att de senaste framstegen inom molekylärbiologin har gjort det möjligt att extrahera DNA från tiotusentals år gamla fossiler och jämföra det med moderna motsvarigheter.
Men, "Vi har inte fossilt DNA från Afrika att jämföra med vårt", sa han."Neandertalare levde i kallare klimat, men klimatet i mer tropiska områden gör det väldigt svårt för DNA att överleva så länge, så att återvinna användbara prover från fossila exemplar är extremt svårt för att inte säga omöjligt."
"Vårt arbete skiljer sig från forskningen som ledde till genombrotten inom neandertalgenetik", förklarade han. "Vi kunde inte leta direkt efter gamm alt DNA som är 40 000 år gamm alt och göra en direkt jämförelse."
För att komma förbi detta hinder följde Hammers team en beräknings- och statistisk metod.
"Istället tittade vi på DNA från moderna människor som tillhör afrikanska populationer och sökte efter ovanliga regioner i genomet."
Eftersom ingen känner till DNA-sekvenserna för dessa nu utdöda arkaiska former, var Hammers team först tvunget att ta reda på vilka egenskaper hos modernt DNA som kan representera fragment som hämtats från arkaiska former.
"Vad vi vet är att sekvenserna av dessa former, till och med neandertalarna, inte skiljer sig så mycket från moderna människor", sa han. "De har vissa egenskaper som gör dem annorlunda än modernt DNA."
Forskarna använde simuleringar för att förutsäga hur forntida DNA-sekvenser skulle se ut om de hade överlevt i våra egna cellers DNA.
"Man kan säga att vi simulerade korsning och utbyte av genetiskt material i silico," sa Hammer. "Vi kan simulera en modell av hybridisering mellan anatomiskt moderna människor och någon arkaisk form. I den meningen simulerar vi historien så att vi kan se hur vi skulle förvänta oss att mönstret skulle se ut om det inträffade."
Enligt Hammer dök de första tecknen på anatomiskt moderna drag upp för cirka 200 000 år sedan.
Först sekvenserade teamet stora regioner av mänskliga genom från prover tagna från sex olika populationer som lever i Afrika idag och försökte matcha deras sekvenser med hur de förväntade sig att dessa sekvenser skulle se ut i arkaiska former. Forskarna fokuserade på icke-kodande regioner av genomet, DNA-sträckor som inte innehåller gener, som fungerar som ritningar för proteiner.
"Sedan frågade vi oss själva hur det allmänna variationsmönstret ser ut i DNA som vi sekvenserade i de afrikanska populationerna, och vi började titta på regioner som såg ovanliga ut", sa Hammer. "Vi upptäckte att tre olika genetiska regioner passar kriterierna för att vara ålderdomligt DNA som fortfarande finns i arvsmassan hos afrikaner söder om Sahara. Intressant nog var denna signatur starkast i populationer från centrala Afrika."
Forskarna tillämpade flera kriterier för att märka en DNA-sekvens som arkaisk. Till exempel, om en DNA-sekvens skiljde sig radik alt från de som finns i en modern befolkning, var den sannolikt uråldrig. Ett annat tecken är hur långt den sträcker sig längs en kromosom. Om en ovanlig bit visar sig sträcka ut en lång del av en kromosom, är det en indikation på att ha förts in i befolkningen relativt nyligen.
"Vi pratar om något som hände för mellan 20 000 och 60 000 år sedan - för inte så länge sedan i ordningen", sa Hammer."Om korsning sker, kommer det att ta in en hel kromosom, och med tiden kommer rekombinationshändelser att skära ner kromosomen till mindre bitar. Och de bitarna kommer nu att hittas som korta, ovanliga fragment. Genom att titta på hur långa de är vi kan få en uppskattning av hur långt tillbaka korsningshändelsen inträffade."
Hammer sa att även om de arkaiska DNA-sekvenserna bara står för två eller tre procent av vad som finns hos moderna människor, betyder det inte att korsningen inte var mer omfattande.
"Det kan vara så att detta representerar det som finns kvar av ett mer omfattande arkaiskt genetiskt innehåll idag. Många av de sekvenser vi letade efter skulle förväntas gå förlorade med tiden. Om de inte ger en distinkt evolutionär fördel finns det ingenting håller dem i befolkningen och de driver ut."
I ett nästa steg vill Hammers team leta efter uråldriga DNA-regioner som gav vissa selektiva fördelar till de anatomiskt moderna människorna när de väl förvärvat dem.
"Vi tror att det förmodligen var tusentals korsningshändelser", sa Hammer. "Det hände relativt ofta och regelbundet."
"Anatomiskt moderna människor var inte så unika att de förblev separata", tillade han. "De har alltid bytt gener med sina mer morfologiskt divergerade grannar. Detta är ganska vanligt i naturen, och det visar sig att vi inte är så ovanliga trots allt."
Paket, "Genetic Evidence for Archaic Admixture in Africa", var medförfattare av August Woerner från UA:s ARL Division of Biotechnology, Fernando Mendez från UA:s avdelning för ekologi och evolutionär biologi, Joseph Watkins från UA:s Mathematics Department och Jeffrey Wall från Institute for Human Genetics vid University of California San Francisco.
