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Alte Andengene offenbaren DNA-Kontinuität inmitten kultureller Konflikte

Alte Andengene offenbaren DNA-Kontinuität inmitten kultureller Konflikte

Ein internationales Forschungsteam hat die erste eingehende und breit angelegte Studie zu alten Anden-Genen vor dem europäischen Kontakt durchgeführt.

Die Ergebnisse, online veröffentlicht am 7. Mai in Zelle, zeigen frühe genetische Unterschiede zwischen Gruppen in nahe gelegenen Regionen, Bevölkerungsvermischung innerhalb und außerhalb der Anden, überraschende genetische Kontinuität inmitten kultureller Umwälzungen und den Kosmopolitismus der Vorfahren einiger der bekanntesten antiken Zivilisationen der Region.

Die erste Studie dieser Art über die Gene der alten Anden

Unter der Leitung von Forschern der Harvard Medical School und der University of California, Santa Cruz, analysierte das Team genomweite Daten von 89 Personen, die vor 500 bis 9.000 Jahren lebten. Von diesen wurden 64 Genome, die zwischen 500 und 4.500 Jahre alt waren, neu sequenziert – mehr als verdoppelt die Zahl der alten Individuen mit genomweiten Daten aus Südamerika.

Die Analyse umfasste Vertreter ikonischer Andenzivilisationen, von denen zuvor keine genomweiten Daten gemeldet wurden, darunter Moche, Nasca, Wari, Tiwanaku und Inca.

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Alter Andenfischer auf einem Totora-Pferd. ( Christian Vinces /Adobe-Aktie)

"Dies war ein faszinierendes und einzigartiges Projekt", sagte Nathan Nakatsuka, Erstautor des Papiers und MD/PhD-Student im Labor von David Reich am Blavatnik-Institut der HMS.

„Es ist die erste detaillierte Studie der Bevölkerungsgeschichte der Anden, die von präkolonialen Genomen mit weitreichender zeitlicher und geografischer Abdeckung geprägt ist“, sagte Lars Fehren-Schmitz, außerordentlicher Professor an der UC Santa Cruz und Co-Senior-Autor der Studie mit Reich.

"Diese Studie ist auch ein wichtiger Schritt zur Behebung des globalen Ungleichgewichts in alten DNA-Daten", sagte Reich, Professor für Genetik an der HMS und assoziiertes Mitglied des Broad Institute of MIT und Harvard.

"Die große Mehrheit der bisher veröffentlichten alten DNA-Studien konzentrierte sich auf West-Eurasien", sagte er. "Diese Studie in Südamerika ermöglicht es uns, mit hoher Auflösung die detaillierte Geschichte der menschlichen Bewegungen in diesem außerordentlich wichtigen Teil der Welt zu erkennen."

Aufmerksamkeit auf die alten Anden

Die zentralen Anden, die das heutige Peru umgeben, sind einer der wenigen Orte auf der Welt, an denen die Landwirtschaft erfunden und nicht von anderswo übernommen wurde und wo die früheste Präsenz komplexer Zivilisationen in Südamerika dokumentiert wurde. Obwohl die Region ein wichtiger Schwerpunkt der archäologischen Forschung war, gab es bisher keine systematische Charakterisierung mit genomweiter alter DNA, so die Autoren.

Die zentralen Anden sind einer der wenigen Orte auf der Welt, an denen die Landwirtschaft erfunden und nicht übernommen wurde. ( PixieMe /Adobe-Aktie)

Genetiker, darunter mehrere der aktuellen Teammitglieder, haben zuvor die tiefe genetische Geschichte Südamerikas als Ganzes untersucht, einschließlich der Analyse mehrerer Individuen aus dem Andenhochland vor vielen tausend Jahren. Es gab auch Analysen von heutigen Andenbewohnern und eine begrenzte Anzahl von mitochondrialen oder Y-Chromosom-DNA-Analysen einzelner alter Andenstandorte.

Die neue Studie erweitert diese Erkenntnisse jedoch zu einem weitaus umfassenderen Porträt. Nun, so Nakatsuka, seien die Forscher "endlich in der Lage, zu sehen, wie sich die genetische Struktur der Anden im Laufe der Zeit entwickelt hat".

Durch die Fokussierung auf das, was oft als präkolumbische Geschichte bezeichnet wird, demonstriere die Studie, wie große antike DNA-Studien mehr über antike Kulturen aufdecken können als das Studium heutiger Gruppen allein, sagte Reich.

"In den Anden ist die Rekonstruktion der Bevölkerungsgeschichte auf der Grundlage von DNA-Analysen heutiger Menschen eine Herausforderung, weil es seit dem Kontakt mit den Europäern so viel demografischer Wandel gegeben hat", erklärte Reich. "Mit alten DNA-Daten können wir eine detaillierte Rekonstruktion der Bewegungen von Menschen und deren Beziehung zu den aus archäologischen Aufzeichnungen bekannten Veränderungen durchführen."

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„Außergewöhnliche“ antike Bevölkerungsstruktur

Die Analysen ergaben, dass sich vor 9.000 Jahren Gruppen, die im Andenhochland lebten, genetisch von denen unterschieden hatten, die schließlich an der Pazifikküste lebten. Die Auswirkungen dieser frühen Differenzierung sind noch heute sichtbar.

Die genetischen Fingerabdrücke, die Menschen im Hochland von denen in nahegelegenen Regionen unterscheiden, seien "bemerkenswert alt", sagte Nakatsuka, der im Mai in System-, synthetischer und quantitativer Biologie promovieren wird.

"Das ist angesichts der geringen geografischen Entfernung außergewöhnlich", fügte Reich hinzu.

Vor 5.800 Jahren entwickelte die Bevölkerung des Nordens auch unterschiedliche genetische Signaturen von Populationen, die im Süden vorherrschten, fand das Team. Auch heute sind diese Unterschiede zu beobachten.

Nach dieser Zeit trat der Genfluss in allen Regionen der Anden auf, obwohl er sich vor 2.000 Jahren dramatisch verlangsamte, fand das Team.

„Es ist spannend, dass wir in den Anden tatsächlich eine relativ feinkörnige Populationsstruktur bestimmen konnten, die es uns ermöglicht, zwischen Küsten-, Nord-, Süd- und Hochlandgruppen sowie im Titicacaseen lebenden Individuen zu unterscheiden“, sagte Fehren-Schmitz.

Schwimmende Inseln der Uros des Titicacasees, Südamerika. ( javarman /Adobe-Aktie)

„Dies ist für die Archäologie der Anden von Bedeutung und ermöglicht es uns nun, spezifischere Fragen in Bezug auf lokale Demografien und kulturelle Netzwerke zu stellen“, sagte der Co-Autor der Studie, Jose Capriles von der Pennsylvania State University.

Genetische Vermischung

Das Team entdeckte genetischen Austausch sowohl innerhalb der Anden als auch zwischen Anden- und Nicht-Anden-Populationen.

Uralte Menschen zogen zwischen Südperu und den argentinischen Ebenen sowie zwischen der Nordküste Perus und dem Amazonas, wobei sie das Hochland weitgehend umgingen, fanden die Forscher heraus.

Fehren-Schmitz war besonders daran interessiert, in der Inkazeit Anzeichen für eine weiträumige Mobilität aufzudecken. Insbesondere war er überrascht, nicht nur in Cusco, Peru, alte Vorfahren der Nordküste zu entdecken, sondern auch in einem Kinderopfer aus den argentinischen Südanden.

"Dies könnte als genetischer Beweis für die Umsiedlung von Personen unter Inkaherrschaft angesehen werden, eine Praxis, die wir aus ethnohistorischen, historischen und archäologischen Quellen kennen", sagte er.

Obwohl die Ergebnisse der genetischen Vermischung in den Anden mit bekannten archäologischen Verbindungen korrelieren, werden sie wahrscheinlich zusätzliche archäologische Forschungen veranlassen, um die kulturellen Kontexte zu verstehen, die den Wanderungen zugrunde liegen, sagte Nakatsuka.

„Jetzt haben wir mehr Beweise, die wichtige Migrationen und einige Einschränkungen belegen, wann sie stattgefunden haben, aber es müssen weitere Arbeiten durchgeführt werden, um herauszufinden, warum genau diese Migrationen stattgefunden haben“, sagte er.

Langfristige Kontinuität

Die Analysen ergaben, dass mehrere Regionen trotz deutlicher kultureller Veränderungen in den letzten 2.000 Jahren die genetische Kontinuität bewahrt haben.

Der Befund steht im Gegensatz zu vielen anderen Weltregionen, in denen alte DNA-Studien oft einen erheblichen genetischen Umsatz während dieser Zeit dokumentieren, sagte Reich.

Die früh entstandenen Bevölkerungsstrukturen haben sich durch große gesellschaftliche Veränderungen bis in moderne Gesellschaften fortbewegt, so die Autoren. Die Entdeckungen bieten neue Beweise, die neben archäologischen und anderen Aufzeichnungen integriert werden können, um Theorien über die antike Geschichte verschiedener Gruppen in der Region zu untermauern.

"Zu unserer Überraschung beobachteten wir während des Aufstiegs und Niedergangs vieler großer Andenkulturen wie der Moche, Wari und Nasca eine starke genetische Kontinuität", sagte Nakatsuka. "Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Untergang dieser Kulturen nicht auf massive Migration in die Region zurückzuführen war, z. B. von einer einfallenden Militärmacht, ein Szenario, das in einigen anderen Regionen der Welt dokumentiert wurde."

Nach 2000 BP genetische Kontinuität durch Aufstieg und Fall von Kulturen, aber Kosmopolitismus und Fernwanderung im Inka-Staat. ( Nakatsukaet al. 2020 )

Zwei Ausnahmen vom Kontinuitätstrend waren die riesigen städtischen Zentren, die die Tiwanaku- und Inkakulturen ihr Zuhause nannten. Anstatt genetisch ziemlich homogen zu sein, waren die Hauptstadtregionen dieser Zivilisationen kosmopolitisch und beherbergten Menschen mit vielen genetischen Hintergründen, stellte das Team fest.

"Es war interessant, diese Einblicke in die Heterogenität der Vorfahren zu sehen", sagte Nakatsuka. "Diese Regionen haben eine gewisse Ähnlichkeit mit dem, was wir heute an Orten wie New York City und anderen Großstädten sehen, in denen Menschen sehr unterschiedlicher Abstammung Seite an Seite leben."

Kooperative Autorschaft zum Studium der Gene der alten Anden

Die Studie umfasste Autoren aus vielen Disziplinen und vielen Ländern, darunter Argentinien, Australien, Bolivien, Chile, Deutschland, Peru, Großbritannien und die Vereinigten Staaten.

„Dies ist eine beeindruckende interdisziplinäre, aber ebenso wichtige internationale Zusammenarbeit“, sagte der Co-Autor der Studie, Bastien Llamas von der University of Adelaide. "Alle haben sehr eng zusammengearbeitet, um dieses Manuskript unter der Leitung von Fehren-Schmitz und Reich zu erstellen."

Es sei wichtig, sich mit lokalen Wissenschaftlern zusammenzuschließen, die zu Gemeinschaften gehören, die von den in der Studie analysierten Personen abstammen, sagte Fehren-Schmitz, und die Erlaubnis von indigenen und anderen lokalen Gruppen sowie lokalen Regierungen einzuholen und sich kontinuierlich mit ihnen auszutauschen.

Die Analyse der DNA alter Individuen kann erhebliche Auswirkungen auf heutige Gemeinschaften haben. Einer betrifft den physischen Umgang mit den Skelettmaterialien, der für die beteiligten Gruppen empfindlich sein könnte.

Die Arbeit bot Gelegenheiten, vergangene Wunden zu heilen. In einem Fall wurde eine Probe aus Cusco, die zuvor in den USA untergebracht war, nach Peru repatriiert. Andere Überreste, die vor langer Zeit unsachgemäß aus Grabstätten entnommen worden waren, konnten mit Kohlenstoff datiert und neu bestattet werden.

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In Ermangelung präkolumbianischer schriftlicher Geschichten sei die Archäologie die wichtigste Informationsquelle für die Rekonstruktion der komplexen Geschichte des Kontinents gewesen, sagte Chiara Barbieri, Co-Autorin der Studie von der Universität Zürich.

„Mit dem Studium der alten DNA können wir die demografische Geschichte alter Gruppen lesen und verstehen, wie alte und heutige Gruppen miteinander verbunden sind“, sagte sie. "Die Verbindung mit der genetischen Untersuchung lebender Populationen eröffnet einen direkten Dialog mit der Vergangenheit und eine Gelegenheit, lokale Gemeinschaften einzubeziehen."

Die Wissenschaftler waren sich sicher, indigene und andere lokale Gruppen einzubeziehen. ( mardzpe /Adobe-Aktie)

Die Forscher versuchten, die Gemeinschaften mit Hilfe von Archäologen aus jedem Gebiet tief einzubeziehen, sagte Nakatsuka. Ihre Bemühungen umfassten öffentliche Vorträge über die Studie und die Übersetzung von Materialien ins Spanische.

"Wir haben uns sehr gefreut, dass die Zusammenfassung und die wichtigsten Ergebnisse unseres Papiers übersetzt und in das Cell-Papier selbst aufgenommen wurden, um die Zugänglichkeit unserer Arbeit zu verbessern", sagte Nakatsuka. „Wir hoffen, dass zukünftige Studien ähnliche Übersetzungen anfertigen werden, einschließlich Versionen, die für das Laienpublikum für Schulen, Museumsausstellungen und kulturelle Organisationen geeignet sind, was wir ebenfalls tun.“


Das uralte Hominin-Skelett enthält Hinweise darauf, wie unsere Vorfahren aufgewachsen sind

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Forscher die Evolution der alten Menschen und unserer Verwandten erforschen können. Kartierung ihrer Bewegungen durch genetische Wanderungen , mehr über ihre Nahrung und ihre Umgebung durch die Analyse des Schmutzes an ihren Zähnen erfahren und erforschen , wie kreativ sie mit den von ihnen hergestellten Werkzeugen und manchmal sogar mit der frühen Kunst waren . All diese Bereiche entwickeln und verändern sich noch, aber ein Thema, das noch in den Kinderschuhen steckt, ist die Untersuchung, wie alte Homininen aufgewachsen sind und was uns dies über die Entwicklung des menschlichen Wachstums und der Entwicklung sagen kann.


Ideen, Erfindungen und Innovationen

Ein internationales Forschungsteam hat die erste eingehende, breit angelegte Studie zur Genomgeschichte alter Zivilisationen in den zentralen Anden und an der Küste vor dem europäischen Kontakt durchgeführt.

Die Ergebnisse, die am 7. Mai online in Cell veröffentlicht wurden, zeigen frühe genetische Unterschiede zwischen Gruppen in nahe gelegenen Regionen, Bevölkerungsvermischung innerhalb und außerhalb der Anden, überraschende genetische Kontinuität inmitten kultureller Umwälzungen und den Kosmopolitismus der Vorfahren unter einigen der bekanntesten alten Zivilisationen der Region.

Unter der Leitung von Forschern der Harvard Medical School und der University of California, Santa Cruz, analysierte das Team genomweite Daten von 89 Personen, die vor 500 bis 9.000 Jahren lebten. Von diesen wurden 64 Genome, die zwischen 500 und 4.500 Jahre alt waren, neu sequenziert und die Anzahl der alten Individuen mit genomweiten Daten aus Südamerika mehr als verdoppelt.

Bild: Martin St-Amant/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

Die Analyse umfasste Vertreter ikonischer Zivilisationen in den Anden, von denen zuvor keine genomweiten Daten gemeldet wurden, darunter Moche, Nasca, Wari, Tiwanaku und Inca.

"Dies war ein faszinierendes und einzigartiges Projekt", sagte Nathan Nakatsuka, Erstautor des Papiers und MD/PhD-Student im Labor von David Reich am Blavatnik-Institut der HMS.

„Es ist die erste detaillierte Studie der Bevölkerungsgeschichte der Anden, die von präkolonialen Genomen mit weitreichender zeitlicher und geografischer Abdeckung geprägt ist“, sagte Lars Fehren-Schmitz, außerordentlicher Professor an der UC Santa Cruz und Co-Senior-Autor der Studie mit Reich.

"Diese Studie ist auch ein wichtiger Schritt zur Behebung des globalen Ungleichgewichts in alten DNA-Daten", sagte Reich, Professor für Genetik an der HMS und assoziiertes Mitglied des Broad Institute of MIT und Harvard.

"Die große Mehrheit der bisher veröffentlichten alten DNA-Studien konzentrierte sich auf West-Eurasien", sagte er. "Diese Studie in Südamerika ermöglicht es uns, mit hoher Auflösung die detaillierte Geschichte der menschlichen Bewegungen in diesem außerordentlich wichtigen Teil der Welt zu erkennen."

Die zentralen Anden, die das heutige Peru umgeben, sind einer der wenigen Orte auf der Welt, an denen die Landwirtschaft erfunden und nicht von anderswo übernommen wurde und wo die früheste Präsenz komplexer Zivilisationen in Südamerika dokumentiert wurde. Obwohl die Region ein wichtiger Schwerpunkt der archäologischen Forschung war, gab es bisher keine systematische Charakterisierung mit genomweiter alter DNA, so die Autoren.

Genetiker, darunter mehrere der aktuellen Teammitglieder, haben zuvor die tiefe genetische Geschichte Südamerikas als Ganzes untersucht, einschließlich der Analyse mehrerer Individuen aus dem Andenhochland vor vielen tausend Jahren. Es gab auch Analysen von heutigen Andenbewohnern und eine begrenzte Anzahl von mitochondrialen oder Y-Chromosom-DNA-Analysen einzelner alter Andenstandorte.

Die neue Studie erweitert diese Erkenntnisse jedoch zu einem weitaus umfassenderen Porträt. Nun, so Nakatsuka, können die Forscher "endlich sehen, wie sich die genetische Struktur der Anden im Laufe der Zeit entwickelt hat".

Durch die Fokussierung auf das, was oft als präkolumbische Geschichte bezeichnet wird, demonstriere die Studie, wie große antike DNA-Studien mehr über antike Kulturen aufdecken können als das Studium heutiger Gruppen allein, sagte Reich.

"In den Anden ist die Rekonstruktion der Bevölkerungsgeschichte auf der Grundlage von DNA-Analysen heutiger Menschen eine Herausforderung, weil es seit dem Kontakt mit den Europäern so viel demografischer Wandel gegeben hat", erklärte Reich. "Mit alten DNA-Daten können wir eine detaillierte Rekonstruktion der Bewegungen von Menschen und deren Beziehung zu den aus archäologischen Aufzeichnungen bekannten Veränderungen durchführen."

„Außergewöhnliche“ antike Bevölkerungsstruktur

Die Analysen ergaben, dass sich vor 9.000 Jahren Gruppen, die im Andenhochland lebten, genetisch von denen unterschieden hatten, die schließlich an der Pazifikküste lebten. Die Auswirkungen dieser frühen Differenzierung sind noch heute sichtbar.

Die genetischen Fingerabdrücke, die Menschen im Hochland von denen in nahegelegenen Regionen unterscheiden, seien "bemerkenswert alt", sagte Nakatsuka, der im Mai in System-, synthetischer und quantitativer Biologie promovieren wird.

"Das ist angesichts der geringen geografischen Entfernung außergewöhnlich", fügte Reich hinzu.

Vor 5.800 Jahren entwickelte die Bevölkerung des Nordens auch unterschiedliche genetische Signaturen von Populationen, die im Süden vorherrschten, fand das Team. Auch heute sind diese Unterschiede zu beobachten.

Nach dieser Zeit trat der Genfluss in allen Regionen der Anden auf, obwohl er sich vor 2.000 Jahren dramatisch verlangsamte, fand das Team.

„Es ist spannend, dass wir in den Anden tatsächlich eine relativ feinkörnige Bevölkerungsstruktur bestimmen konnten, die es uns ermöglicht, zwischen Küsten-, Nord-, Süd- und Hochlandgruppen sowie im Titicacaseen lebenden Individuen zu unterscheiden“, sagte Fehren-Schmitz.

„Dies ist für die Archäologie der Anden von Bedeutung und ermöglicht es uns nun, spezifischere Fragen in Bezug auf lokale Demografien und kulturelle Netzwerke zu stellen“, sagte der Co-Autor der Studie, Jose Capriles von der Pennsylvania State University.

Das Team entdeckte genetischen Austausch sowohl innerhalb der Anden als auch zwischen Anden- und Nicht-Anden-Populationen.

Uralte Menschen zogen zwischen Südperu und den argentinischen Ebenen sowie zwischen der Nordküste Perus und dem Amazonas, wobei sie das Hochland weitgehend umgingen, fanden die Forscher heraus.

Fehren-Schmitz war besonders daran interessiert, Anzeichen für eine weiträumige Mobilität in der Inkazeit aufzudecken. Insbesondere war er überrascht, nicht nur in Cusco, Peru, alte Vorfahren der Nordküste zu entdecken, sondern auch in einem Kinderopfer aus den argentinischen Südanden.

"Dies könnte als genetischer Beweis für die Umsiedlung von Personen unter Inkaherrschaft angesehen werden, eine Praxis, die wir aus ethnohistorischen, historischen und archäologischen Quellen kennen", sagte er.

Obwohl die Ergebnisse der genetischen Vermischung in den Anden mit bekannten archäologischen Verbindungen korrelieren, werden sie wahrscheinlich zusätzliche archäologische Forschungen veranlassen, um die kulturellen Kontexte zu verstehen, die den Wanderungen zugrunde liegen, sagte Nakatsuka.

„Jetzt haben wir mehr Beweise, die wichtige Migrationen und einige Einschränkungen belegen, wann sie stattgefunden haben, aber es müssen weitere Arbeiten durchgeführt werden, um herauszufinden, warum genau diese Migrationen stattgefunden haben“, sagte er.

Die Analysen ergaben, dass mehrere Regionen trotz deutlicher kultureller Veränderungen in den letzten 2.000 Jahren die genetische Kontinuität bewahrt haben.

Der Befund steht im Gegensatz zu vielen anderen Weltregionen, in denen alte DNA-Studien oft einen erheblichen genetischen Umsatz während dieser Zeit dokumentieren, sagte Reich.

Die früh entstandenen Bevölkerungsstrukturen haben sich durch große gesellschaftliche Veränderungen bis in moderne Gesellschaften fortbewegt, so die Autoren. Die Entdeckungen bieten neue Beweise, die neben archäologischen und anderen Aufzeichnungen integriert werden können, um Theorien über die antike Geschichte verschiedener Gruppen in der Region zu untermauern.

"Zu unserer Überraschung beobachteten wir während des Aufstiegs und Niedergangs vieler großer Andenkulturen wie der Moche, Wari und Nasca eine starke genetische Kontinuität", sagte Nakatsuka. "Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Untergang dieser Kulturen nicht auf massive Migration in die Region zurückzuführen war, z. B. von einer einfallenden Militärmacht, ein Szenario, das in einigen anderen Regionen der Welt dokumentiert wurde."

Detail vom Tiwanaku-Tor der Sonne. Bild: Miguel Angel López

Zwei Ausnahmen vom Kontinuitätstrend waren die riesigen städtischen Zentren, die die Tiwanaku- und Inkakulturen ihr Zuhause nannten. Anstatt genetisch homogen zu sein, waren die Hauptstadtregionen dieser Zivilisationen kosmopolitisch und beherbergten Menschen mit vielen genetischen Hintergründen, stellte das Team fest.

"Es war interessant, diese Einblicke in die Heterogenität der Vorfahren zu sehen", sagte Nakatsuka. "Diese Regionen haben eine gewisse Ähnlichkeit mit dem, was wir heute an Orten wie New York City und anderen Großstädten sehen, in denen Menschen sehr unterschiedlicher Abstammung Seite an Seite leben."

Die Studie umfasste Autoren aus vielen Disziplinen und vielen Ländern, darunter Argentinien, Australien, Bolivien, Chile, Deutschland, Peru, Großbritannien und die Vereinigten Staaten.

„Dies ist eine beeindruckende interdisziplinäre, aber ebenso wichtige internationale Zusammenarbeit“, sagte der Co-Autor der Studie, Bastien Llamas von der University of Adelaide. "Alle haben sehr eng zusammengearbeitet, um dieses Manuskript unter der Leitung von Fehren-Schmitz und Reich zu erstellen."

Es sei wichtig, sich mit lokalen Wissenschaftlern zusammenzuschließen, die zu Gemeinschaften gehören, die von den in der Studie analysierten Personen abstammen, sagte Fehren-Schmitz, und die Erlaubnis von indigenen und anderen lokalen Gruppen sowie lokalen Regierungen einzuholen und kontinuierlich mit ihnen in Kontakt zu treten.

Die Analyse der DNA alter Individuen kann erhebliche Auswirkungen auf heutige Gemeinschaften haben. Einer betrifft den physischen Umgang mit den Skelettmaterialien, der für die beteiligten Gruppen empfindlich sein könnte.

Die Arbeit bot Gelegenheiten, vergangene Wunden zu heilen. In einem Fall wurde eine Probe aus Cusco, die zuvor in den USA untergebracht war, nach Peru repatriiert. Andere Überreste, die vor langer Zeit unsachgemäß aus Grabstätten entnommen worden waren, konnten mit Kohlenstoff datiert und neu bestattet werden.

In Ermangelung präkolumbianischer schriftlicher Geschichten sei die Archäologie die wichtigste Informationsquelle für die Rekonstruktion der komplexen Geschichte des Kontinents gewesen, sagte Chiara Barbieri, Co-Autorin der Studie von der Universität Zürich.

“Mit dem Studium der alten DNA können wir die demografische Geschichte alter Gruppen lesen und verstehen, wie alte und heutige Gruppen miteinander verbunden sind,”, sagte sie. “Die Verbindung mit der genetischen Untersuchung lebender Populationen eröffnet einen direkten Dialog mit der Vergangenheit und eine Gelegenheit, lokale Gemeinschaften einzubeziehen.”

Die Forscher versuchten, die Gemeinschaften mit Hilfe von Archäologen aus jedem Gebiet tief einzubeziehen, sagte Nakatsuka. Ihre Bemühungen umfassten öffentliche Vorträge über die Studie und die Übersetzung von Materialien ins Spanische.

"Wir haben uns sehr gefreut, dass die Zusammenfassung und die wichtigsten Ergebnisse unseres Papiers übersetzt und in das Cell-Papier selbst aufgenommen wurden, um die Zugänglichkeit unserer Arbeit zu verbessern", sagte Nakatsuka. "Wir hoffen, dass zukünftige Studien ähnliche Übersetzungen anfertigen werden, einschließlich Versionen, die für das Laienpublikum für Schulen, Museumsausstellungen und Kulturorganisationen geeignet sind, was wir auch gerade tun."

Diese Arbeit wurde unterstützt von den National Institutes of Health (GM100233, GM007753), der National Science Foundation (1515138, HOMINID Grant BCS-1032255), UC-MRPI-Catalyst (UC-17-445724), Wenner-Gren Foundation (SC-14 -62), Francis Crick Institute (FC001595), Allen Discovery Center, John Templeton Foundation (61220), Universität Zürich, National Geographic Society (NGS-50543R-18 und Pilotprogramm “Ancient DNA: People of the Americas, 2018" ), National Scientific and Technical Research Council of Argentina (CONICET) (PIP Nr. 0414), University of Adelaide und Australian Research Council. Reich ist Forscher am Howard Hughes Medical Institute.


Antike Anden, analysiert

Ein internationales Forschungsteam hat die erste eingehende, breit angelegte Studie zur Genomgeschichte alter Zivilisationen in den zentralen Anden und an der Küste vor dem europäischen Kontakt durchgeführt.

Die Ergebnisse, online veröffentlicht am 7. Mai in Zelle, zeigen frühe genetische Unterschiede zwischen Gruppen in nahe gelegenen Regionen, Bevölkerungsvermischung innerhalb und außerhalb der Anden, überraschende genetische Kontinuität inmitten kultureller Umwälzungen und den Kosmopolitismus der Vorfahren einiger der bekanntesten antiken Zivilisationen der Region.

Unter der Leitung von Forschern der Harvard Medical School und der University of California, Santa Cruz, analysierte das Team genomweite Daten von 89 Personen, die vor 500 bis 9.000 Jahren lebten. Von diesen wurden 64 Genome, die zwischen 500 und 4.500 Jahre alt waren, neu sequenziert – mehr als verdoppelt die Zahl der alten Individuen mit genomweiten Daten aus Südamerika.

Die Analyse umfasste Vertreter ikonischer Zivilisationen in den Anden, von denen zuvor keine genomweiten Daten gemeldet wurden, darunter Moche, Nasca, Wari, Tiwanaku und Inca.

"Dies war ein faszinierendes und einzigartiges Projekt", sagte Nathan Nakatsuka, Erstautor des Papiers und MD/PhD-Student im Labor von David Reich am Blavatnik-Institut der HMS.

„Es ist die erste detaillierte Studie der Bevölkerungsgeschichte der Anden, die von präkolonialen Genomen mit weitreichender zeitlicher und geografischer Abdeckung geprägt ist“, sagte Lars Fehren-Schmitz, außerordentlicher Professor an der UC Santa Cruz und Co-Senior-Autor der Studie zusammen mit Reich.

"Diese Studie ist auch ein wichtiger Schritt zur Behebung des globalen Ungleichgewichts in alten DNA-Daten", sagte Reich, Professor für Genetik an der HMS und assoziiertes Mitglied des Broad Institute of MIT und Harvard.

"Die große Mehrheit der bisher veröffentlichten alten DNA-Studien konzentrierte sich auf West-Eurasien", sagte er. "Diese Studie in Südamerika ermöglicht es uns, mit hoher Auflösung die detaillierte Geschichte der menschlichen Bewegungen in diesem außerordentlich wichtigen Teil der Welt zu erkennen."

Achtung in den Anden

Die zentralen Anden, die das heutige Peru umgeben, sind einer der wenigen Orte auf der Welt, an denen die Landwirtschaft erfunden und nicht von anderswo übernommen wurde und wo die früheste Präsenz komplexer Zivilisationen in Südamerika dokumentiert wurde. Obwohl die Region ein wichtiger Schwerpunkt der archäologischen Forschung war, gab es bisher keine systematische Charakterisierung mit genomweiter alter DNA, so die Autoren.

Genetiker, darunter mehrere der aktuellen Teammitglieder, haben zuvor die tiefe genetische Geschichte Südamerikas als Ganzes untersucht, einschließlich der Analyse mehrerer Individuen aus dem Andenhochland vor vielen tausend Jahren. Es gab auch Analysen von heutigen Andenbewohnern und eine begrenzte Anzahl von mitochondrialen oder Y-Chromosom-DNA-Analysen einzelner alter Andenstandorte.

Die neue Studie erweitert diese Erkenntnisse jedoch zu einem weitaus umfassenderen Porträt. Nun, so Nakatsuka, seien die Forscher "endlich in der Lage, zu sehen, wie sich die genetische Struktur der Anden im Laufe der Zeit entwickelt hat".

Durch die Fokussierung auf das, was oft als präkolumbische Geschichte bezeichnet wird, demonstriere die Studie, wie große antike DNA-Studien mehr über antike Kulturen aufdecken können als das Studium heutiger Gruppen allein, sagte Reich.

„In den Anden ist die Rekonstruktion der Bevölkerungsgeschichte auf der Grundlage von DNA-Analysen heutiger Menschen eine Herausforderung, weil es seit dem Kontakt mit den Europäern so viel demografischer Wandel gegeben hat“, erklärte Reich. "Mit alten DNA-Daten können wir eine detaillierte Rekonstruktion der Bewegungen von Menschen und deren Beziehung zu den aus archäologischen Aufzeichnungen bekannten Veränderungen durchführen."

„Außergewöhnliche“ antike Bevölkerungsstruktur

Die Analysen ergaben, dass sich vor 9.000 Jahren Gruppen, die im Andenhochland lebten, genetisch von denen unterschieden hatten, die schließlich an der Pazifikküste lebten. Die Auswirkungen dieser frühen Differenzierung sind noch heute sichtbar.

Die genetischen Fingerabdrücke, die Menschen im Hochland von denen in nahegelegenen Regionen unterscheiden, seien "bemerkenswert alt", sagte Nakatsuka, der im Mai in System-, synthetischer und quantitativer Biologie promovieren wird.

"Das ist angesichts der geringen geografischen Entfernung außergewöhnlich", fügte Reich hinzu.

Vor 5.800 Jahren entwickelte die Bevölkerung des Nordens auch unterschiedliche genetische Signaturen von Populationen, die im Süden vorherrschten, fand das Team. Auch heute sind diese Unterschiede zu beobachten.

Nach dieser Zeit trat der Genfluss in allen Regionen der Anden auf, obwohl er sich vor 2.000 Jahren dramatisch verlangsamte, fand das Team.

„Es ist spannend, dass wir in den Anden tatsächlich eine relativ feinkörnige Bevölkerungsstruktur bestimmen konnten, die es uns ermöglicht, zwischen Küsten-, Nord-, Süd- und Hochlandgruppen sowie im Titicacaseen lebenden Individuen zu unterscheiden“, sagte Fehren-Schmitz.

„Dies ist für die Archäologie der Anden von Bedeutung und ermöglicht es uns nun, spezifischere Fragen in Bezug auf lokale Demografien und kulturelle Netzwerke zu stellen“, sagte der Co-Autor der Studie, Jose Capriles von der Pennsylvania State University.

Genetische Vermischung

Das Team entdeckte genetischen Austausch sowohl innerhalb der Anden als auch zwischen Anden- und Nicht-Anden-Populationen.

Uralte Menschen zogen zwischen Südperu und den argentinischen Ebenen sowie zwischen der Nordküste Perus und dem Amazonas, wobei sie das Hochland weitgehend umgingen, fanden die Forscher heraus.

Fehren-Schmitz war besonders daran interessiert, in der Inkazeit Anzeichen für eine weiträumige Mobilität aufzudecken. Insbesondere war er überrascht, nicht nur in Cusco, Peru, alte Vorfahren der Nordküste zu entdecken, sondern auch in einem Kinderopfer aus den argentinischen Südanden.

"Dies könnte als genetischer Beweis für die Umsiedlung von Personen unter Inkaherrschaft angesehen werden, eine Praxis, die wir aus ethnohistorischen, historischen und archäologischen Quellen kennen", sagte er.

Obwohl die Ergebnisse der genetischen Vermischung in den Anden mit bekannten archäologischen Verbindungen korrelieren, werden sie wahrscheinlich zusätzliche archäologische Forschungen veranlassen, um die kulturellen Kontexte zu verstehen, die den Wanderungen zugrunde liegen, sagte Nakatsuka.

„Jetzt haben wir mehr Beweise, die wichtige Migrationen und einige Einschränkungen belegen, wann sie stattgefunden haben, aber es müssen weitere Arbeiten durchgeführt werden, um herauszufinden, warum genau diese Migrationen stattgefunden haben“, sagte er.

Langfristige Kontinuität

Die Analysen ergaben, dass trotz deutlicher kultureller Veränderungen mehrere Regionen in den letzten 2.000 Jahren die genetische Kontinuität bewahrt haben.

Der Befund steht im Gegensatz zu vielen anderen Weltregionen, in denen alte DNA-Studien oft einen erheblichen genetischen Umsatz während dieser Zeit dokumentieren, sagte Reich.

Die früh entstandenen Bevölkerungsstrukturen haben sich durch große gesellschaftliche Veränderungen bis in moderne Gesellschaften fortbewegt, so die Autoren. Die Entdeckungen bieten neue Beweise, die neben archäologischen und anderen Aufzeichnungen integriert werden können, um Theorien über die antike Geschichte verschiedener Gruppen in der Region zu untermauern.

"Zu unserer Überraschung beobachteten wir während des Aufstiegs und Niedergangs vieler großer Andenkulturen wie der Moche, Wari und Nasca eine starke genetische Kontinuität", sagte Nakatsuka. "Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Untergang dieser Kulturen nicht auf massive Migration in die Region zurückzuführen war, z. B. von einer einfallenden Militärmacht, ein Szenario, das in einigen anderen Regionen der Welt dokumentiert wurde."

Zwei Ausnahmen vom Kontinuitätstrend waren die riesigen städtischen Zentren, die die Tiwanaku- und Inkakulturen ihr Zuhause nannten. Anstatt genetisch homogen zu sein, waren die Hauptstadtregionen dieser Zivilisationen kosmopolitisch und beherbergten Menschen mit vielen genetischen Hintergründen, stellte das Team fest.

"Es war interessant, diese Einblicke in die Heterogenität der Vorfahren zu sehen", sagte Nakatsuka. "Diese Regionen haben eine gewisse Ähnlichkeit mit dem, was wir heute an Orten wie New York City und anderen Großstädten sehen, in denen Menschen sehr unterschiedlicher Abstammung Seite an Seite leben."

Kooperative Autorenschaft

The study included authors from many disciplines and many countries, including Argentina, Australia, Bolivia, Chile, Germany, Peru, the United Kingdom and the United States.

"This is an impressive interdisciplinary but, just as importantly, international collaboration," said study co-author Bastien Llamas of the University of Adelaide. "All worked very closely to draft this manuscript under the leadership of Fehren-Schmitz and Reich."

It was important to team up with local scientists who belong to communities that descend from the individuals analyzed in the study, Fehren-Schmitz said, and to obtain permission from and continually engage with indigenous and other local groups as well as local governments.

The analysis of DNA from ancient individuals can have significant implications for present-day communities. One concerns the physical handling of the skeletal materials, which might be sensitive to the groups involved.

The work provided opportunities to heal past wounds. In one case, a sample from Cusco, previously housed in the U.S., was repatriated to Peru. Other remains that had long ago been taken improperly from burial sites were able to be carbon-dated and reburied.

In the absence of pre-Columbian written histories, archaeology has been the main source of information available to reconstruct the complex history of the continent, said study co-author Chiara Barbieri of the University of Zurich.

"With the study of ancient DNA, we can read the demographic history of ancient groups and understand how ancient and present-day groups are related," she said. "The link with the genetic study of living populations opens a direct dialogue with the past and an occasion to involve local communities."

The researchers sought to deeply involve communities with the help of archaeologists from each area, said Nakatsuka. Their efforts included giving public talks about the study and translating materials into Spanish.

"We were really happy to have the summary and key findings of our paper translated and included as part of the Cell paper itself, to increase accessibility of our work," said Nakatsuka. "We hope future studies will do similar translations, including versions suitable for lay audiences for schools, museum exhibits and cultural organizations, which we are in the process of doing as well."


The first cervical vertebra of Little Foot

The first skeletal elements of Little Foot were unearthed from the Sterkfontein Caves near Johannesburg, South Africa, in 1994 and 1997. The caves are among the richest sites of fossil remains in the world, and form part of what’s known as the Cradle of Humankind .

After 20 years of meticulous excavations by Ron Clarke and his team, Little Foot turned out to be the most complete Australopithecus skeleton ever discovered: it is more than 90% intact. The specimen has been dated to 3.67 million years old .

Professor Ron Clarke busy excavating the Little Foot Skull from the Sterkfontein Caves. (Image: Wits University )

Various anatomical studies have been recently conducted on Little Foot. For instance, we’ve virtually replicated the inner surface of the braincase to deliver information about brain size, shape and organization. We’ve also studied the shape of the inner ear , which is part of the balance system. The findings told us more on Little Foot’s brain and behavior.

Little Foot’s first cervical vertebra, or atlas, is nearly intact and represents a key component of Australopithecus’ biology because it connects the skull with the rest of the skeleton. It also plays a role in how blood is supplied to the brain via the vertebral arteries.

By studying it we’ve been able to understand more about how Australopithecus moved, specifically their heads and necks, and the blood flow that irrigated their brains. We turned our attention to it in a bid to confirm or contradict previous findings and to find out more about Australopithecus.

The cranial base was filled with sediments. These were physically removed and the skull was scanned using a technique called microtomography at the University of the Witwatersrand, in South Africa. This imaging technique is far more accurate than the classical medical imaging tools and provided us with high-resolution images of the vertebra that could be virtually extracted from the sediments.


Ancient Andes, analyzed

IMAGE: An international research team has conducted the first in-depth, wide-scale study of the genomic history of ancient civilizations in the central Andes mountains and coast before European contact. The analysis. view more

  • Analysis yields first comprehensive genomic profile of ancient populations in central Andes
  • Findings emerge from DNA of 89 individuals who lived as long as 9,000 years ago, including some of the legendary ancient civilizations such as Inca and Nasca
  • Study reveals surprising genetic structure, mixing and continuity despite cultural upheaval

An international research team has conducted the first in-depth, wide-scale study of the genomic history of ancient civilizations in the central Andes mountains and coast before European contact.

The findings, published online May 7 in Zelle, reveal early genetic distinctions between groups in nearby regions, population mixing within and beyond the Andes, surprising genetic continuity amid cultural upheaval, and ancestral cosmopolitanism among some of the region's most well-known ancient civilizations.

Led by researchers at Harvard Medical School and the University of California, Santa Cruz, the team analyzed genome-wide data from 89 individuals who lived between 500 and 9,000 years ago. Of these, 64 genomes, ranging from 500 to 4,500 years old, were newly sequenced--more than doubling the number of ancient individuals with genome-wide data from South America.

The analysis included representatives of iconic civilizations in the Andes from whom no genome-wide data had been reported before, including the Moche, Nasca, Wari, Tiwanaku and Inca.

"This was a fascinating and unique project," said Nathan Nakatsuka, first author of the paper and an MD/PhD student in the lab of David Reich in the Blavatnik Institute at HMS.

"It represents the first detailed study of Andean population history informed by pre-Colonial genomes with wide-ranging temporal and geographic coverage," said Lars Fehren-Schmitz, associate professor at UC Santa Cruz and co-senior author of the paper with Reich.

"This study also takes a major step toward redressing the global imbalance in ancient DNA data," said Reich, professor of genetics at HMS and associate member of the Broad Institute of MIT and Harvard.

"The great majority of published ancient DNA studies to date have focused on western Eurasia," he said. "This study in South America allows us to begin to discern at high resolution the detailed history of human movements in this extraordinarily important part of the world."

Attention on the Andes

The central Andes, surrounding present-day Peru, is one of the few places in the world where farming was invented rather than being adopted from elsewhere and where the earliest presence of complex civilizations in South America has been documented so far. While the region has been a major focus of archaeological research, there had been no systematic characterization with genome-wide ancient DNA until now, the authors said.

Geneticists, including several of the current team members, previously studied the deep genetic history of South America as a whole, including analysis of several individuals from the Andean highlands from many thousands of years ago. There have also been analyses of present-day residents of the Andes and a limited number of mitochondrial or Y-chromosome DNA analyses from individual ancient Andean sites.

The new study, however, expands on these findings to provide a far more comprehensive portrait. Now, Nakatsuka said, researchers are "finally able to see how the genetic structure of the Andes evolved over time."

By focusing on what is often called pre-Columbian history, the study demonstrates how large ancient DNA studies can reveal more about ancient cultures than studying present-day groups alone, said Reich.

"In the Andes, reconstruction of population history based on DNA analysis of present-day people has been challenging because there has so been much demographic change since contact with Europeans," Reich explained. "With ancient DNA data, we can carry out a detailed reconstruction of movements of people and how those relate to changes known from the archaeological record."

'Extraordinary' ancient population structure

The analyses revealed that by 9,000 years ago, groups living in the Andean highlands became genetically distinct from those that eventually came to live along the Pacific coast. The effects of this early differentiation are still seen today.

The genetic fingerprints distinguishing people living in the highlands from those in nearby regions are "remarkably ancient," said Nakatsuka, who will receive his PhD in systems, synthetic and quantitative biology in May.

"It is extraordinary, given the small geographic distance," added Reich.

By 5,800 years ago, the population of the north also developed distinct genetic signatures from populations that became prevalent in the south, the team found. Again, these differences can be observed today.

After that time, gene flow occurred among all regions in the Andes, although it dramatically slowed after 2,000 years ago, the team found.

"It is exciting that we were actually able to determine relatively fine-grained population structure in the Andes, allowing us to differentiate between coastal, northern, southern and highland groups as well as individuals living in the Titicaca Basin," said Fehren-Schmitz.

"This is significant for the archaeology of the Andes and will now allow us to ask more specific questions with regards to local demographies and cultural networks," said study co-author Jose Capriles of Pennsylvania State University.

Genetic intermingling

The team discovered genetic exchanges both within the Andes and between Andean and non-Andean populations.

Ancient people moved between south Peru and the Argentine plains and between the north Peru coast and the Amazon, largely bypassing the highlands, the researchers found.

Fehren-Schmitz was especially interested to uncover signs of long-range mobility in the Inca period. Specifically, he was surprised to detect ancient North Coast ancestry not only around Cusco, Peru, but also in a child sacrifice from the Argentinian southern Andes.

"This could be seen as genetic evidence for relocations of individuals under Inca rule, a practice we know of from ethnohistorical, historical and archaeological sources," he said.

Although the findings of genetic intermingling throughout the Andes correlate with known archaeological connections, they will likely prompt additional archaeological research to understand the cultural contexts underlying the migrations, said Nakatsuka.

"Now we have more evidence demonstrating important migrations and some constraints on when they happened, but further work needs to be done to know why exactly these migrations occurred," he said.

The analyses revealed that multiple regions maintained genetic continuity over the past 2,000 years despite clear cultural transformations.

The finding contrasts with many other world regions, where ancient DNA studies often document substantial genetic turnover during this period, said Reich.

The population structures that arose early on persisted through major social changes and on into modern societies, the authors said. The discoveries offer new evidence that can be incorporated alongside archaeological and other records to inform theories on the ancient history of different groups in the region.

"To our surprise, we observed strong genetic continuity during the rise and fall of many of the large-scale Andean cultures, such as the Moche, Wari and Nasca," said Nakatsuka. "Our results suggest that the fall of these cultures was not due to massive migration into the region, e.g., from an invading military force, a scenario which had been documented in some other regions of the world."

Two exceptions to the continuity trend were the vast urban centers that the Tiwanaku and Inca cultures called home. Rather than being fairly genetically homogeneous, the capital regions of these civilizations were cosmopolitan, hosting people from many genetic backgrounds, the team found.

"It was interesting to start to see these glimpses of ancestral heterogeneity," said Nakatsuka. "These regions have some similarity to what we see now in places like New York City and other major cities where people of very different ancestries are living side by side."

Cooperative authorship

The study included authors from many disciplines and many countries, including Argentina, Australia, Bolivia, Chile, Germany, Peru, the United Kingdom and the United States.

"This is an impressive interdisciplinary but, just as importantly, international collaboration," said study co-author Bastien Llamas of the University of Adelaide. "All worked very closely to draft this manuscript under the leadership of Fehren-Schmitz and Reich."

It was important to team up with local scientists who belong to communities that descend from the individuals analyzed in the study, Fehren-Schmitz said, and to obtain permission from and continually engage with indigenous and other local groups as well as local governments.

The analysis of DNA from ancient individuals can have significant implications for present-day communities. One concerns the physical handling of the skeletal materials, which might be sensitive to the groups involved.

The work provided opportunities to heal past wounds. In one case, a sample from Cusco, previously housed in the U.S., was repatriated to Peru. Other remains that had long ago been taken improperly from burial sites were able to be carbon-dated and reburied.

In the absence of pre-Columbian written histories, archaeology has been the main source of information available to reconstruct the complex history of the continent, said study co-author Chiara Barbieri of the University of Zurich.

"With the study of ancient DNA, we can read the demographic history of ancient groups and understand how ancient and present-day groups are related," she said. "The link with the genetic study of living populations opens a direct dialogue with the past and an occasion to involve local communities."

The researchers sought to deeply involve communities with the help of archaeologists from each area, said Nakatsuka. Their efforts included giving public talks about the study and translating materials into Spanish.

"We were really happy to have the summary and key findings of our paper translated and included as part of the Cell paper itself, to increase accessibility of our work," said Nakatsuka. "We hope future studies will do similar translations, including versions suitable for lay audiences for schools, museum exhibits and cultural organizations, which we are in the process of doing as well."

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Ancient DNA Study Sheds Light on Deep Population History of Andes

A large international team of researchers has conducted the first in-depth, wide-scale study of the genomic history of pre-Columbian Andean civilizations such as the Moche, Wari, Tiwanaku, Nazca, and Inca. Published in the journal Zelle, the findings reveal early genetic distinctions between groups in nearby regions, population mixing within and beyond the Andes, surprising genetic continuity amid cultural upheaval, and ancestral cosmopolitanism.

The Gateway of the Sun, Tiwanaku, Bolivia. Image credit: Mhwater.

“There are many unanswered questions about the population history of the central Andes and in particular the large-scale societies that lived there,” said co-author Dr. Bastien Llamas, a researcher in the Australian Centre for Ancient DNA at the University of Adelaide.

“We know from archeological research that the central Andes region is extremely rich in cultural heritage, however up until now the genomic makeup of the region before arrival of Europeans has never been studied.”

“While archaeological records play a role in connecting cultures, studying ancient DNA can provide a finer grain picture.”

“For example, archaeological information may tell us about two or three cultures in the region, and eventually who was there first, but ancient DNA can inform about actual biological connections underlying expansion of cultural practices, languages or technologies.”

In the study, Dr. Llamas and colleagues sequenced and analyzed the genomes of 89 individuals who lived between 500 and 9,000 years ago and compared the data with the genetic diversity of present day occupants.

Of these, 64 genomes, ranging from 500 to 4,500 years old, were newly sequenced — more than doubling the number of ancient individuals with genome-wide data from South America.

The scientists found that by 9,000 years ago, groups living in the Andean highlands became genetically distinct from those that eventually came to live along the Pacific coast. The effects of this early differentiation are still seen today.

“The genetic fingerprints distinguishing people living in the highlands from those in nearby regions are remarkably ancient,” said first author Nathan Nakatsuka, an MD/PhD student in the Department of Genetics at Harvard Medical School and the Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology.

“It is extraordinary, given the small geographic distance,” added senior author Professor David Reich, a researcher in the Department of Genetics and Howard Hughes Medical Institute at Harvard Medical School, the Broad Institute of Harvard and MIT, and the Department of Human Evolutionary Biology at Harvard University.

Nakatsuka et al assembled genome-wide data on 89 individuals dating from 9,000-500 years ago, with a particular focus on the period of the rise and fall of Andean state societies. Today’s genetic structure began to develop by 5,800 years ago, followed by bi-directional gene flow between the North and South Highlands, and between the Highlands and Coast the researchers detected minimal admixture among neighboring groups between 2,000-500 years ago, although they didn’t detect cosmopolitanism (people of diverse ancestries living side-by-side) in the heartlands of the Tiwanaku and Inca polities. Image credit: Nakatsuka et al, doi: 10.1016/j.cell.2020.04.015.

By 5,800 years ago, the population of the north also developed distinct genetic signatures from populations that became prevalent in the south. Again, these differences can be observed today.

After that time, gene flow occurred among all regions in the Andes, although it dramatically slowed after 2,000 years ago.

“This was quite surprising given this period saw the rise and fall of many large-scale Andean cultures such as Moche, Wari and Nazca, and suggests that these empires implemented a cultural domination without moving armies,” Dr. Llamas said.

There were two exceptions to the slowing of migration, and these were within the Tiwanaku and Inca populations, whose administrative centers were largely cosmopolitan — people of diverse ancestries living side-by-side.

“It was interesting to uncover signs of long-range mobility during the Inca period,” Dr. Llamas said.

“Archaeology shows the Inca occupied thousands of miles from Ecuador through to northern Chile — which is why when Europeans arrived they discovered a massive Inka empire, but we found close genetic relationships between individuals at the extreme edges of the empire.”

“It is exciting that we were actually able to determine relatively fine-grained population structure in the Andes, allowing us to differentiate between coastal, northern, southern and highland groups as well as individuals living in the Titicaca Basin,” said senior author Dr. Lars Fehren-Schmitz, a scientist in the Genomics Institute at the University of California, Santa Cruz.

“This is significant for the archaeology of the Andes and will now allow us to ask more specific questions with regards to local demographies and cultural networks,” said co-author Dr. Jose Capriles, a researcher in the Department of Anthropology at the Pennsylvania State University.


DNA Analysis Offers First Look at People of Ancient Andes

Despite millennia of cultural upheavals in some of the most famous ancient civilizations in South America, researchers have found a surprising amount of ancestral mixing and genetic continuity in DNA from the past.

(CN) — A wide-scale study of the genomic history of ancient civilizations in South America reveals ancient DNA data that can help scientists better understand the history of those who resided there long before Europeans colonized the continent.

The study, published Thursday in the journal Cell, discusses early genetic distinctions between groups in nearby regions, population mixing within and beyond the Andes, surprising genetic continuity amid cultural upheaval and ancestral mixing pots among some of the most widely known civilizations from the region.

The team was led by researchers at Harvard Medical School and the University of California, Santa Cruz. In their study, they looked at genome-wide data from 89 individuals who lived between 500 and 9,000 years ago, including some never before seen data.

Of the 89 individuals analyzed, 64 genomes, ranging from 500 to 4,500 years old, were newly sequenced, which more than doubled the number of ancient individuals with genome-wide data from South America.

“This was a fascinating and unique project,” said Nathan Nakatsuka, first author of the paper and a doctoral student in the lab of David Reich in the Blavatnik Institute at Harvard Medical School.

The analysis included representatives of iconic civilizations in the Andes from whom scientists previously had no genome-wide data, including the Moche, Nasca, Wari, Tiwanaku and Inca.

“It represents the first detailed study of Andean population history informed by pre-Colonial genomes with wide-ranging temporal and geographic coverage,” said Lars Fehren-Schmitz, associate professor at UC Santa Cruz and co-senior author of the paper with Reich.

“This study also takes a major step toward redressing the global imbalance in ancient DNA data,” said Reich, professor of genetics at HMS and associate member of the Broad Institute of MIT and Harvard. “The great majority of published ancient DNA studies to date have focused on western Eurasia. This study in South America allows us to begin to discern at high resolution the detailed history of human movements in this extraordinarily important part of the world.”

The central Andes in present-day Peru is one of the rare locations in the world where farming was invented rather than being adopted from elsewhere. It is also home to the earliest known presence of complex civilizations in South America documented so far.

While the region has been a major focus of archaeological research, there had been no systematic characterization with genome-wide ancient DNA until now.

Geneticists on the team have previously done studies on the genetic history of South America as a whole, including analysis of several individuals from the Andean highlands from thousands of years ago.

Additionally, there have been analyses of present-day residents of the Andes, as well as a limited number of mitochondrial or Y-chromosome DNA analyses from individual ancient Andean sites.

This study, however, stands apart from these by expanding on the findings to provide a far more comprehensive portrait. Now, Nakatsuka said, researchers are “finally able to see how the genetic structure of the Andes evolved over time.”

“By focusing on what is often called pre-Columbian history, the study demonstrates how large ancient DNA studies can reveal more about ancient cultures than studying present-day groups alone,” Reich said.

“In the Andes, reconstruction of population history based on DNA analysis of present-day people has been challenging because there has been so much demographic change since contact with Europeans,” he added. “With ancient DNA data, we can carry out a detailed reconstruction of movements of people and how those relate to changes known from the archaeological record.”

The findings reveal that 9,000 years ago, groups living in the Andean highlands became genetically distinct from those that eventually came to live along the Pacific Coast, and the effects of this early differentiation are still seen today.

The genetic fingerprints distinguishing people living in the highlands from those in nearby regions are “remarkably ancient,” said Nakatsuka.

The team found that 5,800 years ago, the population of the north also developed distinct genetic signatures from populations that became prevalent in the south, which again can still be seen today. After this, gene flow continued to occur among all regions in the Andes, although it dramatically slowed about 2,000 years ago.

“It is exciting that we were actually able to determine relatively fine-grained population structure in the Andes, allowing us to differentiate between coastal, northern, southern and highland groups as well as individuals living in the Titicaca Basin,” Fehren-Schmitz said.

“This is significant for the archaeology of the Andes and will now allow us to ask more specific questions with regards to local demographies and cultural networks,” said study co-author Jose Capriles of Pennsylvania State University.

Additionally, the team discovered genetic exchanges both within the Andes and between Andean and non-Andean populations. They found that ancient people traveled between south Peru and the Argentine plains and between the north Peru coast and the Amazon, effectively bypassing the highlands.

The most interesting aspect of these findings to Fehren-Schmitz was uncovering signs of long-range mobility in the Inca period. He said he was pleasantly surprised to find that ancient North Coast ancestry was present not only around Cusco, Peru, but also in a child sacrifice from the Argentinian southern Andes.

“This could be seen as genetic evidence for relocations of individuals under Inca rule, a practice we know of from ethnohistorical, historical and archaeological sources,” he said.

“Although the findings of genetic intermingling throughout the Andes correlate with known archaeological connections, they will likely prompt additional archaeological research to understand the cultural contexts underlying the migrations,” said Nakatsuka.

“Now we have more evidence demonstrating important migrations and some constraints on when they happened, but further work needs to be done to know why exactly these migrations occurred.”

The analysis also revealed that multiple regions maintained genetic continuity over the past 2,000 years despite clear cultural transformations. The finding contrasts with many other world regions, where ancient DNA studies often document substantial genetic turnover during this period, said Reich.

The authors explained that the early population structures persisted through major social changes and on into modern societies. They note that these discoveries offer new evidence that can be incorporated with archaeological and other records to inform theories on the ancient history of different groups in the region.

“To our surprise, we observed strong genetic continuity during the rise and fall of many of the large-scale Andean cultures, such as the Moche, Wari and Nasca,” Nakatsuka said. “Our results suggest that the fall of these cultures was not due to massive migration into the region, e.g., from an invading military force, a scenario which had been documented in some other regions of the world.”

There were however two exceptions to this continuity trend, and those were the vast urban centers that were home to the Tiwanaku and Inca cultures. While other civilizations were relatively genetically homogeneous, the capital regions of these civilizations were cosmopolitan, hosting people from many genetic backgrounds.

“It was interesting to start to see these glimpses of ancestral heterogeneity,” Nakatsuka said. “These regions have some similarity to what we see now in places like New York City and other major cities where people of very different ancestries are living side by side.”

Due to a severe lack of pre-Columbian written histories, archaeology has been the main source of information used to reconstruct the complex history of the continent, said study co-author Chiara Barbieri of the University of Zurich.

“With the study of ancient DNA, we can read the demographic history of ancient groups and understand how ancient and present-day groups are related,” she said. “The link with the genetic study of living populations opens a direct dialogue with the past and an occasion to involve local communities.”


Long-term continuity

The analyses revealed that multiple regions maintained genetic continuity over the past 2,000 years despite clear cultural transformations.

The finding contrasts with many other world regions, where ancient DNA studies often document substantial genetic turnover during this period, said Reich.

The population structures that arose early on persisted through major social changes and on into modern societies, the authors said. The discoveries offer new evidence that can be incorporated alongside archaeological and other records to inform theories on the ancient history of different groups in the region.

“To our surprise, we observed strong genetic continuity during the rise and fall of many of the large-scale Andean cultures, such as the Moche, Wari and Nasca,” said Nakatsuka. “Our results suggest that the fall of these cultures was not due to massive migration into the region, e.g., from an invading military force, a scenario which had been documented in some other regions of the world.”

Two exceptions to the continuity trend were the vast urban centers that the Tiwanaku and Inca cultures called home. Rather than being fairly genetically homogeneous, the capital regions of these civilizations were cosmopolitan, hosting people from many genetic backgrounds, the team found.

“It was interesting to start to see these glimpses of ancestral heterogeneity,” said Nakatsuka. “These regions have some similarity to what we see now in places like New York City and other major cities where people of very different ancestries are living side by side.”


Abstrakt

The Central Andes are characterized by the early emergence of complex societies and a chequered yet continuous cultural tradition. However, at least for certain points of time in the cultural development, the overall cohesiveness of this ‘culture area’ has been called into question, favoring an alternative perspective that emphasizes the existence of several relatively independent nuclei of development on the North Coast, the southern Peruvian Highlands and the Titicaca basin, with distinct cultural expressions and political organization. Here, we engage archaeological evidence and its interpretation with newly emerging perspectives from linguistics and genetics (modern and ancient DNA), including new targeted genetic analysis, to add fresh evidence to the question of the internal structure and cohesiveness of the ancient Central Andes as a culture area. The double cultural/biological approach points at a North vs. South structure bisecting the Central Andes that becomes appreciable

2,000 years ago however, as the evidence from all three disciplines indicates, too, the spheres have remained connected and hence maintained an overall cohesiveness. Our analysis suggests that demographic population structure precedes the constitution of distinct cultural domains, a pattern which is to be verified in other chronological transects in South America and at a global scale.


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