Modern humans arrived in Europe ~45,000 years ago, but little is known about their genetic composition before the start of farming ~8,500 years ago. Here we analyse genome-wide data from 51 Eurasians from ~45,000-7,000 years ago. Over this time, the proportion of Neanderthal DNA decreased from 3-6% to around 2%, consistent with natural selection against Neanderthal variants in modern humans. Whereas there is no evidence of the earliest modern humans in Europe contributing to the genetic composition of present-day Europeans, all individuals between ~37,000 and ~14,000 years ago descended from a single founder population which forms part of the ancestry of present-day Europeans. An ~35,000-year-old individual from northwest Europe represents an early branch of this founder population which was then displaced across a broad region, before reappearing in southwest Europe at the height of the last Ice Age ~19,000 years ago. During the major warming period after ~14,000 years ago, a genetic component related to present-day Near Easterners became widespread in Europe. These results document how population turnover and migration have been recurring themes of European prehistory.

Modern humans have populated Europe for more than 45,000 years1,2. Our knowledge of the genetic relatedness and structure of ancient hunter-gatherers is however limited, owing to the scarceness and poor molecular preservation of human remains from that period3. Here we analyse 356 ancient hunter-gatherer genomes, including new genomic data for 116 individuals from 14 countries in western and central Eurasia, spanning between 35,000 and 5,000 years ago. We identify a genetic ancestry profile in individuals associated with Upper Palaeolithic Gravettian assemblages from western Europe that is distinct from contemporaneous groups related to this archaeological culture in central and southern Europe4, but resembles that of preceding individuals associated with the Aurignacian culture. This ancestry profile survived during the Last Glacial Maximum (25,000 to 19,000 years ago) in human populations from southwestern Europe associated with the Solutrean culture, and with the following Magdalenian culture that re-expanded northeastward after the Last Glacial Maximum. Conversely, we reveal a genetic turnover in southern Europe suggesting a local replacement of human groups around the time of the Last Glacial Maximum, accompanied by a north-to-south dispersal of populations associated with the Epigravettian culture. From at least 14,000 years ago, an ancestry related to this culture spread from the south across the rest of Europe, largely replacing the Magdalenian-associated gene pool. After a period of limited admixture that spanned the beginning of the Mesolithic, we find genetic interactions between western and eastern European hunter-gatherers, who were also characterized by marked differences in phenotypically relevant variants.

Summary Western Eurasia witnessed several large-scale human migrations during the Holocene 1–5 . To investigate the cross-continental impacts we shotgun-sequenced 317 primarily Mesolithic and Neolithic genomes from across Northern and Western Eurasia. These were imputed alongside published data to obtain diploid genotypes from >1,600 ancient humans. Our analyses revealed a ‘Great Divide’ genomic boundary extending from the Black Sea to the Baltic. Mesolithic hunter-gatherers (HGs) were highly genetically differentiated east and west of this zone, and the impact of the neolithisation was equally disparate. Large-scale ancestry shifts occurred in the west as farming was introduced, including near-total replacements of HGs in many areas, whereas no substantial ancestry shifts happened east of the zone during the same period. Similarly, relatedness decreased in the west from the Neolithic transition onwards, while east of the Urals relatedness remained high until ∼4,000 BP, consistent with persistence of localised HG groups. The boundary dissolved when Yamnaya-related ancestry spread across western Eurasia around 5,000 BP resulting in a second major turnover that reached most parts of Europe within a 1,000-year span. The genetic origin and fate of the Yamnaya have remained elusive but we demonstrate that HGs from the Middle Don region contributed ancestry to them. Yamnaya-groups later admixed with individuals associated with the Globular Amphora Culture before expanding into Europe. Similar turnovers occurred in western Siberia, where we report new genomic data from a ‘Neolithic steppe’ cline spanning the Siberian forest steppe to Lake Baikal. These prehistoric migrations had profound and lasting effects on the genetic diversity of Eurasian populations.

In recent years, the field of ancient DNA (aDNA) has taken a new direction toward studying human population dynamics through sedimentary DNA (sedaDNA), enabling the study of past ecosystems. However, the screening of numerous sediment samples from archaeological sites remains a time-consuming and costly endeavor, particularly when targeting hominin DNA. Here, we present a novel high-throughput method that facilitates the fast and efficient analysis of sediment samples by applying a pooled testing method. Our approach involves combining multiple extracts, allowing users to parallelize laboratory procedures early in the sample preparation pipeline while effectively screening for the presence of aDNA. Pooled samples that exhibit aDNA signals can then undergo detailed analysis, while empty pools are discarded. We have successfully applied our extract pooling method to various sediment samples from Middle and Upper Paleolithic sites in Europe, Asia, and Africa. Notably, our results reveal that an aDNA signal remains discernible even when pooled with four negative samples. We also demonstrate that the DNA yield of double-stranded libraries increases significantly when reducing the extract input, potentially mitigating the effects of inhibition. By embracing this innovative approach, researchers can analyze large numbers of sediment samples for aDNA preservation, achieving significant cost reductions of up to 70% and reducing hands-on laboratory time to one-fifth.

In the last few decades, the field of ancient DNA has taken a new direction towards using sedimentary ancient DNA (sedaDNA) for studying human and mammalian population dynamics as well as past ecosystems. However, the screening of numerous sediment samples from archaeological sites remains a time-consuming and costly endeavor, particularly when targeting hominin DNA. Here, we present a novel high-throughput method that facilitates the fast and efficient analysis of sediment samples by applying a pooled testing approach. This method combines multiple extracts, enabling early parallelization of laboratory procedures and effective aDNA screening. Pooled samples with detectable aDNA signals undergo detailed analysis, while empty pools are discarded. We have successfully applied our method to multiple sediment samples from Middle and Upper Paleolithic sites in Europe, Asia, and Africa. Notably, our results reveal that an aDNA signal remains discernible even when pooled with four negative samples. We also demonstrate that the DNA yield of double-stranded libraries increases significantly when reducing the extract input, potentially mitigating the effects of inhibition. By embracing this innovative approach, researchers can analyze large numbers of sediment samples for aDNA preservation, achieving significant cost reductions of up to 70% and reducing hands-on laboratory time to one-fifth.

Abstract Caves are primary sites for studying human and animal subsistence patterns and genetic ancestry throughout the Palaeolithic. Iberia served as a critical human and animal refugium in Europe during the Last Glacial Maximum (LGM), 26.5 to 19 thousand years before the present (cal kya). Therefore, it is a key location for understanding human and animal population dynamics during this event. We recover and analyse sedimentary ancient DNA (sedaDNA) data from the lower archaeological stratigraphic sequence of El Mirón Cave (Cantabria, Spain), encompassing the (1) Late Mousterian period, associated with Neanderthals, and (2) the Gravettian (c. 31.5 cal kya), Solutrean (c. 24.5–22 cal kya), and Initial Magdalenian (d. 21–20.5 cal kya) periods, associated with anatomically modern humans. We identify 28 animal taxa including humans. Fifteen of these taxa had not been identified from the archaeozoological (i.e., faunal) record, including the presence of hyenas in the Magdalenian. Additionally, we provide phylogenetic analyses on 70 sedaDNA mtDNA genomes of fauna including the densest Iberian Pleistocene sampling of C. lupus . Finally, we recover three human mtDNA sequences from the Solutrean levels. These sequences, along with published data, suggest mtDNA haplogroup continuity in Iberia throughout the Solutrean/Last Glacial Maximum period.