Tracing our ancestors in cave sediments Analysis of DNA from archaic hominids has illuminated human evolution. However, sites where thousand-year-old bones and other remains can be found are relatively rare. Slon et al. wanted to exploit any trace remains that our ancestors left behind. They looked for ancient DNA of hominids and other mammals in cave sediments, even those lacking skeletal remains. They identified mitochondrial DNA from Neandertal and Denisovan individuals in cave sediments at multiple sites. Science , this issue p. 605

Abstract Modern humans appeared in Europe by at least 45,000 years ago 1–5 , but the extent of their interactions with Neanderthals, who disappeared by about 40,000 years ago 6 , and their relationship to the broader expansion of modern humans outside Africa are poorly understood. Here we present genome-wide data from three individuals dated to between 45,930 and 42,580 years ago from Bacho Kiro Cave, Bulgaria 1,2 . They are the earliest Late Pleistocene modern humans known to have been recovered in Europe so far, and were found in association with an Initial Upper Palaeolithic artefact assemblage. Unlike two previously studied individuals of similar ages from Romania 7 and Siberia 8 who did not contribute detectably to later populations, these individuals are more closely related to present-day and ancient populations in East Asia and the Americas than to later west Eurasian populations. This indicates that they belonged to a modern human migration into Europe that was not previously known from the genetic record, and provides evidence that there was at least some continuity between the earliest modern humans in Europe and later people in Eurasia. Moreover, we find that all three individuals had Neanderthal ancestors a few generations back in their family history, confirming that the first European modern humans mixed with Neanderthals and suggesting that such mixing could have been common.

Abstract Artefacts made from stones, bones and teeth are fundamental to our understanding of human subsistence strategies, behaviour and culture in the Pleistocene. Although these resources are plentiful, it is impossible to associate artefacts to specific human individuals 1 who can be morphologically or genetically characterized, unless they are found within burials, which are rare in this time period. Thus, our ability to discern the societal roles of Pleistocene individuals based on their biological sex or genetic ancestry is limited 2–5 . Here we report the development of a non-destructive method for the gradual release of DNA trapped in ancient bone and tooth artefacts. Application of the method to an Upper Palaeolithic deer tooth pendant from Denisova Cave, Russia, resulted in the recovery of ancient human and deer mitochondrial genomes, which allowed us to estimate the age of the pendant at approximately 19,000–25,000 years. Nuclear DNA analysis identifies the presumed maker or wearer of the pendant as a female individual with strong genetic affinities to a group of Ancient North Eurasian individuals who lived around the same time but were previously found only further east in Siberia. Our work redefines how cultural and genetic records can be linked in prehistoric archaeology.

Ancient DNA has allowed the study of various aspects of human history in unprecedented detail. However, because the majority of archaic human specimens preserved well enough for genome sequencing have been female, comprehensive studies of Y chromosomes of Denisovans and Neandertals have not yet been possible. Here we present sequences of the first Denisovan Y chromosomes (Denisova 4 and Denisova 8), as well as the Y chromosomes of three late Neandertals (Spy 94a, Mezmaiskaya 2 and El Sidrón 1253). We find that the Denisovan Y chromosomes split around 700 thousand years ago (kya) from a lineage shared by Neandertal and modern human Y chromosomes, which diverged from each other around 370 kya. The phylogenetic relationships of archaic and modern human Y chromosomes therefore differ from population relationships inferred from their autosomal genomes, and mirror the relationships observed on the level of mitochondrial DNA. This provides strong evidence that gene flow from an early lineage related to modern humans resulted in the replacement of both the mitochondrial and Y chromosomal gene pools in late Neandertals. Although unlikely under neutrality, we show that this replacement is plausible if the low effective population size of Neandertals resulted in an increased genetic load in their Y chromosomes and mitochondrial DNA relative to modern humans.