Las comparaciones con humanos y chimpancés contemporáneos demostraron que los neandertales eran genéticamente distintos. Como los análisis del pequeño genoma mitocondrial sólo aportaron información limitada, Pääbo se propuso el reto de secuenciar el genoma neandertal, cuya primera secuencia publicó en 2010. Los análisis comparativos demostraron que el ancestro común más reciente de los neandertales y el 'Homo sapiens' vivió hace unos 800.000 años. De la misma forma, estos estudios mostraron que las secuencias de ADN de los neandertales eran más similares a las de los humanos contemporáneos procedentes de Europa o Asia que a las de los humanos contemporáneos procedentes de África.
Esto significa que los neandertales y los 'Homo sapiens' se cruzaron durante sus milenios de coexistencia. En los humanos actuales con ascendencia europea o asiática, aproximadamente el 1-4 por ciento del genoma procede de los neandertales. Pääbo también realizó el descubrimiento de un homínido hasta entonces desconocido, Denisova. En 2008, se descubrió un fragmento de hueso de dedo de 40.000 años de antigüedad en la cueva de Denisova, en el sur de Siberia (Rusia). El hueso contenía un ADN excepcionalmente bien conservado, que el equipo de Pääbo secuenció. Los resultados demostraron que la secuencia de ADN era única en comparación con todas las secuencias conocidas de neandertales y humanos actuales. Pääbo había descubierto un homínido desconocido hasta entonces, que recibió el nombre de Denisova por la cueva donde fue descubierto.
Las comparaciones con secuencias de humanos contemporáneos de diferentes partes del mundo mostraron que también se había producido un flujo de genes entre Denisova y 'Homo sapiens'. Esta relación se observó por primera vez en poblaciones de Melanesia y otras partes del sudeste asiático, donde los individuos llevan hasta un 6 por ciento de ADN de Denisova. Los hallazgos de Pääbo han generado una nueva comprensión de la historia evolutiva del ser humano: en la época en que el 'Homo sapiens' emigró de África, al menos dos poblaciones de homínidos extinguidas habitaban Eurasia. Los neandertales vivían en el oeste de Eurasia, mientras que los denisovanos poblaban el este del continente. Durante la expansión del 'Homo sapiens' fuera de África y su migración hacia el este, no sólo se encontraron y se cruzaron con los neandertales, sino también con los denisovanos. Igualmente, Pääbo evidenció que se había producido una transferencia de genes de estos homínidos ya extinguidos al 'Homo sapiens' tras la migración fuera de África hace unos 70.000 años. Este antiguo flujo de genes hacia los humanos actuales tiene relevancia fisiológica hoy en día, por ejemplo, afectando a la forma en que nuestro sistema inmune reacciona a las infecciones.
La investigación de Pääbo también ha dado lugar a una disciplina científica totalmente nueva: la paleogenómica. Tras los descubrimientos iniciales, su grupo ha completado el análisis de varias secuencias genómicas adicionales de homínidos extintos. Los descubrimientos de Pääbo han establecido un recurso único que es utilizado ampliamente por la comunidad científica para comprender mejor la evolución y la migración humanas. Los nuevos y potentes métodos de análisis de secuencias indican que los homininos arcaicos también pueden haberse mezclado con el 'Homo sapiens' en África.
Sin embargo, todavía no se ha secuenciado ningún genoma de homínidos extintos en África debido a la degradación acelerada del ADN arcaico en los climas tropicales. Gracias a los hallazgos de Svante Pääbo, ahora se sabe que «las secuencias genéticas arcaicas de nuestros parientes extintos influyen en la fisiología de los humanos actuales». Un ejemplo es la versión denisovana del gen EPAS1, que confiere una ventaja para la supervivencia a gran altura y es común entre los tibetanos actuales. Otros ejemplos son los genes neandertales que afectan a la respuesta inmunitaria a distintos tipos de infecciones.
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