1856年8月，德國採石場工人在杜塞爾多夫（Du-sseldorf）外的尼安德山谷（Neander Valley）炸開一個石灰岩洞後，發現了一副不完整的骨骸。這些骨骸乍看之下像是屬於一種已絕種的熊，這種熊的骨骸經常出現在洞穴里。但是當地一位教師發現，這副骨骸跟人類的親緣關係近得多。這些骨頭的主人身份成為爭議的焦點，其中尤以頭骨上厚厚的眉脊最令人費解。最奇特的說法是，這些骨骸屬於一位受傷的哥薩克騎兵，他在拿破崙戰爭期間爬進這個洞穴後死亡。這個怪異的理論表明，這個可憐的傢伙原先就有慢性病，老是皺著眉頭，致使額部中間永久凹陷，且讓眉脊特別突出。達爾文的《物種起源》出版後，引起各界對人類起源的熱烈爭論，4年後，也就是1863年時，這些在德國出土的骨骸主人被命名為尼安德特人（Homo neahalensis）。他們屬於一種跟智人（Homo sapiens）不同但相似的物種。
雖然這副在德國出土的骨骸是最早被正式命名為尼安德特人的，但現在已經確認，更早在比利時和直布羅陀發現的骨骸也屬於相同的物種。一個世紀後，更多的尼安德特人骨骸出土。現在的看法是，尼安德特人曾在歐洲、中東各處，以及北非部分地區定居，直到大約3萬年前左右。尼安德特人之所以會有愚蠢笨拙的形象，大多是法國古生物學家布勒（Marcellin Boule）所造成的。他重建尼安德特人的材料取自法國的聖沙拜爾（La Chapelle-aux-Saints），而且是根據單一骨骸作出的，這副骨骸最後被發現是屬於一位患有關節炎的老人的。事實上，尼安德特人的腦稍微比我們大一點（而且因為顱骨較平，所以形狀跟我們不同）。埋葬地點的證據顯示，尼安德特人的文化先進，已經有埋葬儀式，因此他們可能已經有來生的觀念。
然而，尼安德特人引發的最大爭議，主要在於他們跟我們的親緣關係，而不在於他們有多聰明。我們是他們的後代嗎？古生物學顯示，現代人大約在尼安德特人消失時抵達歐洲。這兩個群體之間是否曾經通婚，還是尼安德特人被現代人消滅了？由於這些事件發生在遠古時代，現存證據又殘缺不全（只有一些零星的骨骸），這類的爭論還會延續許久，讓學院派的古生物學家和人類學家樂此不疲。在尼安德特人典型的厚骨和現代人較輕的骨頭之間，是否有另一種骨頭存在？這類骨頭有可能是這兩個群體的混種，一個「失落的環節」。但它們也可能完全屬於尼安德特人，只不過是某一位骨頭特別輕的尼安德特人，或者它們有可能完全屬於現代人，只不過是一位骨頭特別厚的現代人。
令大家驚訝的是，這個爭議已經由DNA解決：1997年從1856年出土的骨骸中取出的DNA，已有3萬年之久。DNA的進化正是為了安全地保存信息，使其能代代相傳，因此它的化學穩定性高，不會自動降解，也不會輕易和其他分子起作用。但它並非不會受到化學破壞。在死亡時，身體里的遺傳數據會跟其他的成分一樣，變得容易受許多降解者影響，這些降解者包括化學反應物質，以及能分解分子結構的酶。這些化學反應需要水，因此如果屍體脫水的速度夠快，DNA就有可能保存下來。但是即使在理想的保存狀況下，DNA分子可能頂多只能保存5萬年。因此，要從已經有5萬年之久、保存得並不好的尼安德特人骨骸里取出易讀的DNA序列，實在是很不容易的事。
但是在德國慕尼黑大學，身材高大、說話簡潔的瑞典人帕博（Svante Pǎǎbo）決定嘗試解決這個問題。如果世上有人能做到，恐怕非他莫屬。帕博是萃取所謂的「古代DNA」的先驅，先前他曾成功地取出埃及木乃伊和冰凍長毛象的DNA；1991年，有5000年歷史的「冰人」因阿爾卑斯山冰河溶化而出土後，他也曾取過冰人的DNA。然而，儘管有這些了不起的成就，要鑽到珍貴的尼安德特人遺骨里尋找完整的DNA，就算真的找得到，也是一項非常艱巨的任務。他的同事，考古學家史密茲（Ralf Schmitz）回憶道：「那就像是拿到割開《蒙娜麗莎的微笑》的許可證一樣。」
帕博的研究生克林斯（Matthias Krings）負責執行這個計畫。起初他不太樂觀，但是在對遺骨的保存狀態進行評估之後，初步的分析結果讓他決定大膽做下去。克林斯的做法跟一般的預期不同，他不是在細胞核中搜尋DNA，而是把焦點放在微小的線粒體（mitodria）上。線粒體位於細胞核外，遍布細胞各處，製造細胞所需要的能量。每個線粒體包含一小股DNA，長約1.66萬個鹼基對。由於每個細胞里有500個到1000個線粒體，而細胞核里只有兩套基因組，所以克林斯知道就這些腐敗的尼安德特人遺骨而言，在線粒體中找到完整序列的可能性，要比從細胞核中找到完整序列高得多。此外，由於線粒體DNA（簡稱mtDNA）長久以來是研究人類進化的主要對象之一，所以他有充分的現代人序列可供比較。
克林斯和帕博最擔心的事情是污染。在定序古代DNA上有過許多例子，原先以為成功了，後來卻發現這些古代樣本曾遭到現代來源污染，得出的序列其實是錯誤的。我們每天都會有大量皮膚細胞脫落，許多DNA隨之進入周遭環境，天曉得最後到了哪裡。克林斯想用聚合酶連鎖反應來擴增他想找的線粒體DNA片段，但聚合酶連鎖反應非常敏感，即使只是一個分子都會引發作用，擴增它所遇到的任何DNA，無論這個DNA的來源是古代生物還是現代的活生物。萬一尼安德特人的DNA降解得太厲害，以致聚合酶連鎖反應無法對它發揮作用，卻因為克林斯身上脫落的微小物質污染了古代樣本，導致聚合酶連鎖反應還是發生了，但擴增的卻是污染源的DNA序列，那怎麼辦？如此一來，克林斯或許就得解釋一下他和尼安德特人為什麼剛好有相同的線粒體DNA序列。這對這位年輕人的頂頭上司來說，肯定不是一個令人開心的結果，更不用說他的父母了。為了確保這種事不會發生，克林斯和帕博找了美國賓夕法尼亞州立大學的史東金（Mark Stoneking）實驗室來依樣重作他們的研究。那裡也可能會有污染，但是至少不會是被克林斯的DNA污染，畢竟克林斯遠在另一個大陸上。如果兩個實驗室從這個樣本獲得相同的結果，就可以合理假設他們找到了真正的尼安德特人序列。
克林斯在談到他第一眼看到定序結果時說：「那是一種無法形容的興奮感，好像有什麼東西爬上我的背脊。」雖然，如同原先的憂慮，有些序列證明已被污染，但他也在一些其他的序列上看到很不可思議的結果：這些序列跟現代人的序列不同，但又具有令人好奇的相似處。把片段拼湊起來後，他重建出尼安德特人的線粒體DNA，總共有379個鹼基對。但是當時賓州的結果還沒出來。不過最後證明他們的序列是相同的，都有一模一樣的379個鹼基對。克林斯回憶說：「直到那時，我們才開香檳慶祝。」
這個尼安德特人序列跟現代人線粒體DNA序列之間的共同點，比它與黑猩猩之間多，這說明尼安德特人無疑是人類進化譜系中的一支。但在此同時，尼安德特人的序列，和克林斯拿來作比較的全部986個現代人線粒體DNA序列之間，也有驚人的差異。在這當中，即使是跟尼安德特人的序列最接近的現代人線粒體DNA序列，至少也有20個鹼基對（佔5%）是不同的。後來，另外兩個尼安德特人（分別在俄羅斯西南部和克羅埃西亞出土）的線粒體DNA也被定序，而且如同預期，這兩個序列跟首先被定序的那一個並不完全一樣（尼安德特人之間自然也會有變異，如同現代人之間），但它們很類似。
基於這些遺傳證據，我們可以下結論說：尼安德特人在人類及其親戚的進化樹上，的確佔有一席之地，但他們那條分支跟現代人這條分支相距很遠。如果3萬年前他們在歐洲相遇時，尼安德特人和現代人真的曾經混種，尼安德特人的線粒體DNA應該會進入現代人的基因庫。但是我們並沒有看到這類輸入的證據，這顯示現代人消滅了尼安德特人，而不是跟他們混種。至於他們是在直接的衝突中消滅了尼安德特人，還是經由比較細膩的方式，就不是DNA可以告訴我們的了。
尼安德特人DNA的研究已經證明，我們和他們在遺傳上明顯不同。但就整體而言，有關人類進化的分子學研究似乎朝相反的方向發展：它們顯示我們和自然界其餘生物的遺傳關係近得驚人。事實上，分子資料經常對以往有關人類起源的假設提出質疑，甚至推翻它們。
偉大的化學家泡令是從分子層面來研究進化的先驅。在20世紀60年代早期，他和分子進化學家祖克坎德爾（Emile Zuckerkandl）比較了數個物種之間相應蛋白質的氨基酸序列。當時正值蛋白質定序的初期階段，數據自然相當有限。但是他們注意到一個驚人的模式：兩個