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Mientras Homo sapiens surgió en África hace unos 200 000-180 000 años, desde donde migró hace entre 100 000 y 60 000 años al resto del planeta, los neandertales son descendientes del Homo heidelbergensis europeo. El hallazgo del Homo antecessor en Atapuerca ha esclarecido el significado de la mandíbula aparecida en 1907 en Mauer, cerca de Heidelberg (Alemania), la cual coincide cronológicamente con los Homo erectus, pero difiere de estos y de los neandertales, concluyéndose que quizás fuera un estadio intermedio entre Homo erectus u Homo ergaster y neandertales. El origen de los neandertales se remonta hasta la Glaciación de Mindel (entre 400 000 y 350 000 años atrás) durante la cual los cambios climáticos y el aumento del casquete polar ártico aparentemente obligaron a las poblaciones europeas de H. heidelbergensis a refugiarse del frío en las penínsulas del sur del continente.
Estas migraciones produjeron el aislamiento de las poblaciones de H. heidelbergensis, induciendo un cuello de botella en las poblaciones y favoreciendo así la especiación. Una vez finalizada la glaciación, las poblaciones de heidelbergensis habían comenzado a adquirir ya rasgos propios de los neandertales. Finalmente, hace entre 230 000 y 200 000 años, los H. heidelbergensis habían adquirido los suficientes rangos físicos como para ser diferenciados en una nueva especie, el Homo neanderthalensis Un cráneo exhumado en Steinheim (Alemania) datado en 250 000 a. C. podría corresponder a la misma especie de Homo heidelbergensis o preneandertaliense. En dichos casos se trata de la glaciación de Mindel o del interglaciar Mindel-Riss, respectivamente. El último de estos cráneos está más evolucionado aún que la mandíbula del primero, pero su capacidad craneal es baja (poco más de 1150 cc). El descubrimiento del genoma completo del neandertal ha ayudado a establecer de forma más exacta los tiempos de divergencia entre las distintas estirpes.
Los sapiens se separaron de los neandertales y de los denisovanos hace 571 000 años, mientras que los neandertales y los denisovanos lo hicieron hace 381 000 años. En la península ibérica hay pruebas de su existencia desde hace unos 230 000 años hasta hace aproximadamente 28 000 años, como indican estudios recientes.21 Población Se ha estimado que la población de neandertales fue más o menos constante durante los 200 000 años que existieron y de tan solo unos 7000 individuos en todo el continente europeo. Se estima que la época de apogeo se produjo hace unos 100 000 años (con base en las pruebas aportadas por los instrumentos líticos), momento en el cual alcanzaron una distribución que cubría la mayor parte de Europa, Oriente Medio, la zona oeste de las llanuras de Asia Central, e incluso pudieron haber llegado hasta las costas del Pacífico. Tras este período de esplendor comenzó su lento declive, el cual fue acelerado con la llegada del Homo.