Archäologie und KI-Computing Technologie bringt das Gestern ins Heute

Ein Gastbeitrag von Liu Jun*

Künstliche Intelligenz (KI) ist aus der Wissenschaft nicht mehr wegzudenken. Liu Jun von Inspur zeigt den Wert von KI-Computing für die Archäologie auf.

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Liu Jun, Vice President und General Manager, AI und HC, von Inspur Information
Liu Jun, Vice President und General Manager, AI und HC, von Inspur Information
(Bild: Inspur)

In der Archäologie geht es im Allgemeinen um die Suche nach historischen Spuren in antiken Schriften und Relikten. Seit dem 20. Jahrhundert gab es in dieser Wissenschaft zwei große technologische Revolutionen:

Die erste technologische Revolution begann im Jahr 1949, als Forscher die Kohlenstoff-14-Datierungsmethode entwickelten. Dieses Verfahren ermöglichte es, das Alter von kulturellen Relikten, Fossilien und Ruinen anhand der Messung des Kohlenstoff-14-Zerfalls einzuschätzen und in Epochen einzuordnen.

Die zweite technologische Revolution nennt sich Molekulararchäologie: Sie läutete in den ersten zehn Jahren des 21. Jahrhunderts eine goldene Zeit für die Forschung rund um antike Relikte ein. Die DNA ist der wichtigste Träger der biologischen Erbinformation. In den letzten Jahrzehnten wurden enorme Fortschritte bei der Gensequenzierung und Datenverarbeitung erzielt.

Die erfolgreiche Anwendung der Gensequenzierung bei der Untersuchung antiker DNA ermöglicht es Wissenschaftlern, molekulararchäologische Studien an den Überresten antiker Menschen, Pflanzen und Tiere auf DNA-Ebene durchzuführen. Mit dieser Methode ist man in der Lage, wie durch ein geöffnetes Fenster in den Alltag unserer Vorfahren zu blicken. Die DNA antiker Lebewesen aus den vergangenen Jahrtausenden ist die Grundlage dafür.

Tiefgehende Einblicke in vergangene Zeiten

Inzwischen können wir die Migration und Evolution des Menschen somit aus einer tiefergehenden Perspektive betrachten. Heute können wir mithilfe der Kohlenstoff-14-Datierung das Alter von Relikten aus der Vergangenheit schätzen und den evolutionären Prozess des Lebens durch die Erforschung antiker DNA ableiten. Dieser innovative Ansatz verbindet Technologie und Archäologie – kurz Deep History genannt.

Bei diesem Prozess reicht jedoch eine DNA-Sequenz aus den paläontologischen Überresten allein nicht aus, um die Geschichte tiefgreifend zu rekonstruieren. Wir müssen auch die vom Sequenziergerät erzeugten DNA-Sequenzfragmente vergleichen und zusammensetzen. So erhalten wir das gesamte paläontologische Erbgut und können die Genvariationen und -evolution untersuchen.

Die Analyse des gesamten Genoms kann jedoch nicht allein manuell durchgeführt werden, sondern bedarf der Hilfe von Hochleistungscomputern und künstlicher Intelligenz. Sie unterstützen Forscher darin, die wissenschaftlichen Prozesse und Verfahren in der Archäologie zu beschleunigen. Durch die Leistung von Computern zur Prozessbeschleunigung und -unterstützung der molekularen Archäologie kann KI einen großen Beitrag zur Erforschung von vergangenen Kulturen leisten.

KI-Computing beschleunigt die Entschlüsselung antiker menschlicher Gene

Die unterstützende Rolle der künstlichen Intelligenz sollte ausgehend von den Grundprinzipien der Molekulararchäologie betrachtet werden. Dabei handelt es sich um die Sequenzierung paläontologischer Überreste anhand der DNA. Es ist bekannt, dass antike Spuren von biologischen Überresten stammen.

Diese sind oft tausende Jahre alt, weshalb sie nur noch wenige verwertbare DNA-Spuren enthalten. Man geht davon aus, dass der wesentliche DNA-Gehalt in antiken Überresten nur 2/10.000 beträgt, der Rest sind Verunreinigungen.

Es gilt folglich herausfinden, wie diese 2/10000 der wesentlichen DNA mit technischen Mitteln extrahiert und das gesamte Genom nach der Extraktion sequenziert und analysiert werden kann. Am Beispiel des Menschen lässt sich das wie folgt verdeutlichen: Das gesamte menschliche Genom besteht aus drei Milliarden Basenpaaren. Bei der Gensequenzierung werden diese drei Milliarden Basenpaare in Tausende zufällige DNA-Fragmente zerlegt.

Mit Sequenziergeräten erhält man die Sequenzinformationen der DNA-Fragmente, die dann mit Hilfe von Berechnungen zusammengesetzt werden. Man kann sich dies bildlich so vorstellen, dass sich die drei Milliarden Basenpaare der menschlichen Gene bei der Sequenzierung in Millionen kleine Puzzlestücke verwandeln.

DNA-Rekonstruktion als Ziel

Die Aufgabe der Archäologen besteht nun darin, diese Millionen Puzzlestücke wieder zusammenzusetzen, um das menschliche Genom möglichst vollständig zu rekonstruieren. In den Anfangszeiten wurde dafür normales Computerzubehör wie CPUs verwendet – mit dem Effekt, dass dieser Prozess bis zu zwei Wochen dauern konnte. Es galt und gilt also, die Zeit der Datenverarbeitung zu verkürzen. Damit können Forscher mehr Zeit und Energie für die Interpretation der Ergebnisse aufwenden und schneller innovative wissenschaftliche Forschungsergebnisse erzielen.

Mithilfe von KI-Computing ist Inspur in der Lage, die Rekonstruktion des gesamten Genpuzzles zu beschleunigen. Im Rahmen des chinesischen Forschungsprojekts zur genetischen Evolution des Urmenschen im ersten archäologischen DNA-Labor Chinas ("Paläoanthropologie-Projekt"), unterstützten wir die Wissenschaftler mit der FPGA-Beschleunigungstechnologie (Field Programmable Gate Array").

Dieses System ermöglicht es den Archäologen, die gesamte Genomanalyse innerhalb von nur 9,64 Stunden und die Exomanalyse in 48 Minuten durchzuführen. Verglichen mit dem CPU-basierten System ist diese Gendatenverarbeitung 39-mal schneller – das heißt, dass die Wissenschaftler den gesamten Genvergleich und die Rekonstruktion antiker menschlicher Gene in 1/40 der ursprünglichen Zeit durchführen können.

Evolution der Gene

Nach dem Genomabgleich und der Genomrekonstruktion wird im nächsten Schritt die Analyse der Genevolution vorgenommen. Es ist bekannt, dass DNA kopiert wird – vor allem, wenn sie von den Eltern an die Kinder weitergegeben wird. Auch Mutationsinformationen werden kopiert und an die nächste Generation vererbt.

Mutationen nehmen im Laufe der Zeit zu und ermöglichen es Forschern, bestimmte Ketten der genetischen Evolution zu identifizieren und die Zeitzuordnung anhand der akkumulierten Mutationen vorzunehmen. Solch genetische Mutationen aufzuspüren ist allerdings sehr aufwändig. Und warum ist es schwieriger, sie auf dem „traditionellen Weg“, also ohne KI-Unterstützung zu finden?

Ein Beispiel: Es gibt Milliarden Menschen auf der Welt. Das Gesetz der Evolution des gesamten menschlichen Genoms zu finden, ist eine gigantische Aufgabe. Wenn dann noch Zeitreihen hinzugefügt werden, um nach Veränderungen im gesamten menschlichen Genom zu suchen, die auf Veränderungen in der Vergangenheit basieren, gleicht es der Suche nach einer Nadel in einem kosmischen Heuhaufen. Künstliche Intelligenz kann jedoch helfen, den Heuhaufen zu sortieren und zu durchforsten: Computer mit künstlicher Intelligenz sind für derartige Aufgaben prädestiniert.

Die Erfindung

Wie kann man künstliche Intelligenz in der wissenschaftlichen und technologischen Archäologie weiter einsetzen? Im Rahmen des Paläoanthropologie-Projekts baten wir die Forscher zunächst, ihre Anwendungen durch die FPGA-Beschleunigungsanwendungen zu optimieren und dann die künstliche Intelligenz zu nutzen.

Damit sind wir in der Lage, sie bei der Suche nach den Genen, die sie untersuchen wollen, und den Genmutationen zu unterstützen. Es entstand quasi ein neues, praktisches Werkzeug für diese uralte Forschungsdisziplin, vergleichbar mit der Erfindung von Mikroskopen und Teleskopen in der Geschichte der Wissenschaft.

Die wissenschaftliche und technologische Innovation von heute ist ein Prozess, der auf Teamarbeit und kollaborativer Innovation beruht. Im Hinblick auf intelligente Informatik liegt der Schlüssel des Erfolgs in einer engen Zusammenarbeit mit den jeweiligen Forschern, um wissenschaftliche Forschung und Entwicklung direkt und unmittelbar zu unterstützen.

* Liu Jun ist Vice President und General Manager, AI und HC, von Inspur Information.

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