AIが考古学に参入！科学者らはディープラーニングアルゴリズムを使用して、約100万年前に人類が火を使用していた証拠を発見した。PNASに掲載。

火の使用はホモ・サピエンスの進化における重要な要素であり、より複雑な道具の作成を可能にしただけでなく、食物をより安全にし、それによって脳の発達にも貢献しました。

現在までに、50万年前に遡る火の使用の証拠が発見された遺跡は、南アフリカのワンダーワーク洞窟とスワルトクランズ、ケニアのチェソワンジャ、イスラエルのゲシェル・ベノット・ヤアコフ、スペインのクエバ・ネグラの5か所のみである。

現在、イスラエルの研究チームが人工知能アルゴリズムを使用して、人類が火を使用した痕跡を示す6番目の遺跡を発見しました。この研究は、イスラエルの後期旧石器時代の遺跡で人類が火を使用していた証拠を明らかにした。研究結果はPNAS誌に掲載されました。

論文アドレス: https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2123439119

1 AIが考古学に参入

古代人類の遺跡における火の使用を特定するための従来の考古学的方法は、主に、土壌の赤化、変色、反り、ひび割れ、収縮、黒ずみなど、変化した堆積物、岩の破片、骨の視覚的評価に依存しており、当時の人類による火の使用の普及を過小評価する可能性があります。

この研究では、著者チームはラマン分光法とディープラーニングアルゴリズムに基づくスペクトル「温度計」を開発し、フリント遺物の熱暴露を推定し、極度の高温によって歪んだ物質の原子構造を検出することで、火の痕跡の視覚的特徴の欠如を補いました。

研究によると、イスラエルの初期旧石器時代の屋外遺跡であるエブロン採石場には、100万年前から80万年前にさかのぼる焼けた動物の遺骸や岩の破片が含まれていることがわかった。

キャプション: 左から右へ: フィリペ・ナタリオ、イド・アズーリ、ゼイン・ステプカ

研究チームはまず、1976年から1977年にかけてエヴロン採石場で発掘された資料を調査したが、土壌の赤化、石器の変色やひび割れ、動物の死骸の収縮や変色など、熱に関連した特徴を示す視覚的に明らかな証拠は見つからなかった。

図: エヴロン採石場の考古学的発掘現場

チームは、従来のデータ分析方法、機械学習モデリング、より高度なディープラーニングモデルなど、さまざまなアプローチをテストしました。人気のディープラーニング モデルには、他のモデルよりも優れた特定のアーキテクチャがあり、AI テクノロジを使用する利点は、材料の化学組成を分析し、それを使用して熱暴露を推定できることです。

AI技術は、現代のフリントが燃焼したかどうかを確実に判別でき、燃焼した温度も明らかにすることができます。火の熱は近くの石に変化を引き起こし、燃焼によって原子レベルで骨の構造が変化し、それに応じて赤外線スペクトルも変化します。

この研究では、研究チームはディープラーニングモデル（1次元畳み込みニューラルネットワーク）を使用して、フリント石器のラマンスペクトルパターンを学習し、石器の温度を推定しました。完全に接続された人工ニューラル ネットワーク (FC-ANN) と比較すると、提案されたモデルは他のモデルよりも優れたパフォーマンスを発揮し、実際の温度と推定温度間の平均絶対誤差を 118 °C から 103 °C に削減しました。

まず、研究チームはイスラエルのさまざまな場所から収集した現代のフリント石を事前に準備し、実験室で管理された条件下で既知の温度まで加熱した。次に、トレーニングされたモデルを未知のサンプル（エヴロン採石場から収集された石器など）に適用しました。研究チームは、教師ありディープラーニングのアプローチを使用して、ラマンスペクトルとフリントの加熱温度を相関させました。このアプローチは、フリントの有機および無機成分における不可逆的な熱誘起構造変化に依存し、フリント固有の変動性を克服します。温度推定にディープラーニング モデルを使用する利点は、α-石英、モガナイト、D バンドおよび G バンドのスペクトル領域における熱と熱によるスペクトル変化との間の非線形決定境界を近似できることです。

下の画像では、石は視覚的に火で焼かれた形跡はありませんが、ディープラーニングモデルを使用して石から収集された紫外線ラマンスペクトルから熱暴露を推定すると、200°Cから600°Cに加熱されたことがわかりました。これは、古代の人類が自然の山火事を利用するだけでなく、火を制御する能力を持っていたことを示唆しています。

2フォローアップディスカッション

研究チームは、発掘された骨についても、火で焼かれたことを確認する実験を行った。著者の一人であるチャザン氏は、「人工知能によって検証されたフリントの結果がなければ、これらの骨の熱暴露をテストする人は誰もいなかっただろう」と述べた。

研究では、遺跡の道具が自然火災で焼かれたのか、人工火災で焼かれたのかを判定できなかった。自然火災では通常、焼失地域全体で均一な温度変化が生じるため、焼け跡によって生じた空間的な変化は、人間の介入の証拠として解釈できます。

著者らは、山火事や植生の不均一性によって地域全体の気温分布が不均一になる可能性もあること、また気温は山火事と人工火災の区別に信頼できる基準ではないことを認めている。しかしそれにもかかわらず、石器時代の道具の推定温度と焼けた動物の存在は、その遺跡の古代人が火を使用していた可能性を依然として示唆している。

将来的には、この研究で使用された手法が他の後期旧石器時代の遺跡にも拡張される可能性があり、それにより初期人類と火の関係についての時空間的理解が広がり、初期の人類の生活への窓が開かれる可能性がある。