Forschungsgruppe für Systemarchäologie

Forschungsgruppe für Systemarchäologie

Vielleicht wird die Suche nach Regelmäßigkeiten in unserer Vergangenheit ein wenig ernster genommen - das wäre schon ein Zeichen, dass wir gelernt haben, über unsere Zukunft nachzudenken.“  Murray Gell-Mann, Nobelpreisträger für Physik und Mitbegründer des Santa Fe Institute.

Auf der Suche nach Gell-Manns Vision entwickelt die Forschungsgruppe Systemarchäologie das Feld der Geschichtswissenschaft auf der Grundlage der Theorie dynamischer Systeme. Die Forschungsgruppe setzt dabei auf interdisziplinäre Methoden, um vergangene menschliche Aktivitäten und ihre Umwelteinflüsse in Raum und Zeit genau und präzise zu beschreiben. Mit Hilfe von Modellen, die auf große Mengen unterschiedlicher Paläodaten angewandt werden, untersucht die Forschunsgruppe die kausalen Mechanismen hinter der gesellschaftlichen Dynamik unserer Vergangenheit. Oberstes Ziel ist es, historisches Wissen zu schaffen, das von Risikoanalysten und politischen Entscheidungsträgern bei der Bewältigung heutiger kollektiver Herausforderungen sinnvoll eingesetzt werden kann. Derzeit verfolgt die Gruppe folgende Forschungsthemen:

  • Menschliches Handeln in komplexen dynamischen Systemen
  • Entstehung und Auswirkungen technischer Innovationen
  • Aufbau von Handelsnetzwerken für Materialien und Informationen
  • Aufstieg und Fall historischer Gesellschaften
  • Rückkopplungsmechanismen zwischen menschlichen, ökologischen und klimatischen Systemen
  • Wechselwirkungen zwischen sozioökonomischen Ungleichheiten und sozialer Dynamik

Ein integraler Bestandteil unserer Arbeit ist Anwendung von Big Historical Data gemäß den FAIR-and-CARE-Prinzipien durch die Pandora & IsoMemo-Initiativen. Eine weitere Komponente dieser Initiativen ist die Entwicklung fortschrittlicher Open-Source-Modellierungswerkzeuge zur Rekonstruktion verschiedener Aspekte vergangener Mensch-Umwelt-Systeme und zur Untersuchung historischer Ursachen (weitere Einzelheiten unter dem Projekt Pandora & IsoMemo). Diese Arbeiten werden im Rahmen des Labors für Computational Archaeology (CA-Labor) und in Zusammenarbeit mit mehreren internationalen Einrichtungen durchgeführt.

Darüber hinaus generiert die Forschungsgruppe auch neue Daten: Sie beaufsichtigt den Betrieb des Radiokohlenstofflabors (14C-Labor), einer nasschemischen Einrichtung, in der die automatische Graphitierungsanlage Ionplus AGE 3 und tragbare XRF- und FTIR-Geräte zur Bewertung der Probenkonservierung untergebracht sind. In Zusammenarbeit mit der AMS-Anlage des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie setzen wir Radiokohlenstoff ein, um die Chronologie vergangener Ereignisse zu erstellen und als Tracer zur Untersuchung einer Vielzahl von Umweltphänomenen. Gemeinsam mit der Forschungsgruppe Biochemie leiten wir das Labor für verbindungsspezifische Isotopenanalyse (CSIA-Labor), das mit einem Gaschromatographie-Verbrennungsisotopen-Verhältnis-Massenspektrometer (elementar isoprime visION System) ausgestattet ist. In Zusammenarbeit mit der Gruppe für stabile Isotope setzen wir Isotopenmethoden zur Untersuchung vergangener Gesellschaften und Umwelten ein und betreiben Grundlagenforschung, um ihre Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.

Forschungsprojekte

Pandora & IsoMemo Initiativien zur Zusammenstellung und Modellierung von Big Historical Data

Projektmitglieder: Sean Hixon, Carlo Cocozza, Marcus Groß, Jian Roachell, Traci N Billings, Adam Izdebski, Patrick Roberts, Ricardo Fernandes

Ein solides Verständnis historischer Dynamiken im Rahmen eines Systemansatzes erfordert große Mengen unterschiedlicher Daten. Diese sollten als verknüpfte offene Daten strukturiert werden, damit die verschiedenen Systemkomponenten effizient miteinander verbunden werden können. Um dies zu erreichen, haben wir in Zusammenarbeit mit der Max Planck Computing and Data Facility und der Max-Planck-Bibliothek sowie ca. 60 internationalen Partnern die Datenplattform Pandora entwickelt. Pandora ist eine Basisinitiative, die die Schaffung von unabhängig verwalteten Datengemeinschaften und größeren kollaborativen Datennetzwerken fördert. Dazu gehört das IsoMemo-Netzwerk, das ca. 40 frei zugängliche Datenbanken verbindet, die Isotopendaten über die Umweltgeschichte der Erde und ihrer menschlichen Bewohner von der tiefen Vergangenheit bis zur Gegenwart sammeln. Die über Pandora gesammelten Daten werden verwendet, um historische Hypothesen zu testen und in datengesteuerten Ansätzen, die historische Muster zu erkennen suchen.

Wir entwickeln außerdem neue, auf R basierende, Modellierungswerkzeuge. Diese werden online über die Open-Source-Softwareplattform Pandora & IsoMemo zur Verfügung gestellt und sind darauf ausgelegt, typische Aspekte historischer Daten wie fehlende Daten, Datenunsicherheiten und die Abhängigkeit von Experteninformationen zu berücksichtigen. Wir verwenden eine Bayes'sche Modellierung von Proxydaten und Experteninputs, um hochauflösende Rekonstruktionen verschiedener Aspekte zu erstellen, die vergangene Mensch-Umwelt-Systeme charakterisierten. Techniken des maschinellen Lernens, wie Bayes'sche Netzwerke und nichtlineare Modellauswahlalgorithmen, werden zur Untersuchung historischer Kausalität eingesetzt. Wir entwickeln und/oder arbeiten mit an der Entwicklung von Modellen und Software, um verschiedene Aspekte komplexer Systeme zu untersuchen, wie z. B. die Untersuchung zyklischer menschlicher und ökologischer Phänomene, die Erkennung kritischer Übergänge und ihrer Warnzeichen, die Simulation aufkommender Phänomene unter Verwendung agentenbasierter Modelle und die Netzwerkanalyse.

Pandora & IsoMemo tragen ebenfalls zur direkten Datenerhebung bei, die jedoch meist von den Mitgliedern des Netzes durchgeführt wird. Es laufen mehrere Forschungsprojekte, bei denen neu entwickelte Modellierungswerkzeuge auf die gesammelten Datensätze angewendet werden. Dazu gehören Projekte zur Untersuchung der Ausbreitung von Völkern, Haustieren und Technologien auf kontinentaler Ebene, zur Ermittlung der Ursachen für das Aussterben von Arten und zur Untersuchung nicht erfolgreicher menschlicher Anpassungen an den Klimawandel.

Künstliche Intelligenz zur Nachverfolgung, Zusammenstellung und Modellierung von Fachinformationen

Projektmitglieder: Jian Rochell, Ricardo Fernandes

Wir stehen einem Überfluss an wissenschaftlichen Informationen gegenüber. Idealerweise sollten bei der Entwicklung eines Modells alle verfügbaren Daten aus allen veröffentlichten Aufzeichnungen ausgewertet werden, die zur Beschreibung der verschiedenen Komponenten verwendet werden können. Für die historische Forschung ist dies in hohem Maße von Expertenmeinungen abhängig, die eine Vielzahl von Daten mit Hilfe von Textbeschreibungen kondensieren. Die Zusammenstellung dieser Art von Wissen durch einzelne Forscher wird jedoch angesichts der großen Menge an wissenschaftlicher Literatur und ihres schnellen Wachstums immer schwieriger. Um dieses Problem anzugehen, führen wir in Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Bibliothek und IBM Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) ein, um den Prozess des Aufspürens und der Extraktion von Expertenwissen aus schriftlichen Veröffentlichungen zu automatisieren. Das KI-System ist in der Lage, Expertenaussagen zu einem ausgewählten Thema zu finden und einen narrativen Überblick über die Pro- und Contra-Argumente zu erstellen. Wir planen, das KI-System zu nutzen, um den Expertenkonsens zu bewerten, den Grad der Expertise zu validieren und Expertenaussagen automatisch in historische Modelle einzubeziehen.

Der Fall des römischen Reiches - systematisch untersucht

Projektmitglieder:  Jian Rochell, Ricardo Fernandes

Der Zusammenbruch des Weströmischen Reiches ist seit langem Gegenstand wissenschaftlicher Forschung und des öffentlichen Interesses. Die genauen Ursachen des Zusammenbruchs sind jedoch nach wie vor nicht bekannt.  Alexander Demandt zählte 210 verschiedene Ursachen für den Zusammenbruch aus der veröffentlichten Literatur auf. Bei der Aufarbeitung dieses Themas verwenden wir einen multivariaten Ansatz auf der Grundlage der Theorie komplexer Systeme, der die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Mensch-Umwelt-Subsystemen (z. B. sozioökonomische, politische, kulturelle, technologische, ökologische und klimatische) berücksichtigt. Um vergangene Systeme zu charakterisieren, sammeln und standardisieren wir bereits veröffentlichte Daten und führen neue Datenerhebungen durch. Neuartige Modellierungsmethoden für die Untersuchung historischer Ursachen werden auf die gesammelten Daten angewandt. Für die Zukunft planen wir, ähnliche Ansätze bei der Untersuchung anderer vergangener Gesellschaften anzuwenden.

Menschliche Lebensweisen im antiken Mittelmeerraum

Projektmitglieder: Carlo Cocozza, Dominika Schmidtová, Linda Melicherová, Ricardo Fernandes

In den letzten Jahren stand der Mittelmeerraum im Mittelpunkt des internationalen Interesses, da wirtschaftliche Zusammenbrüche, bewaffnete Konflikte und die durch den Klimawandel ausgelöste Verknappung der natürlichen Ressourcen zu einer Vielzahl von Reaktionen geführt haben, die von leichten sozialen Unruhen bis hin zu großen humanitären Krisen und Massenmigrationen reichen. Solche Probleme sind nicht neu, und die Gesellschaften des Mittelmeerraums haben im Laufe ihrer Geschichte die Folgen von Klima- und Umweltkatastrophen, Pandemien und bewaffneten Konflikten erlebt. Ziel dieses Projekts ist es, unser Verständnis für die Auswirkungen solcher Ereignisse auf die Lebensweise der Menschen im Mittelmeerraum und seiner Peripherie zu verbessern. Wir verwenden Multi-Proxy-Ansätze (z. B. Isotope, osteologische Analysen, archäofaunistische und archäobotanische Studien) und Bayes'sche Modellierung, um die Lebensbedingungen und produktiven Aktivitäten vergangener Bevölkerungen zu rekonstruieren und diese in ihren historischen und ökologischen Kontext zu stellen. Das Projekt stützt sich auf neuartige Standortstudien (z. B. Sparta, Athen, Rom, Ostia, Pompeji und Persepolis) und auf standardisierte Zusammenstellungen veröffentlichter Daten.

Entwicklung von Multi-Isotopen-Methoden für die Untersuchung vergangener Mensch-Umwelt-Systeme

Projektmitglieder: Sean Hixon, Ricardo Fernandes

Unsere Forschungsgruppe produziert neue historische und paläoökologische Daten in den Labors für Radiokohlenstoff- und verbindungsspezifische Isotopenanalyse. Letzteres steht unter gemeinsamer Leitung mit der Forschungsgruppe Biochemie, und das erstere ist Teil einer Zusammenarbeit mit dem AMS-Labor des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie. Isotope sind ein vielseitiges Forschungsinstrument, das für die Erstellung von Chronologien und die Untersuchung vergangener menschlicher Lebensbedingungen, wirtschaftlicher Aktivitäten, Austauschnetze, technologischer Entwicklungen und paläoökologischer und klimatischer Bedingungen eingesetzt wird. Die Grundlagenforschung zielt darauf ab, das Spektrum der Informationen zu erweitern, die mit isotopischen Methoden gewonnen werden können, die Genauigkeit und Präzision von Paläorekonstruktionen zu verbessern und den Schutz des kulturellen Erbes zu gewährleisten. Wir entwickeln neuartige Laborprotokolle für die Analyse archäologischer Proben, richten Verfahren zur Bestimmung der Probenkonservierung mit tragbaren FTIR- und XRF-Geräten ein und stützen uns auf fortschrittliche Massenspektrometrietechniken, um Messungen für eine Vielzahl von isotopischen Proxies durchzuführen.

Veröffentlichungen

Cocozza, C.; Cirelli, E.; Groß, M.; Teegen, W.-R.; Fernandes, R.: Presenting the Compendium Isotoporum Medii Aevi, a multi-isotope database for Medieval Europe. Scientific Data 9 (1), 354 (2022)
Fernandes, R.; Sponheimer, M.; Roberts, P.: TOOTHFIR: Presenting a dataset and a preliminary meta-analysis of Fourier Transform Infra-red Spectroscopy indices from archaeological and palaeontological tooth enamel. (2022)
Larsen, T.; Fernandes, R.; Wang, Y.; Roberts, P.: Reconstructing hominin diets with stable isotope analysis of amino acids: new perspectives and future directions. Bioscience, biac028 (2022)
Peyroteo-Stjerna, R.; Simões, L. G.; Fernandes, R.; Lopes, G.; Günther, T.; Jakobsson, M.: Multidisciplinary investigation reveals an individual of West African origin buried in a Portuguese Mesolithic shell midden four centuries ago. Journal of Archaeological Science: Reports 42, 103370 (2022)
Jarosz, A.; Robbeets, M.; Fernandes, R.; Takamiya, H.; Shinzato, A.; Nakamura, N.; Shinoto, M.; Hudson, M.: Demography, trade and state power: a tripartite model of medieval farming/language dispersals in the Ryukyu Islands. (2022)
Izdebski, A.; Guzowski, P.; Poniat, R.; Masci, L.; Palli, J.; Vignola, C.; Bauch, M.; Cocozza, C.; Fernandes, R.; Ljungqvist, F. C. et al.; Newfield, T.; Seim, A.; Abel-Schaad, D.; Alba-Sánchez, F.; Björkman, L.; Brauer, A.; Brown, A.; Czerwiński, S.; Ejarque, A.; Fiłoc, M.; Florenzano, A.; Fredh, E. D.; Fyfe, R.; Jasiunas, N.; Kołaczek, P.; Kouli, K.; Kozáková, R.; Kupryjanowicz, M.; Lagerås, P.; Lamentowicz, M.; Lindbladh, M.; López-Sáez, J. A.; Luelmo-Lautenschlaeger, M.; Marcisz, K.; Mazier, F.; Mensing, S.; Mercuri, A. M.; Milecka, K.; Miras, Y.; Noryśkiewicz, A. M.; Novenko, E.; Obremska, M.; Panajiotidis, S.; Papadopoulou, M. L.; Pędziszewska, A.; Pérez-Díaz, S.; Piovesan, G.; Pluskowski, A.; Pokorny, P.; Poska, A.; Reitalu, T.; Rösch, M.; Sadori, L.; Ferreira, C. S.; Sebag, D.; Słowiński, M.; Stančikaitė, M.; Stivrins, N.; Tunno, I.; Veski, S.; Wacnik, A.; Masi, A.: Palaeoecological data indicates land-use changes across Europe linked to spatial heterogeneity in mortality during the Black Death pandemic. Nature Ecology & Evolution, s41559-021-01652-4 (2022)
Goldstein, S. T.; Farr, J.; Kayuni, M.; Katongo, M.; Fernandes, R.; Janzen, A.; Markham, B.; Kay, A.; Crowther, A.; Boivin, N.: Excavations at the Iron Age village site of Fibobe II, Central Zambia. Journal of African archaeology, bja10012, S. 1 - 19 (2022)
García-Escárzaga, A.; Gutiérrez-Zugasti, I.; Cuenca-Solana, D.; González-Morales, M. R.; Hamann, C.; Roberts, P.; Fernandes, R.: Bayesian estimates of marine radiocarbon reservoir effect in northern Iberia during the Early and Middle Holocene. Quaternary Geochronology 67, 101232 (2022)
Sołtysiak, A.; Fernandes, R.: Much ado about nothing: assessing the impact of the 4.2 kya event on human subsistence patterns in northern Mesopotamia using stable isotope analysis. Antiquity, 117 (2021)
Fernandes, R.; Hudson, M.; Takamiya, H.; Bassino, J.-P.; Uchiyama, J.; Robbeets, M.: The ARCHIPELAGO Archaeological Isotope Database for the Japanese Islands. Journal of open archaeology data 9 (3), joad.73 (2021), 10 S.
Torres-Martínez, J. F.; Fernández-Götz, M.; Domínguez-Solera, S.; Martínez-Velasco, A.; Vacas-Madrid, D.; Serna-Gancedo, M.; de la Torre, G. C.; Galeano, M.; Fernandes, R.: “Invisible Burials” and fragmentation practices in Iron Age Europe: excavations at the Monte Bernorio Necropolis (Northern Spain). Journal of Field Archaeology, 1924435 (2021)
Robbeets, M.; Bouckaert, R.; Conte, M.; Savelyev, A.; Li, T.; An, D.-I.; Shinoda, K.; Cui, Y.; Kawashima, T.; Kim, G. et al.; Uchiyama, J.; Dolinska, J.; Oskolskaya, S.; Yamano, K.-Y.; Seguchi, N.; Tomita, H.; Takamiya, H.; Kanzawa-Kiriyama, H.; Oota, H.; Ishida, H.; Kimura, R.; Sato, T.; Kim, J.-H.; Bjorn, R.; Deng, B.; Rhee, S.; Ahn, K.-D.; Gruntov, I.; Mazo, O.; Bentley, J.; Fernandes, R.; Roberts, P.; Bausch, I.; Gilaizeau, L.; Yoneda, M.; Kugai, M.; Bianco, R. A.; Zhang, F.; Himmel, M.; Krause, J.; Hudson, M.; Ning, C.: Triangulation supports agricultural spread of the Transeurasian languages. Nature 599, s41586-021-04108-8, S. 616 - 621 (2021)
Wilkin, S.; Ventresca Miller, A.; Fernandes, R.; Spengler, R.; Taylor, W. T. T.; Brown, D. R.; Reich, D.; Kennett, D. J.; Culleton, B. J.; Kunz, L. et al.; Fortes, C.; Kitova, A.; Kuznetsov, P.; Epimakhov, A.; Zaibert, V. F.; Outram, A. K.; Kitov, E.; Khokhlov, A.; Anthony, D.; Boivin, N.: Dairying enabled Early Bronze Age Yamnaya steppe expansions. Nature, s41586-021-03798-4 (2021)
Cocozza, C.; Fernandes, R.: Tooth formation age dataset for early childhood bioarchaeological and medical studies. Data in Brief 36, 107141 (2021)
Cocozza, C.; Fernandes, R.: Amalthea: a database of isotopic measurements on archaeological and forensic tooth dentine increments. Journal of open archaeology data 9, 75 (2021), 7 S.
Takken Beijersbergen, L. M.; Fernandes, R.; Mørkved, P. T.; Hufthammer, A. K.: Temporal and spatial variability of bone collagen stable carbon and nitrogen isotopic ratios of Norwegian reindeer. Journal of Archaeological Science: Reports 37, 102890 (2021)
Wang, X.; Roberts, P.; Tang, Z.; Yang, S.; Storozum, M.; Groß, M.; Fernandes, R.: The circulation of ancient animal resources across the Yellow River Basin: a preliminary Bayesian Re-evaluation of Sr Isotope Data from the Early Neolithic to the Western Zhou Dynasty. Frontiers in Ecology and Evolution 9, 583301 (2021)
Cocozza, C.; Fernandes, R.; Ughi, A.; Gross, M.; Alexander, M. M.: Investigating infant feeding strategies at Roman Bainesse through Bayesian modelling of incremental dentine isotopic data. International Journal of Osteoarchaeology n/a (n/a), oa.2962 (2021)
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