В работе ученых НИЦ «Курчатовский институт» не так давно появилось новое направление — исследование предметов культурного наследия с помощью естественно-научных методов.
О том, как ведется эта работа, рассказывает Екатерина Борисовна Яцишина, кандидат философских наук, заместитель директора НИЦ «Курчатовский институт», руководитель лаборатории естественно-научных методов в гуманитарных науках.
— Екатерина Борисовна, почему в Курчатовском институте начали развивать это направление? И как получилось, что вы его возглавили?
— Это отражение нового объединения, слияния наук, причем внутри как естественно-научного блока, так и гуманитарного. Кроме того, происходит все более тесное сближение этих двух блоков, некогда составлявших единое целое— натурфилософию. Это закономерный процесс развития науки, и мы сейчас находимся как раз на витке объединения. В XX в. возникли области знания, ставшие мостиками между науками о природе и науками об обществе, человеке: кибернетика, бионика, позднее генная инженерия, биоинформатика, и этот список все пополняется. Это глобальная причина. А что касается именно Курчатовского института— за 75 лет его истории здесь накоплен колоссальный опыт исследований. Начиная с создания ядерного оружия, что затем дало толчок для развития атомной энергетики, ядерной медицины, суперкомпьютеров, ускорителей, нового материаловедения и многого другого, включая новейшие научные направления и технологии, которыми мы занимаемся. Все эти исследования были бы невозможны без уникальной экспериментальной базы, приборов, установок, в том числе таких мегаустановок, как Курчатовский синхротрон, нейтронный источник, токамак. Все это плюс суперкомпьютер, лаборатории микроскопии и генетики. белковая фабрика работает на одной площадке, в стенах одного научного центра. Поэтому спектр наших возможностей очень широк.
В послевоенные годы такие современные методы. аппаратура для исследований различных материалов — от металлов до керамики и органических веществ — начали применяться и для изучения на новом уровне культурного, исторического наследия. Не будет преувеличением сказать, что эти современные технологии совершили революцию в изучении памятников прошлого, объектов искусства— по крайней мере перевели их на совершенно другой уровень, другую глубину информации. Все это дает новые знания, понимание технологий, торговли, а в конечном счете культуры и истории прошлых веков. Так что во всем мире многие музеи, исторические, археологические институты и группы все теснее сотрудничают с физиками, биологами, химиками, медиками и т.д.
Курчатовский институт не стал исключением, когда в 2015 г. мы начали развивать новое для нас направление исторического материаловедения. Зачинщиком этого в хорошем смысле слова стал президент НИЦ «Курчатовский институт» М.В. Ковальчук. Михаил Валентинович вообще по своему складу очень широкий, гуманитарный человек, творческий. Так что это новое направление, как и массу всего другого в Курчатовском институте, мы начали развивать по его инициативе. Что касается меня, я окончила исторический факультет МГУ, так что про археологию, палеографию и источниковедение знаю не понаслышке. Я, конечно, не ожидала, что мне, проработав в Курчатовском институте столько лет, придется снова вернуться к своим профессиональным истокам.
Сначала возник контакт с Государственным историческим музеем — мы делали совместную выставку к 70-летию Курчатовского института. Мы познакомились с сотрудниками музея, начали общаться и постепенно перешли уже и к изучению музейных экспонатов.
— Сразу удалось найти общий язык с музейными сотрудниками?
— Да. Мы с самого начала были приятно удивлены тем, что коллеги из музеев хорошо понимают наш глоссарий. У нас даже появилась традиция: перед изучением какого-то нового объекта мы проводим семинар, где коллеги рассказывают нашим сотрудникам его предысторию: где был найден, какие есть аналоги, кто подобными работами занимался и главное — какова цель наших исследований.
Замечу, что наши сотрудники тоже не ударили в грязь лицом. Им интересно не только подобрать оптимальную методику исследования, но и узнать всю историческую подоплеку, можно сказать, почувствовать ауру того времени.
— Какую информацию об артефактах позволяют получить естественно-научные методы?
— Все материаловедческие методы, которые мы применяем, начиная от синхротронной и нейтронной визуализации, микроанализа и электронной микроскопии, газовой хроматографии и масс- спектрометрии, компьютерной томографии ипр., позволяют увидеть объект изучения буквально послойно, его структуру, состав. Все это дает много новой информации, которая дополняет результаты исторических исследований. Таким образом можно определить вероятное место создания артефактов, технологии их изготовления и пути распространения, восстановить хронологию их бытования, возможно, первоначальный облик и последующие изменения в ходе использования, хранения, реставрации.
— А в чем специфика работы с музейными экспонатами?
— Это относится не только к музейным, но, пожалуй, ко всем нашим исследуемым объектам. Прежде всего, исследования нужно проводить методами, которые не разрушают предмет, не наносят вреда экспонату. Когда мы берем пробу для анализа, это должна быть микропроба величиной буквально с песчинку.
— Расскажите, пожалуйста, о ваших совместных проектах с Государственным музеем изобразительных искусств им. А.С. Пушкина.
— Наши первые исследования были связаны с двумя бронзовыми статуями эпохи Возрождения — «Иоанн Креститель» и «Танцующий Амур». Они поступили в свое время из разбомбленного при налете английской авиации берлинского музея в очень плачевном состоянии. Нам поставили задачу — посмотреть на внутреннюю структуру статуй, чтобы понять, можно ли вообще их реставрировать, не рассыпятся ли они в руках реставраторов. Томографическое обследование показало, что внутренняя структура «Танцующего Амура» большей частью сохранилась, хотя поверхность значительно повреждена коррозией. Состояние «Иоанна Крестителя» оказалось почти идеальным.
Потом мы исследовали мраморный барельеф «Страдания Христовы». Он был очень загрязнен копотью от пожара, на него что-то стекало, падало с потолка. Для устранения всего этого нам удалось предложить оптимальный рецепт очищающего соединения, разработанного в нашей химической лаборатории на основе анализа состава загрязнений.
— Какие задачи решают ваши исследования?
— Вообще, с чего начинаются наши партнерские проекты? С технического задания, состоящего из основных пунктов: что представляет собой объект? Какова степень его поврежденности? Что нам нужно определить? И была ли реставрация? Мы поняли, что это необходимо, после одного из наших первых опытов. Археологи нам передали крест, и мы не могли понять, откуда на нем царапины, чем он покрыт, что за странный состав металла у нас получается при анализе. Потом оказалось, что в 1960-е гг. была проведена реставрация и крест покрыли слоем воска. Отсюда шло такое искажение картины.
— А какой ваш самый значительный проект с Пушкинским музеем?
— Девять египетских мумий из отдела Древнего Востока Государственного музея изобразительных искусств им. А.С. Пушкина стали первым подобным комплексным исследованием мумий в нашей стране. Идея начать исследования в этом направлении родилась в 2016 г., и вновь у М.В. Ковальчука. Вообще мумии — весьма информативный источник по истории и культуре Древнего Египта, ведь искусство мумификации было одним из важных показателей уровня развития технологий, культуры и религии этой уникальной цивилизации прошлого.
В некоторых музеях мира— Британском, Лувре и, конечно, Каирском — находятся очень богатые коллекции мумий. Хотя судьба многих была печальна: в прошлые века с мумиями никто не церемонился, их и разворачивали, и сжигали, и даже толкли в порошок для лекарств. Сейчас же во всех музеях существует строгий запрет на какие-либо деструктивные методы работы с мумиями. Перед исследователем лежит своеобразный кокон — туго запеленатое в многометровые бинты тело, так что главная задача — понять, что находится под этим слоем, не нарушая его целостности. Имея у себя весь арсенал исследовательских методов, мы начали с компьютерной томографии.
— А как вы их вывозили из музея?
— Это долгая история: начиная с получения коллегами из музея разрешения в Министерстве культуры на вывоз мумий на один день, изготовления специальных рентгенпроницаемых контейнеров. Вывозили их поэтапно, со спецохраной.
Сначала было решено попробовать сделать в нашем корпусе ядерной медицины магнитно-резонансную томографию (МРТ), которая широко применяется для исследования внутренних органов и тканей в медицине. Но в связи с особенностью высушенных тканей мумии метод МРТ здесь оказался неэффективен. Тогда мы переместили ее этажом выше, где находится установка ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографии), совмещенная с компьютерной томографией. И тут сразу все пошло как нужно. Было проведено рентгеновское компьютерное сканирование, и мумию буквально «распеленали». Сначала «упали» бинты, потом ткани, мышцы, и в итоге на экране предстали скелеты людей, живших 3 тыс. лет назад.
— А какую информацию удалось получить по первой мумии?
— Вместе с коллегами-антропологами мы определили, что это была женщина, ростом 159 см, возрастом около 50 лет, что достаточно прилично для того времени. У нее сохранилось всего четыре зуба, наблюдались признаки пародонтоза. Были обнаружены незначительные изменения в шейном и поясничном отделах позвоночника, хотя в целом не видно каких-то серьезных проблем со здоровьем, кроме артроза ступни. Это же подтвердили врачи-рентгенологи одной из московских больниц. По мышечному рельефу также было установлено, что египтянка много ходила и занималась работой, связанной с вращательными движениями рукой, возможно, пряла.
— Это первая мумия. А остальные?
— Поэтапно мы исследовали все девять мумий. Они в разной степени сохранности, у одной лицо плотно закрыто маской, то есть мы не можем его увидеть, а это важно, потому что один из финальных этапов исследований — восстановление внешности. Этим занимаются коллеги из лаборатории пластической реконструкции Института этнологии и антропологии РАН.
Мы по изображениям компьютерного томографа изготавливаем на ЗС-принтере модель черепа, отдаем антропологам. и они уже начинают буквально «наращивать» послойно мышцы, кожу и т.д. Изначально. конечно, они определяют возраст и пол. что вносит уточнения в первоначальный музейный список. Например, один из обследуемых объектов значился как египтянин Хор-Ха. Анализ же компьютерных снимков показал, что это мумия женщины, умершей в возрасте около 25 лет. ростом немного ниже среднего. Женщина занималась каким-то физическим трудом, связанным с постоянным сгибанием руки в локтевом суставе. Она много ходила, так как у нее хорошо развита мускулатура ног. Скорее всего, к знати она не принадлежала.
— А для чего восстанавливать внешность?
— Планируется сделать такой выставочный проект— воссоздать облик древних египтян. Антропологи берутся восстановить лица. Еще один партнер нашего проекта— Институт проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) РАН— занимается лазерной стереолитографией, и, возможно, они смогут напечатать на ЗО-принтере кости, тогда попробуем восстановить облик полностью.
Еще одно направление исследований— хотим попытаться установить причину смерти, точнее понять, чем болели древние люди. Мы показывали результаты исследований практикующим рентгенологам. А сейчас решили обратиться и к криминалистам. В арсенале еще генетический анализ.
— А что насчет ткани, в которую обернуты мумии? Бинты тоже исследуют?
— Да, в нашей химической лаборатории исследовали отделившиеся фрагменты бинтов. Мы посмотрели, что это за ткань, чем она пропитана. Ее очистили в специальном растворе и при 350-кратном увеличении под микроскопом увидели структуру ткани — льна, традиционного материала для бинтов, в которые плотно пеленались мумии. Это еще раз подтверждает изначальную датировку — I тысячелетие до н.э. Кстати, длина бинтов, в которые запеленывали мумии, доходила до нескольких десятков метров. Вообще в технологиях сохранения тел умерших древние египтяне достигли потрясающих результатов. Они детально знали анатомию. владели техникой трепанации черепа и прочими сложными манипуляциями. В это были посвящены только избранные жрецы, все секреты мастерства. если так можно сказать, включая бальзамирующие составы, строго охранялись. В нашей лаборатории мы изучили и фрагмент темного смолистого вещества с поверхности тела мумии. Удалось установить, что в бальзамирующем составе содержатся природный битум, пчелиный воск и природный жир. И это тоже косвенно подтверждает датировку. Мы. естественно. будем продолжать это уникальное междисциплинарное исследование.
— Интересно, какая из научных дисциплин выигрывает от этих исследований больше всего?
— Все в выигрыше. Какие-то методики мы уже отработали, над другими работаем. А главное— это первое в нашей стране подобное комплексное исследование мумий, как говорится, на уровне мировых стандартов. Так что в выигрыше вся российская наука!
А теперь передаю слово сотрудникам Курчатовского института, которые принимают активное участие в наших исследованиях предметов культурного наследия.
Роман Алексеевич Сенин, кандидат физико-математических наук, заместитель руководителя Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований:
— Вначале скажу несколько слов про саму лабораторию естественно-научных методов в исследовании объектов культурного наследия. Особенность ее в том. что. находясь в Курчатовском институте, она имеет в значительной степени, как принято теперь говорить, «виртуальную структуру», то есть доступ ко всей приборной базе института. Какие конкретно методы используются в исследованиях артефактов? Мы можем методами рентгеновской дифракции определить структуру образца, методами рентгеновской визуализации, томографии — увидеть внутреннее расположение частей объекта. Можем получить химический состав, выяснить, например, в каких соединениях находятся определенные химические элементы внутри конкретного артефакта.
Самые популярные и загруженные приборы для исследования объектов культурного наследия— это, конечно, электронные микроскопы. У нас в Курчатовском институте работает лучшая в стране лаборатория электронной микроскопии. Да и в мире, думаю, меньше десятка лабораторий могут похвастаться таким набором всевозможных микроскопов. У нас есть как растровые, сканирующие микроскопы, которые позволяют исследовать поверхность, так и более редкие — просвечивающие электронные микроскопы. Они требуют специальной обработки образцов, особой подготовки, утонения образца до размеров десятков нанометров, но при этом обеспечивают реальное атомное разрешение — до 0,07 нм.
Второй по востребованности и важности в исследованиях объектов культурного наследия — син- хротронный источник с большим количеством экспериментальных станций. Есть, например, станция флуоресцентного картирования. В этом методе мы освещаем образец микропучком, сканируем его, записываем спектр рентгеновской флуоресценции и по этим спектрам определяем химический состав в разных точках объекта.
Другой тип синхротронных исследований — фазовый анализ, то есть определение кристаллографических фаз, структуры кристаллической ячейки того объекта, который мы исследуем. Это наиболее интересно для металлических объектов, потому что мы можем исследовать, например, какой-нибудь древний клинок и показать, что такая кристаллическая фаза невозможна для металлургов прошлого.
Третий тип— эксперименты по рентгеновской визуализации, когда мы делаем что-то вроде медицинской томографии, но только с разрешением на уровне нескольких микрометров. Не всегда необходима именно томография. Просто рентгеновские снимки с хорошим разрешением (несколько десятков микрометров) могут оказаться полезными. Например, так мы выявили в одном музейном объекте «объект с фестончатым краем», структуру орнамента, и показали, что несколько частей, хранившихся в музее, — действительно части одного объекта, что орнамент одинаковый, что он повторяется. Это стало видно на рентгеновских снимках.
Елена Юрьевна Терещенко, кандидат физикоматематических наук, старший научный сотрудник лаборатории естественно-научных методов в гуманитарных науках Курчатовского института:
— История исследования фестончатого предмета началась с того, что наши коллеги из Государственного исторического музея обратились к нам с просьбой изучить отдельные предметы, закрытые защитной реставрационной мастикой, из знаменитого кургана, называемого Черной могилой.
Курган был раскопан в конце XIX в. (если точно, в 1872-1873 гг.) под Черниговом. Считается, что это один из самых крупных памятников России, датированный Хв. Погребение было совершено по обряду кремации. В число найденных предметов входят большой конгломерат спекшегося оружия, копье с инкрустацией в виде креста, шлем, рога-ритоны, фигурка идола и многие другие предметы, не всегда понятного назначения.
Эти предметы неоднократно реставрировались, в том числе в середине XX в. В частности, некоторое количество предметов закрыты специальной мастикой, скрывающей форму и особенности их строения. Это было сделано для того, чтобы защитить предметы и сохранить их в том состоянии, в котором они были извлечены из кургана: большая часть экспонатов из железа, и они очень сильно повреждены коррозией.
Мы предполагали, что мастика органическая, поэтому надеялись, что синхротронное излучение и нейтроны пройдут сквозь нее и мы сможем увидеть более плотный предмет, который находится в этой защитной оболочке. Так и получилось — методами синхротронной и нейтронной томографии мы изучили несколько предметов. У одного из предметов были выявлены рукоятка и широкое продолговатое лезвие с волнистым или. вернее, фестончатым краем. Он значился в музее как «боевой нож», но после наших исследований его рабочее название изменили на «скипетр», поскольку не было обнаружено следов ковки, нет следов утончения на краю и, следовательно, нет оснований предполагать, что фестончатый край был режущим.
Мы исследовали еще один предмет под мастикой, и выяснилось, что у него тоже есть фестончатый край. Дополнительно мы обнаружили, что у него сохранились следы инкрустации в виде орнамента скандинавского типа. Более того, оказалось, что форма и фестончатый край этого фрагмента соотносятся с другим небольшим предметом — фестончатым наконечником, уже очищенным от мастики. В ходе наших исследований мы обнаружили на наконечнике следы того же скандинавского орнамента. Методом элементного микроанализа в растровом электронном микроскопе мы выяснили. что орнамент выполнен с инкрустацией серебра. При сопоставлении этих двух экспонатов возникло предположение, что это две части одного предмета. Историки, с их собственных слов, очень долго находились под сильнейшим впечатлением от полученных результатов, потому что они никак не могли предположить, что мы сможем извлечь так много информации, не повреждая предмет, под мастикой. То есть мы смотрели сквозь нее. И син- хротронных, и нейтронных «фотографий» оказалось достаточно для того, чтобы увидеть очень много важнейших деталей.
Исследования продолжаются. Во-первых, мы должны убедиться, что это действительно один предмет, потому что пока это только рабочая версия— гипотеза. Мы исследуем также большой конгломерат оружия, который тоже был обнаружен в Черной могиле. Сейчас он представляет собой несколько отдельных фрагментов. Методами нейтронной и рентгеновской томографии мы восстановили внутреннюю трехмерную структуру фрагментов, чтобы понять, какие компоненты составляют этот конгломерат оружия, и выявить их технологические особенности. Эта дополнительная информация позволит историкам уточнить происхождение оружия, которое попало в этот курган. Мы ведем работы в постоянном контакте с сотрудниками ГИМ и находимся еще в самом начале пути по изучению артефактов из кургана Черная могила.
Виктор Михайлович Пожидаев, кандидат химических наук, главный специалист отдела биотехнологии и биоэнергетики комплекса НБИКС-технологий:
— Надо сказать, что у нас было уже немало интересных исследований, связанных с объектами культурного наследия. Например, одним из первых был интересный погребальный предмет из бересты, найденный при раскопках могильника Березовый рог в Рязанской области. Он очень древний, археологи его датируют второй третью II тысячелетия до н.э. В ходе расчистки, реставрации и предварительных химических анализов было установлено, что верх изделия имеет искусственное происхождение. Между ним и берестой обнаружены остатки ткани полотняного переплетения, отпечатавшиеся и на внутренней поверхности верхней детали. Семена, использовавшиеся для инкрустации ее поверхности, оказались воробейником обыкновенным. Все это позволило нам провести реконструкцию этапов создания этого изделия. Выяснилась интересная технология: из бересты был сделан туесок или короб. внешнюю поверхность которой обтянули тканью. Далее поверх коры с тканью нанесли слой жидкой глины, а после того как глиняный слой подсох, его покрыли слоем животного жира. Он стал связующей основой, на которую нанесли орнамент методом инкрустации из семян воробейника.
Еще одним интересным исследованием стало изучение сфероконуса — небольшого глиняного сосуда с округлым туловом и коническим дном. Их часто находят при раскопках памятников Волжской Булгарии. Вариантов их назначения много: гранаты, лампы, различные виды тары для ртути, воды, алкоголя, парфюмерии. Еще одна гипотеза— их использование в перегонных установках средневековыми алхимиками. Мы исследовали черный налет на стенках одного из таких сфероконусов. Сначала определили элементный состав остатков вещества методом фазового рентгенографического анализа. Ртути не обнаружили. Затем после исследования методом высокоэффективной жидкостной хроматографии исключили версию использования сосуда для хранения растительных и животных масел. Следующая версия была — применение сосуда в качестве метательного снаряда. наполненного горючей жидкостью. Тут мы использовали метод газовой хромато-масс- спектрометрии и установили преобладание в составе содержимого производных абиетиновой кислоты и ретена. Это позволило нам предположить, что в сосуд заливали живицу— смолу хвойных пород деревьев. Антимикробные свойства живицы были известны еще в Древнем Египте.
То есть наша итоговая версия применения изученного сфе- роконуса такова: это переносная аптечка для хранения антимикробной живицы для обработки ран.
И, наконец, бальзамирующие составы смолы нескольких мумий из коллекции ГМИИ им. А.С. Пушкина. Особую сложность таким исследованиям придает то, что мумии пролежали в захоронениях не одно тысячелетие и многие органические вещества, входящие в бальзамирующие рецепты, подверглись значительной деградации. Это особенно относится к различным ненасыщенным соединениям, присутствующим в растительных маслах, жирах, восках. смолах хвойных деревьев, к ароматическим и благовонным маслам. Многие из этих соединений распадаются, образуя ряд других продуктов. Таким образом, если исходное число органических соединений, входящих в бальзамы для мумифицирования, могло достигать нескольких десятков, то с учетом деградации во время длительного захоронения их итоговое количество часто превышает сотню. Благодаря методу хроматографии все эти компоненты разделяются на отдельные соединения, а с помощью масс- спектрометрического детектора идентифицируются. Таким образом, путем определения всех этих веществ проводится реконструкция исходного состава и делается окончательный вывод по тому бальзамирующему составу, который был использован.
Исходя из веществ, входящих в бальзамирующие составы, можно уточнить датировку бальзамирования, так как в источниках имеются довольно точные описания времени начала использования того или иного материала при мумификации. например природного битума или растительного и пчелиного восков. В литературе уже описан ряд случаев, когда с помощью результатов хромато-масс-спектрометрического исследования были опровергнуты результаты радиоуглеродного датирования. ■
Подготовила Ольга Беленицкая
