鉛污染吹哨人：給地球測年齡，和汽油公司對著干
克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson） | 圖源：加州理工檔案館mag.uchicago.edu
科學發(fā)現(xiàn)給科學家?guī)淼氖菢s譽，還是枷鎖？
撰文 | 楊朔
責編 | 王雨丹
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幾千年來，地球的年齡一直困擾著人類，直到1953年，一個名叫克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson）的地質(zhì)學家給出了較為準確的答案：45.5±0.7億年（現(xiàn)被修正為4.54±0.5億年）。不過，帕特森的發(fā)現(xiàn)為自己帶來的不只是榮耀，還招致了 “天大的麻煩”。
從曼哈頓計劃到芝加哥大學
1922年，帕特森出生于美國愛荷華州，他的童年是在打獵、釣魚和農(nóng)田中瘋玩度過的。受過高等教育的父母沒有放松對帕特森的教育，但更多是以培養(yǎng)孩子的學習興趣為主。他曾回憶道，“我七、八年級的時候，他們就給我購買了化學用品，我還組建了一個小的家庭實驗室”，“九年級的時候，一位叔叔還送給我一個他讀大學時用過的化學實驗作業(yè)本” [1]。諸如此類的事情，在潛移默化中培養(yǎng)了他對科學的興趣。
帕特森 | 圖源：resolver.caltech.edu
1939年，高中畢業(yè)的帕特森前往愛荷華州的一所私立文理學院——格林內(nèi)爾學院（Grinnell College）學習化學。在這里，帕特森度過了一段舒適的大學生活并結(jié)識了自己的妻子。求學期間他展現(xiàn)出對化學濃烈的興趣，“在實驗室，你可以做你想做的事情，研究你好奇的東西 [1]”。
大學畢業(yè)后他前往愛荷華大學（The University of Iowa）攻讀碩士，研究分子光譜學，僅用九個月便獲得了物理化學碩士學位。但這種平穩(wěn)的生活并沒有延續(xù)下去，帕特森大四那年，美國已經(jīng)卷入了第二次世界大戰(zhàn)，碩士畢業(yè)的他按捺不住內(nèi)心的沖動決心參軍，但遭征兵委員會拒絕，因為委員會已經(jīng)給帕特森找到了新的戰(zhàn)場：曼哈頓計劃。
1941年珍珠港事件后，為了先于德國研制出原子彈，早日取得戰(zhàn)爭勝利，美國陸軍部于次年6月啟動了規(guī)模龐大的核研究計劃，由于最早的指揮部在曼哈頓，所以該計劃被稱為 “曼哈頓計劃”。時代洪流的裹挾下，“專業(yè)對口” 的帕特森加入了 “曼哈頓計劃”，在此期間學習并掌握了一項特殊技術(shù)：質(zhì)譜儀測定法（Mass Spectrometry）[2]。
自然界中某些特定元素包含有不同的種類，它們質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同，因此會表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。以鈾為例，自然界中含有三種鈾的同位素，制造原子彈的主要原材料是鈾-235，但是原始鈾礦中的99.9%是鈾-238，不能用來制造炸彈 [1]。因此，需要將鈾的同位素進行分離提純，這就需要用到分離和檢測不同同位素的利器：質(zhì)譜儀。
不同的同位素因為離子質(zhì)量不同，在恒定磁場或者電場作用下會沿著不同的路徑進入不同的收集器，實現(xiàn)同位素的分離。盡管在19世紀末人們已經(jīng)明白了工作原理，但直到1919年，英國科學家弗朗西斯·阿斯頓才研制出了世界上第一臺質(zhì)譜儀，而真正將其用于實踐的則是 “曼哈頓計劃”：帕特森通過質(zhì)譜儀將鈾-235和鈾-238分開，為曼哈頓計劃提供了寶貴的原材料。
二戰(zhàn)結(jié)束以后，帕特森進入芝加哥大學攻讀博士學位，師從核物理教授哈里森·布朗（Harrison Brown）。[3]
“測量了它，你就成名了”
地球的年齡曾是物理天文學上的一個未解之謎。
布朗教授一直在思考如何能夠準確測量地球年齡。他發(fā)現(xiàn)鈾同位素能夠很好地解決這個問題。因為隨著時間推移，鈾會衰變成鉛，鈾有三種同位素，不同同位素的半衰期不同（其中，鈾-235的半衰期約為7億年，鈾-238的半衰期約為45億年），不同的半衰期導致鈾衰變形成鉛-206和鉛-207。只要分析比較衰變后鉛同位素的比例，就可以推知礦物形成的具體時間。
于是，布朗教授找來了操作質(zhì)譜儀的能手帕特森，讓他去測量出地球上鉛同位素的比例并代入已有的方程式，以此來測量地球的年齡，并告訴他只要測量成功，他就會因此聲名大噪。（You measure its isotopic composition and you stick it into the equation. And you’ll be famous, because you will have measured the age of the earth.）[3]。
然而，這項看似令人振奮的研究項目很快就讓帕特森陷入了絕望。想要測量礦物年齡，首先要知道鉛的含量，但測量結(jié)果卻完全失真：一些不可能含鉛的樣品中都能檢測到鉛元素，包括實驗室中的管道、器皿、頭發(fā)，甚至空氣中到處都是鉛，根本無法準確測量！
為了消除環(huán)境中無處不在的鉛元素，帕特森花了六年時間打掃實驗室。在《有毒的真相》（Toxic Truth）一書中，作者描述了帕特森的建造實驗室的過程，“水管里不能有鉛，所以大樓的管道重新修建；室內(nèi)涂刷墻面的油漆有鉛，墻面重新修建；電器系統(tǒng)重新焊接；甚至需要使用凈化系統(tǒng)潔凈泵入的空氣；實驗人員必須穿上特制的服裝.......[4]”
年輕的科學家，就這樣搖身一變成了勤勞的 “清潔工”，經(jīng)過上面這些努力，實驗室終于擺脫了 “陰魂不散” 的鉛元素，實驗才得以正常進行。比爾·布萊森（William McGuire "Bill" Bryson）在《萬物簡史》（A Short History of Nearly Everything）一書中說，帕特森可能建造了世界上第一個潔凈實驗室 [5]。
解決了實驗環(huán)境中的鉛污染后，帕特森又遇到了新的難題：想要測定地球的年齡，就必須找到一塊和地球年齡相同的巖樣，而地球上很難找到年齡如此古老的巖石。一籌莫展之際，他想到了一個間接的方法：既然地球上沒有合適的樣品，那完全可以利用地球之外的隕石進行實驗。
他做了一個大膽的假設(shè)，“很多隕石實際上是太陽系早期保留下來的建筑材料，因此保留著原始的化學結(jié)構(gòu) [5]”?；诖?，帕特森大膽假設(shè)，這些隕石的年齡和地球年齡相近，測定了隕石的年代，也就間接測定出了地球的年齡。這個絕妙的想法后來被證明非常正確。
功夫不負有心人，帕特森在美國亞利桑納州代亞布羅峽谷找到了一塊適合測量的隕石，此時的帕特森已經(jīng)為此耗費了七年時間。
七年后（1953年）的一個深夜，帕特森終于利用阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory，ANL）最先進的質(zhì)譜儀測出了地球的年齡：45.5億年。第二天，欣喜若狂的帕特森趕往父母家中，他過于興奮以至于懷疑自己心臟病發(fā)作，后被母親緊急送往醫(yī)院——檢查后其實是腎上腺素過高。
1956年，帕特森在《地球化學與宇宙化學學報》上發(fā)表了自己的研究結(jié)果《隕石和地球的年齡》（Age of meteorites and the earth）：地球的年齡為45.5±0.7億年 [6]。他的發(fā)現(xiàn)轟動了世界，同時也遭到了很多人的質(zhì)疑，事后多個實驗室都試圖推翻這個結(jié)論，而結(jié)果只是再次印證了結(jié)論的可靠性。
作為人類歷史上準確獲悉地球年齡的第一人，帕特森當時又是什么樣的心情呢？沒有狂喜，相反，有的只是科學家的孤獨：“有了真正的科學發(fā)現(xiàn)時，大腦中首先想到的不是對著世界大喊 ‘看看我做了什么！’，也不是考慮我將收獲什么樣的名譽，而是只有一個聲音 ‘我做到了’，在神圣而孤獨的科學思想殿堂中回蕩 [3]。”
探索者注定是孤獨的。他迎來了更大的挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。
奇怪的數(shù)據(jù) 發(fā)瘋的人
攻克地球年齡難題后，帕特森想要進一步解釋：地殼是如何形成的？他試圖通過對比深海和淺海中鉛含量的差異，來推算地殼年齡。為了資助帕特森的研究，布朗教授向美國石油協(xié)會描繪了一個具有誘惑力的應(yīng)用前景：該研究有助于探明海洋油氣藏的位置，可以幫助石油公司攫取更大利益。因此，石油行業(yè)前后資助了帕特森大約20萬美元 [5]。但后來的事情證明，他的研究非但沒有為石油公司創(chuàng)造價值，反而損害了他們的利益。
帕特森發(fā)現(xiàn)了一組奇怪的數(shù)據(jù)：深海水中的鉛含量比海洋表面低3到10倍。正常情況下，隨著礦物沉積，深海中的元素含量會高于海洋表面。為了確定數(shù)據(jù)的可靠性，他又前往大西洋、地中海采集數(shù)據(jù)，但結(jié)果都呈現(xiàn)出相似的反?，F(xiàn)象。
后來，他又前往格陵蘭島收集積雪，想要通過分析冰核里不同年份的鉛含量來驗證數(shù)據(jù)的準確性。在格陵蘭島，因為季節(jié)溫差的影響，每年積雪顏色稍有差別，呈現(xiàn)出分明層次。因此，只要測量每層積雪中的鉛含量，就可以推知當時大氣中的鉛濃度。在格陵蘭島，他和助手穿著清潔的套裝，使用酸洗過的鋸子將冰塊切割成2英寸大小的冰塊，放進超凈的容器融化成水，再運回加州理工實驗室進行測量。
為了收集年代較近的雪樣，他們甚至駕駛一輛履帶式汽車逆風行駛130英里，然后挖了一個50英尺深、100英尺長的干凈斜井來取雪 [5]”。最終的實驗數(shù)據(jù)顯示：1923年之前，大氣中的鉛含量遠低于現(xiàn)在，但自那以后，大氣中的鉛濃度快速攀升；包括南極在內(nèi)的地區(qū)都呈現(xiàn)出相同的特征。帕特森第一次以實際證據(jù)揭示了鉛污染已經(jīng)波及到了人跡罕至的極地區(qū)域，這足見當時的地球環(huán)境污染之嚴重，波及范圍之廣闊。
1923年，地球上發(fā)生了什么奇怪的事情嗎？確實有！
這一年，通用汽車公司的工程師小托馬斯·米奇利（Midgley,Thomas,Jr.）攻克了一個重大的技術(shù)難題。早年燃油汽車發(fā)動機總是爆震，發(fā)出砰砰乓乓的噪聲，米奇利發(fā)現(xiàn)在石油中加入四乙基鉛（tetraethyl lead，TEL）作為抗爆劑，就可以很好地解決這個問題。后來聯(lián)合通用石油公司和汽車公司，成立了乙基汽油公司，生產(chǎn)四乙基鉛，并在當年就將產(chǎn)品推向市場。（這里順便提一句，損害臭氧層的氟利昂也是這位老兄的杰作。）
含鉛汽油的危害在當時就已經(jīng)暴露出來。1924年《紐約時報》曾有報道稱，“新澤西標準石油公司實驗室中的奇怪氣體導致了一個人死亡，四個人發(fā)瘋”。一周內(nèi)，患病人數(shù)就激增到了41人（這41個人都在新澤西一家生產(chǎn)含鉛汽油的煉油廠工作），甚至平常性情溫和的員工會莫名其妙跳樓自殺，公司的高管則對外宣稱 “這些人可能因為工作太努力而發(fā)瘋了”。[7]
然而，石油公司拒絕承認含鉛汽油損害人體健康，他們甚至開出了高達十萬美元的薪水聘請毒理學家羅伯特·基歐（Robert A. Kehoe）為石油公司正名，令其聲明 “含鉛汽油對人體是安全的”。
基歐研究后得出結(jié)論：公司只需要在工廠安裝風扇即可，不需要放棄四乙基鉛。他甚至信誓旦旦地向公眾承諾，鉛是人體的正常組成部分，且人體鉛中毒有很高的閾值，我們的身體已經(jīng)適應(yīng)了環(huán)境中的鉛。如今，我們已經(jīng)知道，血液中含鉛量超過5μg/dl就會損害兒童大腦，降低智商，并造成兒童生長遲緩發(fā)育不良 [9]。
事實上，基歐的實驗室壟斷了此后關(guān)于鉛中毒的研究，環(huán)境科學家本杰明·羅斯（Benjamin Ross）曾在《污染者》（The Polluters）一書中寫到，“40多年來，關(guān)于含鉛汽油安全性的研究幾乎完全由基歐壟斷，他的研究得到了制造四乙基鉛公司的資助、審查和批準。” [10] 直到帕特森為了測量礦物年齡，才誤打誤撞窺探這一秘密。
1963年，帕特森將自己和同伴的研究發(fā)表在《自然》雜志上。在文章中，他將積雪和海水中的高濃度鉛歸咎于加鉛石油，這無疑給了石油公司一記重拳，他們想方設(shè)法讓帕特森 “閉嘴”：從花錢收買他的研究，到買通媒體污蔑其為瘋子。甚至有傳言說，石油公司稱，愿意提供研究經(jīng)費，只要學校開除帕特森?；鶜W稱，“帕特森更像是一名狂熱分子而不是科學家 [5]”。不僅如此，帕特森甚至被拒絕參加美國國家科學研究委員會（United States National Research Council）關(guān)于大氣層鉛污染的座談會，盡管他是這一領(lǐng)域卓越的研究者。
即使被打壓、被排擠，帕特森不改本心。從南極到北極，從森林到海洋，他不斷搜集數(shù)據(jù)來證明高濃度的鉛來源于人類活動，他擔憂地說到，“人類本身受到了嚴重的污染 [8]”，甚至金槍魚罐頭中的鉛含量也遠高于自然界金槍魚體內(nèi)含量（包裝罐頭的密封罐使用了鉛焊料）。可以說，在當時，鉛已經(jīng)無處不在，嚴重危害人類生命健康。當批評者質(zhì)疑空氣中的鉛是火山噴發(fā)造成之時，帕特森甚至冒著生命危險乘坐直升機前往火山口收集空氣樣本。
20世紀70年代，為了驗證自己結(jié)論的可靠性，帕特森帶著隊員來到約塞米蒂國家公園（Yosemite National Park）。他們在冬天爬上山頂，“因為那里是人類的凈土 [8]”，帕特森認為這是檢驗學說最佳的場所。在這里，他們幾乎測試了人類可以想象的一切東西：雨水、空氣、溪水、地下水、巖石、草、沙土，甚至當?shù)氐睦鲜?、黃鼠狼。他們用酸清洗實驗儀器以防污染樣品。結(jié)果顯示，“95%的鉛是從300英里外的舊金山和洛杉磯的汽車尾氣中飄過來的 [9]。” 偏遠的公園污染尚且如此嚴重，可以想象城市中的污染有多么嚴峻。
帕特森的研究結(jié)果引起了輿論的軒然大波。1976年，美國環(huán)境保護署呼吁，要求降低汽油中的鉛含量。然而，到了1984年，國際鉛鋅研究組織（International Lead Zinc Research Organization）的主席 Jerome Cole 聲稱，“目前并沒有證據(jù)顯示空氣中的鉛會對人體造成傷害 [9]”。隨后，《柳葉刀》（The Lancet）和《新英格蘭醫(yī)學雜志》（The New England Journal of Medicine）發(fā)表文章稱，兒童血液中的鉛含量越高（40~68μg/dl），智商越低…… 越多越多的證據(jù)將矛頭指向了含鉛汽油 [10]。
輿論重壓之下，美國在1990年新修訂了《空氣清潔法》（the Amended Clean Air Act），要求在1995年12月31日之前加油站不得再提供含鉛汽油 [11]?？上У氖牵撂厣诜ò干暗?2月5日就因病去世了。
1975年，美國人血液中的含鉛量高達15 μg/dL，截至2017年，這個數(shù)字已經(jīng)降為0.858 μg/dL [13,14]。帕特森作為鉛污染的 “吹哨人”，通過自己的研究和堅持給人類敲響了警鐘。而今天，鉛污染問題依然嚴峻，世界上仍然有8.15億的兒童血液含鉛量過高，每年約有90萬成年人因鉛中毒死亡，鉛污染已經(jīng)演變?yōu)榱巳虻墓残l(wèi)生危機 [15]。
作為發(fā)現(xiàn)并推動鉛污染研究的先驅(qū)，帕特森通過自己的研究讓人們意識到了鉛污染的嚴重性，他的堅持不懈敦促人們下定決心做出改變。事實上，科學發(fā)現(xiàn)總是能夠發(fā)掘出別樣的美和意義：這種意義是神圣的，但這種美往往卻是孤獨的。而科學家堅持的意義在于，人類可以不斷更新和發(fā)展科學技術(shù)來提升生活，且不必為技術(shù)所害，或成為技術(shù)的奴隸。
制版編輯 | 盧卡斯
