克莱尔·卡梅伦·帕特森（Clair Cameron Patterson） | 图源：加州理工档案馆mag.uchicago.edu

 

编者按

 

科学发现给科学家带来的是荣誉，还是枷锁？

 

本文的主人公克莱尔·卡梅伦·帕特森（Clair Cameron Patterson）是来自美国的地球化学家，他测量出了较为准确的地球年龄，后又发现了含铅汽油对环境的污染，促成了含铅汽油的淘汰。

 

就是这样一位伟大的科学家，却被当时铅领域的专家们排挤打压，一生都在科学之路上踽踽独行。

 

撰文 | 杨朔

 

责编 | 王雨丹

 

几千年来，地球的年龄一直困扰着人类，直到1953年，一个名叫克莱尔·卡梅伦·帕特森（Clair Cameron Patterson）的地质学家给出了较为准确的答案：45.5±0.7亿年（现被修正为45.4±0.5亿年）。不过，帕特森的发现为自己带来的不只是荣耀，还招致了 “天大的麻烦”。

 

从曼哈顿计划到芝加哥大学

 

1922年，帕特森出生于美国爱荷华州，他的童年是在打猎、钓鱼和农田中疯玩度过的。受过高等教育的父母没有放松对帕特森的教育，但更多是以培养孩子的学习兴趣为主。他曾回忆道，“我七、八年级的时候，他们就给我购买了化学用品，我还组建了一个小的家庭实验室”，“九年级的时候，一位叔叔还送给我一个他读大学时用过的化学实验作业本” [1]。诸如此类的事情，在潜移默化中培养了他对科学的兴趣。

帕特森 | 图源：resolver.caltech.edu

 

1939年，高中毕业的帕特森前往爱荷华州的一所私立文理学院——格林内尔学院（Grinnell College）学习化学。在这里，帕特森度过了一段舒适的大学生活并结识了自己的妻子。求学期间他展现出对化学浓烈的兴趣，“在实验室，你可以做你想做的事情，研究你好奇的东西 [1]”。

 

大学毕业后他前往爱荷华大学（The University of Iowa）攻读硕士，研究分子光谱学，仅用九个月便获得了物理化学硕士学位。但这种平稳的生活并没有延续下去，帕特森大四那年，美国已经卷入了第二次世界大战，硕士毕业的他按捺不住内心的冲动决心参军，但遭征兵委员会拒绝，因为委员会已经给帕特森找到了新的战场：曼哈顿计划。

 

1941年珍珠港事件后，为了先于德国研制出原子弹，早日取得战争胜利，美国陆军部于次年6月启动了规模庞大的核研究计划，由于最早的指挥部在曼哈顿，所以该计划被称为 “曼哈顿计划”。时代洪流的裹挟下，“专业对口” 的帕特森加入了 “曼哈顿计划”，在此期间学习并掌握了一项特殊技术：质谱仪测定法（Mass Spectrometry）[2]。

 

自然界中某些特定元素包含有不同的种类，它们质子数相同，中子数不同，因此会表现出不同的物理性质。以铀为例，自然界中含有三种铀的同位素，制造原子弹的主要原材料是铀-235，但是原始铀矿中的99.9%是铀-238，不能用来制造炸弹 [1]。因此，需要将铀的同位素进行分离提纯，这就需要用到分离和检测不同同位素的利器：质谱仪。

 

不同的同位素因为离子质量不同，在恒定磁场或者电场作用下会沿着不同的路径进入不同的收集器，实现同位素的分离。尽管在19世纪末人们已经明白了工作原理，但直到1919年，英国科学家弗朗西斯·阿斯顿才研制出了世界上第一台质谱仪，而真正将其用于实践的则是 “曼哈顿计划”：帕特森通过质谱仪将铀-235和铀-238分开，为曼哈顿计划提供了宝贵的原材料。

 

二战结束以后，帕特森进入芝加哥大学攻读博士学位，师从核物理教授哈里森·布朗（Harrison Brown）。[3]

 

“测量了它，你就成名了”

 

地球的年龄曾是物理天文学上的一个未解之谜。

 

布朗教授一直在思考如何能够准确测量地球年龄。他发现铀同位素能够很好地解决这个问题。因为随着时间推移，铀会衰变成铅，铀有三种同位素，不同同位素的半衰期不同（其中，铀-235的半衰期约为7亿年，铀-238的半衰期约为45亿年），不同的半衰期导致铀衰变形成铅-206和铅-207。只要分析比较衰变后铅同位素的比例，就可以推知矿物形成的具体时间。

 

于是，布朗教授找来了操作质谱仪的能手帕特森，让他去测量出地球上铅同位素的比例并代入已有的方程式，以此来测量地球的年龄，并告诉他只要测量成功，他就会因此声名大噪。（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，这项看似令人振奋的研究项目很快就让帕特森陷入了绝望。想要测量矿物年龄，首先要知道铅的含量，但测量结果却完全失真：一些不可能含铅的样品中都能检测到铅元素，包括实验室中的管道、器皿、头发，甚至空气中到处都是铅，根本无法准确测量！

 

为了消除环境中无处不在的铅元素，帕特森花了六年时间打扫实验室。在《有毒的真相》（Toxic Truth）一书中，作者描述了帕特森的建造实验室的过程，“水管里不能有铅，所以大楼的管道重新修建；室内涂刷墙面的油漆有铅，墙面重新修建；电器系统重新焊接；甚至需要使用净化系统洁净泵入的空气；实验人员必须穿上特制的服装.......[4]”

 

年轻的科学家，就这样摇身一变成了勤劳的 “清洁工”，经过上面这些努力，实验室终于摆脱了 “阴魂不散” 的铅元素，实验才得以正常进行。比尔·布莱森（William McGuire "Bill" Bryson）在《万物简史》（A Short History of Nearly Everything）一书中说，帕特森可能建造了世界上第一个洁净实验室 [5]。

 

解决了实验环境中的铅污染后，帕特森又遇到了新的难题：想要测定地球的年龄，就必须找到一块和地球年龄相同的岩样，而地球上很难找到年龄如此古老的岩石。一筹莫展之际，他想到了一个间接的方法：既然地球上没有合适的样品，那完全可以利用地球之外的陨石进行实验。

 

他做了一个大胆的假设，“很多陨石实际上是太阳系早期保留下来的建筑材料，因此保留着原始的化学结构 [5]”。基于此，帕特森大胆假设，这些陨石的年龄和地球年龄相近，测定了陨石的年代，也就间接测定出了地球的年龄。这个绝妙的想法后来被证明非常正确。

 

功夫不负有心人，帕特森在美国亚利桑纳州代亚布罗峡谷找到了一块适合测量的陨石，此时的帕特森已经为此耗费了七年时间。

 

七年后（1953年）的一个深夜，帕特森终于利用阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，ANL）最先进的质谱仪测出了地球的年龄：45.5亿年。第二天，欣喜若狂的帕特森赶往父母家中，他过于兴奋以至于怀疑自己心脏病发作，后被母亲紧急送往医院——检查后其实是肾上腺素过高。

 

1956年，帕特森在《地球化学与宇宙化学学报》上发表了自己的研究结果《陨石和地球的年龄》（Age of meteorites and the earth）：地球的年龄为45.5±0.7亿年 [6]。他的发现轰动了世界，同时也遭到了很多人的质疑，事后多个实验室都试图推翻这个结论，而结果只是再次印证了结论的可靠性。

帕特森用来测定地球年龄的代亚布罗峡谷陨石 | 图源：wikipedia

 

作为人类历史上准确获悉地球年龄的第一人，帕特森当时又是什么样的心情呢？没有狂喜，相反，有的只是科学家的孤独：“有了真正的科学发现时，大脑中首先想到的不是对着世界大喊 ‘看看我做了什么！’，也不是考虑我将收获什么样的名誉，而是只有一个声音 ‘我做到了’，在神圣而孤独的科学思想殿堂中回荡 [3]。”

 

探索者注定是孤独的。他迎来了更大的挑战和质疑。

 

奇怪的数据 发疯的人

 

攻克地球年龄难题后，帕特森想要进一步解释：地壳是如何形成的？他试图通过对比深海和浅海中铅含量的差异，来推算地壳年龄。为了资助帕特森的研究，布朗教授向美国石油协会描绘了一个具有诱惑力的应用前景：该研究有助于探明海洋油气藏的位置，可以帮助石油公司攫取更大利益。因此，石油行业前后资助了帕特森大约20万美元 [5]。但后来的事情证明，他的研究非但没有为石油公司创造价值，反而损害了他们的利益。

 

帕特森发现了一组奇怪的数据：深海水中的铅含量比海洋表面低3到10倍。正常情况下，随着矿物沉积，深海中的元素含量会高于海洋表面。为了确定数据的可靠性，他又前往大西洋、地中海采集数据，但结果都呈现出相似的反常现象。

 

后来，他又前往格陵兰岛收集积雪，想要通过分析冰核里不同年份的铅含量来验证数据的准确性。在格陵兰岛，因为季节温差的影响，每年积雪颜色稍有差别，呈现出分明层次。因此，只要测量每层积雪中的铅含量，就可以推知当时大气中的铅浓度。在格陵兰岛，他和助手穿着清洁的套装，使用酸洗过的锯子将冰块切割成2英寸大小的冰块，放进超净的容器融化成水，再运回加州理工实验室进行测量。

 

为了收集年代较近的雪样，他们甚至驾驶一辆履带式汽车逆风行驶130英里，然后挖了一个50英尺深、100英尺长的干净斜井来取雪 [5]”。最终的实验数据显示：1923年之前，大气中的铅含量远低于现在，但自那以后，大气中的铅浓度快速攀升；包括南极在内的地区都呈现出相同的特征。帕特森第一次以实际证据揭示了铅污染已经波及到了人迹罕至的极地区域，这足见当时的地球环境污染之严重，波及范围之广阔。

 

1923年，地球上发生了什么奇怪的事情吗？确实有！

 

这一年，通用汽车公司的工程师小托马斯·米奇利（Midgley,Thomas,Jr.）攻克了一个重大的技术难题。早年燃油汽车发动机总是爆震，发出砰砰乓乓的噪声，米奇利发现在石油中加入四乙基铅（tetraethyl lead，TEL）作为抗爆剂，就可以很好地解决这个问题。后来联合通用石油公司和汽车公司，成立了乙基汽油公司，生产四乙基铅，并在当年就将产品推向市场。（这里顺便提一句，损害臭氧层的氟利昂也是这位老兄的杰作。）

 

含铅汽油的危害在当时就已经暴露出来。1924年《纽约时报》曾有报道称，“新泽西标准石油公司实验室中的奇怪气体导致了一个人死亡，四个人发疯”。一周内，患病人数就激增到了41人（这41个人都在新泽西一家生产含铅汽油的炼油厂工作），甚至平常性情温和的员工会莫名其妙跳楼自杀，公司的高管则对外宣称 “这些人可能因为工作太努力而发疯了”。[7]

 

然而，石油公司拒绝承认含铅汽油损害人体健康，他们甚至开出了高达十万美元的薪水聘请毒理学家罗伯特·基欧（Robert A. Kehoe）为石油公司正名，令其声明 “含铅汽油对人体是安全的”。

 

基欧研究后得出结论：公司只需要在工厂安装风扇即可，不需要放弃四乙基铅。他甚至信誓旦旦地向公众承诺，铅是人体的正常组成部分，且人体铅中毒有很高的阈值，我们的身体已经适应了环境中的铅。如今，我们已经知道，血液中含铅量超过5μg/dl就会损害儿童大脑，降低智商，并造成儿童生长迟缓发育不良 [9]。

 

事实上，基欧的实验室垄断了此后关于铅中毒的研究，环境科学家本杰明·罗斯（Benjamin Ross）曾在《污染者》（The Polluters）一书中写到，“40多年来，关于含铅汽油安全性的研究几乎完全由基欧垄断，他的研究得到了制造四乙基铅公司的资助、审查和批准。” [10] 直到帕特森为了测量矿物年龄，才误打误撞窥探这一秘密。

罗伯特·基欧（Robert A. Kehoe）| 图源：wikipedia

 

1963年，帕特森将自己和同伴的研究发表在《自然》杂志上。在文章中，他将积雪和海水中的高浓度铅归咎于加铅石油，这无疑给了石油公司一记重拳，他们想方设法让帕特森 “闭嘴”：从花钱收买他的研究，到买通媒体污蔑其为疯子。甚至有传言说，石油公司称，愿意提供研究经费，只要学校开除帕特森。基欧称，“帕特森更像是一名狂热分子而不是科学家 [5]”。不仅如此，帕特森甚至被拒绝参加美国国家科学研究委员会（United States National Research Council）关于大气层铅污染的座谈会，尽管他是这一领域卓越的研究者。

 

即使被打压、被排挤，帕特森不改本心。从南极到北极，从森林到海洋，他不断搜集数据来证明高浓度的铅来源于人类活动，他担忧地说到，“人类本身受到了严重的污染 [8]”，甚至金枪鱼罐头中的铅含量也远高于自然界金枪鱼体内含量（包装罐头的密封罐使用了铅焊料）。可以说，在当时，铅已经无处不在，严重危害人类生命健康。当批评者质疑空气中的铅是火山喷发造成之时，帕特森甚至冒着生命危险乘坐直升机前往火山口收集空气样本。

 

20世纪70年代，为了验证自己结论的可靠性，帕特森带着队员来到约塞米蒂国家公园（Yosemite National Park）。他们在冬天爬上山顶，“因为那里是人类的净土 [8]”，帕特森认为这是检验学说最佳的场所。在这里，他们几乎测试了人类可以想象的一切东西：雨水、空气、溪水、地下水、岩石、草、沙土，甚至当地的老鼠、黄鼠狼。他们用酸清洗实验仪器以防污染样品。结果显示，“95%的铅是从300英里外的旧金山和洛杉矶的汽车尾气中飘过来的 [9]。” 偏远的公园污染尚且如此严重，可以想象城市中的污染有多么严峻。

 

帕特森的研究结果引起了舆论的轩然大波。1976年，美国环境保护署呼吁，要求降低汽油中的铅含量。然而，到了1984年，国际铅锌研究组织（International Lead Zinc Research Organization）的主席 Jerome Cole 声称，“目前并没有证据显示空气中的铅会对人体造成伤害 [9]”。随后，《柳叶刀》（The Lancet）和《新英格兰医学杂志》（The New England Journal of Medicine）发表文章称，儿童血液中的铅含量越高（40~68μg/dl），智商越低…… 越多越多的证据将矛头指向了含铅汽油 [10]。

 

舆论重压之下，美国在1990年新修订了《空气清洁法》（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铅汽油 [11]。可惜的是，帕特森在法案生效前的12月5日就因病去世了。

 

1975年，美国人血液中的含铅量高达15 μg/dL，截至2017年，这个数字已经降为0.858 μg/dL [13,14]。帕特森作为铅污染的 “吹哨人”，通过自己的研究和坚持给人类敲响了警钟。而今天，铅污染问题依然严峻，世界上仍然有8.15亿的儿童血液含铅量过高，每年约有90万成年人因铅中毒死亡，铅污染已经演变为了全球的公共卫生危机 [15]。

 

作为发现并推动铅污染研究的先驱，帕特森通过自己的研究让人们意识到了铅污染的严重性，他的坚持不懈敦促人们下定决心做出改变。事实上，科学发现总是能够发掘出别样的美和意义：这种意义是神圣的，但这种美往往却是孤独的。而科学家坚持的意义在于，人类可以不断更新和发展科学技术来提升生活，且不必为技术所害，或成为技术的奴隶。

 

参考文献：

 

1. Biography of Clair Cameron Patterson, 1998 June 2, 1922-December 1995

 

2. 袁越. 人类的终极问题[M] 生活·读书·新知三联书店

 

3. Revelle R. Harrison Brown[C] National Academy of Sciences, Biographical Memoir. Washington DC: National Academies Press.

 

4. 比尔·布莱森 .万物简史[M] 接力出版社

 

5. Denworth L. Toxic truth[M]. Boston: Beacon Press, 2008: 47-76

 

6. Patterson C . Age of meteorites and the Earth[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1956, 10(4):230-237.

 

7. https://www.nytimes.com/1924/10/27/archives/odd-gas-kills-one-makes-four-insane-stricken-at-work-in-standards.html

 

8. https://oralhistories.library.caltech.edu/32/

 

9. https://www.mentalfloss.com/article/94569/clair-patterson-scientist-who-determined-age-earth-and-then-saved-it

 

10. Listed N . Lead and IQ[J]. Lancet, 1987, 1(8548).

 

11. https://www.epa.gov/clean-air-act-overview/1990-clean-air-act-amendment-summary

 

12. Ross B . The Polluters: The Making of Our Chemically Altered Environment[M]. Oxford University Press, 2010.

 

13. https://www.cdc.gov/biomonitoring/pdf/FourthReport_UpdatedTables_Volume1_Jan2017.pdf

 

14. Lead Pollution in the High Sierra: A pioneering study of the pollution of a pristine environment

 

15. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_8762143