他無意間發現了空氣中的致命“毒物”，拯救了幾代人的健康

1948年，在美國芝加哥大學一間塵土飛揚的舊實驗室裏，克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson）試圖從礦物中測量鉛的含量，他想從這些針尖大小的樣品開始，測出地球的年齡。但他沒想到的是，這項工作不僅帶來了首個精確的地球年齡，還挽救了幾代人的安全和健康。

撰文 | 二七

審校 | 栗子

當時，在芝加哥大學地球化學家哈里森·布朗（Harrison Brown）的指導下，帕特森和喬治·蒂爾頓（George Tilton）試圖用鈾鉛法測定岩石的地質年齡。鈾鉛法的原理非常簡單：鈾會以固定的速率，緩慢地衰變成鉛。如果能計算出有多少鈾衰變成了鉛，就能按照衰變速率計算出這塊岩石形成於多少年前。

但在實際研究中，很難確定樣品中有多少鉛是本身就存在的，有多少鉛是由鈾衰變而來的。不過，有一種礦物可以完美解決這個問題，那就是鋯石（ZrSiO4）。鋯石非常堅強，在高溫和高壓下也不容易變質，且形成時幾乎不含鉛，因此基本可以認爲鋯石中的鉛都是經鈾衰變形成的。直到現在，鋯石都是地質學定年時常用的材料。

帕特森和蒂爾頓分別負責測量鋯石樣本中的鉛和鈾，蒂爾頓的工作進行得非常順利，然而帕特森卻遇到了一些困難——帕特森發現自己測量出的鉛含量過高。“我們的實驗結果不太對勁，鋯石裏鉛的含量多出太多了。這些鉛從哪來？”解決這個問題耗費了帕特森幾年時間，他反覆檢查所有步驟，試圖找到鉛的來源。“然後我發現，這裏也是鉛，那裏也是鉛，空氣裏都是鉛，我用的所有設備裏也都有鉛……當我測量某個樣品時，我就用儀器上的鉛污染了這個樣品。”

帕特森簡直要被無處不在的鉛“逼瘋”了，他想盡辦法將鉛污染“驅逐”出自己的實驗室。帕特森回憶說：“我被迫建立了一間超淨實驗室”，而這也成爲了歷史上第一間超淨室。他更換了實驗室排氣管道，把整個房間密封起來，添加了空氣過濾裝置，並且用酸徹底清洗了所有實驗設備。帕特森對進入實驗室的人要求嚴格，也不歡迎任何訪客：“當你（1995年採訪帕特森的記者Shirley K。 Cohen）走進我的超淨室時，你頭髮、頭屑上的鉛，就會污染整個***（粗口）實驗室。”

地球的年齡

這樣一間實驗室，讓帕特森能以前所未有的精度測定樣品中鉛同位素的含量，並決心嘗試回答那個大問題——地球的年齡。用鈾鉛法的確能夠測出岩石的地質年齡，但是新的問題又出現了——上哪去找一塊與地球年齡相同的岩石樣本呢？帕特森將目光鎖定在了隕石上。

大部分情況下，落到地球上的隕石形成於太陽系初期，他們就像是當初“建起”地球和其他行星時剩下的“原材料”，只是沒有經歷猛烈的撞擊和漫長的地質變化，仍然完美保留着當初的成分。

1953年，帕特森拿到了Canyon Diablo隕石的樣本，這是一塊鐵隕石。鐵隕石中鉛含量很高，而鈾含量很低。在此基礎上，帕特森又測量了數塊鈾含量很高，鉛含量較低的石隕石中的鉛同位素比值。這次，他選擇了鉛-鉛法：鈾235和鈾238分別衰變爲鉛207和鉛206的速率不同，利用不同隕石的鉛同位素比值，帕特森就能畫出等時線，來精確求解地球的年齡。

1956年，這篇題爲“隕石和地球的年齡”（Age of meteorites and the earth）的文章正式發表，帕特森宣佈地球的年齡是4.55±0.07×109年。即使在今天看來，這個年齡的精度也很高了。（目前地球的年齡被修正爲4.543±0.05×109年。）

在爲自己的工作結果感到興奮時，帕特森沒有想到，他接下來的職業生涯會面臨怎樣的挑戰。

乙基汽油

1923年10月，那是帕特森關於地球年齡的文章被接收的32年前，新澤西州的一名工人，歐內斯特·厄爾格特（Ernest Oelgert）的精神突然出現了問題。他渾身不停顫抖，還會無緣無故地尖叫“有三個人在同時攻擊我”。短短一天之後，厄爾格特就死去了。據《紐約時報》報道，就在同一個星期，當地醫院還收治了另外40名類似症狀的患者。

這41名患者有一個共同點，他們都在標準石油公司（Standard Oil Company）的一家工廠工作，這裏生產四乙鉛（tetraethyl lead）。

1921年，美國化學家小托馬斯·米奇利（Thomas Midgley， Jr。）發現，在汽油中添加四乙鉛可以有效防止發動機“爆震”，讓汽車開得更快、更穩定。這是一種成本低廉的添加劑，一經發現，通用汽車公司（General Motors）和標準石油公司就迅速成立了一家新公司，來生產和銷售添加了四乙鉛的汽油。現在我們會直接稱之爲“含鉛汽油”，但在命名時，當時的管理者刻意避開了“鉛”這個詞，將公司和這款汽油命名爲“乙基”（Ethyl）。

就在乙基汽油正式發售不到8個月後，新澤西州的41名工人病倒了。之後不久，美國俄亥俄州代頓市另一家四乙鉛廠的數十名工人也出現了類似的症狀。這兩場慘劇的罪魁禍首就是四乙鉛。雖然人體鉛中毒的過程往往非常緩慢，但純四乙鉛中毒的過程可以非常快。它能在短短數週內穿過皮膚，侵入大腦，引發幻覺、顫抖，嚴重時可致人死亡——這是一種劇毒物質。

然而乙基公司並不願意放棄這種有大好潛力的汽油添加劑，迫於壓力，他們聘請了辛辛那提大學的一位病理學家羅伯特·基歐（Robert Kehoe）來調查事故成因。基歐從代頓市入手，很快得出結論——是四乙鉛毒害了工人。然而作爲對策，他並沒有叫停乙基汽油的生產，而是建議在工廠安裝風扇，加強通風。

被壟斷的安全研究

這種“簡單粗暴”的方式似乎的確保證了工廠工人的安全，然而它並沒有徹底解決含鉛汽油危害最大的問題。我們現在已經清楚，當含鉛汽油燃燒時，其中的鉛會隨汽車尾氣排放進大氣，再隨呼吸進入人體內。作爲對人類危害最大的重金屬之一，鉛會損害腎臟、心血管系統、生殖系統，甚至可以穿透血腦屏障侵入中樞神經，損傷大腦。然而在20世紀中葉，人們對含鉛汽油的潛在危害，甚至於鉛的潛在危害都還不夠了解。

爲了回應少數對含鉛汽油安全性的質疑，乙基公司委託基歐進行研究和實驗，來“證明”含鉛汽油和尾氣中的鉛對人體無害。根據《污染者》（The Polluters： the making of our chemically altered environment）一書的描述，在之後的幾十年間，基歐的研究團隊幾乎壟斷了所有關於含鉛汽油安全性的研究。然而這些研究不僅在設計和論證上存在缺陷，所有發表的內容還都要經過資助方——含鉛汽油生產商的審查和修改。

例如，基歐曾經測量了經常接觸和不接觸四乙鉛的工人體內血鉛的含量，發現兩者都很高。然而他得出的結論是，鉛像鐵一樣，是血液中的天然成分。基歐堅持的另一個觀點是，鉛中毒的閾值是80μg/dL是鉛中毒的閾值，在此標準之下的鉛都不會對人體造成損害。（2021年，美國疾病控制和預防中心將兒童血鉛參考值定爲3.5μg/dL，即在此濃度之上都屬於血鉛超標。）

在此期間，幾乎沒有獨立研究者想要或是可以進行相關方面的研究，基歐的這兩條結論（現在我們知道有大問題），被石油行業、媒體和公衆視爲金科玉律。直到大約30年後，實驗室裏的帕特森，還不知道是環境中的鉛污染了他的樣品。這也是他構建“超淨室”的源頭。

地球變成“大鉛球”

在有了超淨室、並首次測得地球的年齡後，帕特森開始挖掘鉛同位素更廣泛的用途——鉛同位素示蹤。簡單來說，帕特森希望能測量海洋中鉛的同位素成分，來了解水體的運動和物質來源。不巧，這項工作正是由石油行業資助的。

在這項研究中，帕特森又一次遇到了鉛濃度的異常數據。數據顯示，表層海水的鉛含量是深層海水的3~10倍，但按照其它元素（如鋇）的分佈規律，結果應當恰恰相反。在挖掘文獻尋找可能的解釋時，帕特森偶然間發現了有關含鉛汽油的數據，他瞬間意識到“鉛濃度的異常可以用汽油燃燒排放的鉛來解釋”。

1963年，這項被他自己稱爲“大文章”（big paper）的研究發表在《自然》。在文章中，帕特森直接指責了石油行業導致海水中鉛濃度異常。在隨後的另一篇文章中，他又詳細計算了所有鉛可能的自然來源，並且指出“只有加上含鉛汽油之後，數據纔對得上。”

此時，他已經從美國石油學會得到了爲期9年，多達20萬美元的資助。石油行業絕對無法接受這樣的研究。美國石油學會直接決定停止資助，同時還要求美國原子能委員會（他們資助了帕特森測量地球年齡的研究）也停止對帕特森和相關人員的資金支持。據帕特森回憶，甚至還有石油公司的高管打電話給加州理工學院，要求開除自己。

帕特森面臨的不僅是石油行業的打壓，還有其他科學家的詆譭。基歐嘲笑他“對自己的無知缺乏任何概念”，而另一位毒理學家指責帕特森“是在寫科幻小說”。

但帕特森再次拿出了他在實驗室中面對鉛污染的精神，堅持進行了一系列研究來確認鉛污染的來源和嚴重程度：他前往北極和南極，取不同深度的冰層並分析其中的鉛濃度，他發現從18世紀開始，冰層中的鉛含量就開始上升，但從20世紀20年代開始，冰層中的鉛含量突然激增。

爲了證明人體內的鉛並非“自然”，他還設法測量了一具2200年前古埃及木乃伊骨骼中的鉛含量。結果顯示，現代美國人體內的鉛含量是2200年前人類的600倍。隨着測量的數據越來越多，帕特森發現整個地球幾乎變成了一個“大鉛球”，海洋、高山、極地都充滿了鉛，這些鉛正來源於含鉛汽油的燃燒，而它們將會潛伏進人體，成爲隱形殺手。

含鉛汽油的終結

直到20世紀70年代，帕特森的工作才逐漸被接受，隨着更多相關研究出現，基歐被趕下了“神壇”，人們逐漸認識到了含鉛汽油的潛在危害。此時，含鉛汽油已經燃燒了50餘年。

1924年，媒體指責標準石油公司應當對工人生病和死亡負責（圖片來源：New York Evening Journal via The Library of Congress）

最近，發表於《美國科學院院刊》的一項研究，回顧了美國全國健康和營養調查（NHANES）從1976年至2016年收集的近1.2萬幼兒血鉛數據。研究估計，目前有1.7億美國人在幼兒時期血液中的鉛含量超過了警戒值（5μg/dL），達到了全美人口的54%。更可怕的是，1966-1975年，美國所有幼兒的血鉛濃度都超過了5μg/dL的警戒值。同時，研究者還評估了鉛污染導致的認知能力損傷，發現幼兒時期的鉛污染導致美國人均智商（IQ值）下降了2.6分。而出生於最糟糕的10年的那批人，IQ可下降近6分。

1996年1月1日，美國《清潔空氣法》禁止將含鉛汽油用於飛機、賽車、農用設備和船用發動機以外的交通工具。2021年8月30日，聯合國環境規劃署（UNEP）宣佈，隨着阿爾及利亞停止銷售含鉛汽油，全球使用含鉛汽油的時代正式結束。但童年時受到的鉛污染，仍將伴隨許多人終身。

參考鏈接：

https：//www.bbvaopenmind.com/en/science/environment/clair-patterson-got-lead-out-of-gasoline/

https：//core.ac.uk/download/pdf/147007395.pdf

https：//en.wikipedia.org/wiki/Clair_Cameron_Patterson

https：//www.nap.edu/read/6201/chapter/16#274

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

https：//www.worldcat.org/title/polluters-the-making-of-our-chemically-altered-environment/oclc/781108156

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

https：//www.cdc.gov/nceh/lead/prevention/blood-lead-levels.htm

https：//www.bbc.com/zhongwen/simp/world-58408671

相關論文：