Эта статья рассказывает о двух ученых — Клэре Паттерсоне и Томасе Миджли-младшем — и о том, как научные изобретения, созданные одним из них, непреднамеренно привели к гибели миллионов людей, снижению среднего уровня интеллекта в мире, росту преступности и двум экологическим катастрофам, с последствиями которых мы сталкиваемся до сих пор. В то же время работа другого ученого помогла раскрыть масштабы одной из этих проблем и сыграла ключевую роль в ее решении.
Работа Клэра Паттерсона и Загадка Свинца
В 1944 году Клэр Паттерсон, молодой химик после магистратуры, поступил на работу в Манхэттенский проект, где занимался созданием первых ядерных вооружений. Его задачей было концентрирование урана-235, делящегося топлива для бомб, из более распространенного урана-238. Для этого использовались огромные масс-спектрометры, разделяющие два типа урана по их небольшой разнице в массе.
После войны Паттерсон вернулся в аспирантуру, чтобы получить степень доктора наук. Он выбрал исследовательский проект, который позволял использовать его опыт работы с масс-спектрометрами: определение возраста Земли. Радиоактивные породы действуют как природные часы. Например, уран-238 распадается на торий, затем на протактиний и еще через 12 распадов превращается в стабильный свинец-206. Скорость этого распада постоянна и измерима. Чтобы половина образца U-238 распалась до свинца-206, требуется четыре с половиной миллиарда лет. Проект Паттерсона заключался в определении возраста Земли путем измерения отношения урана к свинцу в древних породах.
Для калибровки своего прибора он сначала использовал кристаллы циркона известного возраста. Циркон идеален для этой цели, потому что при его формировании он содержит лишь следы урана, но абсолютно не содержит свинца. Поэтому любой свинец, найденный позднее в цирконе, является продуктом распада урана. Паттерсону поручили измерить содержание свинца, а другой студент, Джордж Тилтон, измерял уран. Измерения урана у Тилтона были в норме и соответствовали прогнозам. Но измерения свинца у Паттерсона сильно варьировались и были во много раз выше, чем ожидалось. Там оказался свинец, которого не должно было быть.
Откуда взялся этот избыточный свинец? Эта загадка заняла остаток жизни Клэра Паттерсона.
Поскольку все первоначальные породы на Земле давно были разрушены тектонической активностью, лучшим способом измерить возраст Земли стало измерение возраста метеоритов. Метеориты происходят с астероидов, сформировавшихся примерно в то же время, что и Земля, и с тех пор дрейфовавших в космосе. Паттерсон измерил пять метеоритов, используя три различных метода радиометрического датирования, и обнаружил, что все они имеют возраст 4,55 миллиарда лет. Это число находится в пределах 0,15% от текущего принятого значения возраста Земли. До экспериментов Паттерсона люди считали Землю на миллиард лет моложе. Таким образом, Паттерсон достиг своей цели – он измерил возраст Земли. Однако он не прекратил бороться с загрязнением свинцом.
Изобретения Томаса Миджли-младшего и их Катастрофические Последствия
История появления избыточного свинца в окружающей среде связана с необходимостью решить другую проблему, возникшую в начале 20 века. В 1908 году в Детройте на мосту Белль-Айл у женщины заглох автомобиль. Проезжавший мимо автомобилист остановился, чтобы помочь. В те времена автомобили заводились вручную с помощью кривошипа. Он опустился на колени и повернул кривошип; двигатель заревел. Слишком внезапно. Мужчина не успел увернуться. Рукоятка кривошипа ударила его по лицу и сломала челюсть. В результате травм он скончался. Его звали Байрон Картер, и он был основателем собственной автомобильной компании. Он имел связи в автомобильной индустрии Детройта. Среди его близких друзей был основатель Cadillac, Генри Леланд. Леланд был настолько опечален смертью друга, что решил устранить ручные кривошипы в своих автомобилях.
Леланд нанял Чарльза Кеттеринга для создания автомобиля с самозапуском. К 1911 году у него был рабочий прототип. Ручной запуск был сложным и опасным. Автомобиль, который заводился сам, изменил все. Первым в мире автомобилем без кривошипа стал Cadillac Model 30. Он был гораздо мощнее предшественников, развивал максимальную скорость 72,4 километра в час и имел мощность 40 лошадиных сил, что в два раза больше, чем у Ford Model T. Model 30 стал огромным успехом для Cadillac, удвоив годовые продажи компании, но у него была проблема. Он был оглушительно громким.
В двигателях внутреннего сгорания поршень сжимает топливно-воздушную смесь, которая затем воспламеняется искрой свечи зажигания. Расширяющиеся горячие газы толкают поршень обратно вниз. Проблема с двигателем Model 30 заключалась в том, что он сжимал топливно-воздушную смесь сильнее, чем предыдущие модели. Настолько сильно, что топливо часто самопроизвольно воспламенялось до искры свечи зажигания. Вместо упорядоченных, идеально синхронизированных взрывов происходило множество беспорядочных сгораний, вызывающих турбулентные волны давления внутри цилиндра. Получающийся звук привел к тому, что проблема стала известна как детонация двигателя.
Детонация была не просто неприятна для слуха, она ухудшала работу двигателя, снижая мощность и топливную эффективность. Вибрации также повреждали поршень и стенки цилиндра, сокращая срок службы двигателя. Хорошей новостью было то, что детонацию можно было исправить, изменив топливо. Разные виды топлива выдерживают разный уровень сжатия до самопроизвольного воспламенения. Например, н-гептан самовоспламеняется даже при небольшом сжатии. Изооктан, напротив, выдерживает гораздо более высокое отношение сжатия, прежде чем самовоспламенится. Поэтому он гораздо реже вызывает детонацию.
Чтобы количественно оценить, какое сжатие может выдержать топливо, ученые разработали систему октанового числа. Они произвольно установили для изооктана значение 100, а для н-гептана — ноль. Реальное топливо состоит не только из этих двух компонентов, а представляет собой смесь множества различных углеводородов. Но октановое число показывает, какая смесь октана и гептана дает эквивалентные характеристики. Например, топливо с октановым числом 98 выдерживает такое же сжатие, как смесь 98% октана и 2% гептана. Дизельное топливо имеет октановое число 20, поэтому оно ведет себя как смесь 20% изооктана и 80% н-гептана. Дизель, по сути, предназначен для самовоспламенения под давлением, но такой тип топлива нежелателен в двигателях со свечами зажигания. Причина, по которой дорогие автомобили требуют высокооктанового топлива, заключается в предотвращении детонации в их высококомпрессионных высокопроизводительных двигателях.
Кеттеринг хотел найти присадку, которая увеличивала бы октановое число обычного топлива и устраняла детонацию. Он нанял 27-летнего инженера Томаса Миджли-младшего. Миджли экспериментировал со всевозможными соединениями, от топленого масла и камфоры до этилацетата и хлорида алюминия. Он позже писал, что большинство из них "не имели большего эффекта, чем плевок в Великие озера".
Этанол был интересным исключением — он действительно останавливал детонацию, но его требовалось много, около 10% топливной смеси, чтобы быть эффективным. Такое количество этанола было бы дорогим и трудноприбыльным. Миджли же искал присадку, которая была бы дешевой, легко производилась и была эффективной даже при низких концентрациях. Он продолжал поиски. Затем он нашел теллур. Он прекрасно работал как антидетонационное средство, но имел ужасный запах. Запах не исчезал ни от смены одежды, ни от купания. Его жена была настолько оскорблена этим запахом, что ему пришлось спать в подвале семь месяцев. Миджли писал, что, хотя это и удваивало топливную экономичность, человечество, вероятно, "не выдержало бы этого запаха".
3 декабря 1921 года, после пяти лет работы над проблемой, Миджли нашел то, что он считал идеальным решением: тетраэтилсвинец. Эта присадка была именно тем, что он искал. Она останавливала детонацию, не пахла, была дешевой в производстве и легкодоступной. Более того, ее требовалось всего одна часть на тысячу для эффективности. В звонке Кеттерингу Миджли сказал: "Можете представить, сколько денег мы заработаем на этом? Мы заработаем 200 миллионов долларов, возможно, даже больше". Это более 3 миллиардов долларов по сегодняшнему курсу.
За свое открытие Американское химическое общество присудило ему престижную премию Николса. Миджли и Кеттеринг запатентовали процесс производства тетраэтилсвинца и назвали свою новую присадку "Этил", возможно, чтобы ее путали с другой распространенной присадкой — этиловым спиртом. Они не упомянули о свинце. Затем они объединились с тремя крупнейшими американскими корпорациями — General Motors, DuPont и Standard Oil of New Jersey — чтобы сформировать Ethyl Corporation. Их маркетинг был блестящим. На гонках Indianapolis 500 в 1923 году все три финишировавших первыми использовали "Этил", и спрос на этилированный бензин резко возрос.
Чтобы удовлетворить спрос, Ethyl Corporation пришлось построить новый химический завод в Нью-Джерси. Но проект начался ужасно. В течение двух месяцев работы десятки рабочих заболели отравлением свинцом, пятеро из них умерли. Чтобы ответить на общественный протест, Миджли провел пресс-конференцию. Там он налил тетраэтилсвинец на руки и вдыхал его целую минуту. Он утверждал, что может делать это ежедневно без вреда. Но Миджли знал об опасностях. Причина, по которой он отказался от публичных выступлений, заключалась в том, что большую часть 1923 года он провел во Флориде, где сам восстанавливался после отравления свинцом. Он старался избегать контакта с продукцией своей компании.
Свинец опасен даже в малых дозах. Он имитирует кальций в нашем организме, поэтому нет эффективного способа избавиться от него. Подобно кальцию, свинец может накапливаться в костях годами, продолжая отравлять организм долгое время после первоначального воздействия. Наиболее чувствительный к свинцу орган — мозг. Свинец разрушает миелиновую оболочку вокруг аксонов и препятствует высвобождению нейротрансмиттеров. Именно поэтому распространенные симптомы отравления свинцом — головные боли, потеря памяти и покалывание в руках и ногах. Дети особенно восприимчивы. Воздействие свинца может вызвать постоянные нарушения обучения и проблемы с поведением.
Опасности свинца были известны на протяжении сотен лет. Уже в 1786 году Бенджамин Франклин отмечал, что свинец использовался слишком долго, учитывая его известную токсичность: "Вы с беспокойством заметите, как долго полезная истина может быть известна и существовать, прежде чем она будет общепринята и применяться на практике". Он был бы поражен, узнав, что почти 150 лет спустя ученые планировали добавлять свинец в топливо. Врачи и представители здравоохранения из Массачусетского технологического института, Гарварда, Йеля и Службы здравоохранения США писали Миджли и предостерегали его от производства тетраэтилсвинца. Они называли свинец "коварным и злокачественным ядом" и "серьезной угрозой общественному здоровью". Их опасения были отклонены.
Никто не сомневался, что большое количество свинца вредно. Но сколько вреда может причинить небольшое количество свинца?
К 1950-м годам миллионы автомобилистов по всему миру сжигали свинец в своих автомобилях и выбрасывали его в воздух. Часть этого свинца оказалась на образцах циркона Клэра Паттерсона, помешав ему определить их возраст. В 1952 году он переехал в Калтех, где построил новую лабораторию с нуля. Подозревая загрязнение окружающей среды, он вырвал электрические кабели из стен, чтобы удалить свинцовый припой. Он ежедневно мыл полы и столы аммиаком и следил за тем, чтобы воздух постоянно выдувался из лаборатории. Чтобы войти внутрь, нужно было надевать пластиковый защитный комбинезон. Паттерсон, по сути, изобрел "чистую комнату".
Общественная обеспокоенность воздействием свинца продолжала расти. Но президент Standard Oil, Фрэнк Ховард, возражал, говоря: "Мы не считаем оправданным отказываться от того, что пришло в индустрию как дар небес, из-за возможности того, что это может быть связано с опасностью". Ученые, финансируемые Ethyl Corporation, утверждали, что свинец является естественной частью нашей среды, и поэтому не вреден для людей. Но Паттерсон задался вопросом: насколько естественен свинец в нашей среде? И у него были навыки, чтобы выяснить это.
Он начал с измерения свинца в океанах. Если бы он был естественным, он ожидал бы, что концентрация свинца будет одинаковой независимо от глубины. Но если загрязнение свинцом увеличилось недавно, его концентрация была бы выше у поверхности. Он взял образцы в Тихом и Атлантическом океанах на глубину до четырех километров. И, как и ожидалось, концентрация свинца была почти в 10 раз выше у поверхности. Загрязнение свинцом было явно недавним.
Чтобы выяснить, когда именно это произошло, Паттерсону пришлось отправиться в Гренландию и Антарктиду. Керны льда фиксируют уровень свинца в воздухе на протяжении тысяч лет. Уровень свинца в атмосфере был повышен на протяжении последних 4500 лет. Все это связано с деятельностью человека, в основном с выплавкой руд для получения металла. Можно увидеть подъем и падение Греческой и Римской империй, спад, вызванный Черной смертью в 1300-х годах, и, конечно, резкий скачок в 20 веке из-за индустриализации и тетраэтилсвинца.
Так как это повлияло на людей? Паттерсон изучил уровни свинца в зубах и костях недавно умерших американцев. Для сравнения он измерил свинец в костях и зубах перуанских и египетских мумий. Поскольку они жили более 1600 лет назад, они подвергались гораздо меньшему воздействию свинца в течение своей жизни. Он ожидал, что у современных американцев будет примерно в 100 раз больше свинца в костях. Но результаты показали, что эта разница ближе к 1000 раз. У американцев 20 века было в 1000 раз больше свинца в костях, чем у их предков.
Исследования молочных зубов показали, что даже воздействие свинца значительно ниже уровня, считавшегося безопасным, приводило к задержке обучения, снижению IQ и увеличению проблем с поведением. Существует широкий консенсус, за исключением свинцовой индустрии и ее представителей, что свинец чрезвычайно токсичен даже в чрезвычайно низких дозах. Последующее исследование показало, что те, у кого был более высокий уровень свинца в молочных зубах, во много раз чаще бросали среднюю школу. В результате подобных исследований рекомендации Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC) для приемлемого уровня свинца в крови у детей снизились с 60 микрограммов на децилитр до 3,5. И, насколько нам известно сегодня, безопасного уровня свинца не существует.
По оценкам, свинец является причиной почти двух третей всех необъяснимых умственных отклонений в мире. Согласно исследованию, опубликованному в 2022 году, более половины нынешнего населения США — 170 миллионов человек — подвергались высокому уровню свинца в раннем детстве. Особенно сильно пострадали родившиеся между 1951 и 1980 годами. Авторы исследования оценивают, что в целом свинец привел к потере более 800 миллионов пунктов IQ. Мир сегодня менее интеллектуален из-за этилированного бензина.
Но есть еще более тревожные корреляции. В США наблюдался устойчивый рост преступности с 1970-х по 1990-е годы, затем она резко снизилась. Этот график поразительно похож на график уровня свинца в крови у дошкольников, смещенный на 20 лет. Возникает очевидный вопрос: выросли ли дети, подвергшиеся более высокому уровню свинца, и стали совершать больше преступлений, чем они совершили бы иначе? Можно подумать, что это просто ложная корреляция. Но та же закономерность наблюдается во многих странах, включая Великобританию, Канаду и Австралию. И мы знаем, что существует причинно-следственная связь между воздействием свинца и антисоциальным или насильственным поведением. Исследование 340 подростков показало, что арестованные подростки в четыре раза чаще имели повышенный уровень свинца в костях, чем контрольная группа из аналогичных демографических групп, у которых не было проблем с законом. Это не означает, что свинец является причиной всего роста преступности, но, скорее всего, он ответственен за его часть.
Трудно оценить точное число жертв свинца. Одним из его менее известных последствий является утолщение артерий, ведущее к увеличению числа сердечно-сосудистых заболеваний. Исследование 2018 года показало, что свинец, вероятно, был причиной 250 000 смертей от сердечных заболеваний в год в США. Принимая постоянную скорость за последнее столетие, это составляет 25 миллионов смертей только в США. В мировом масштабе эта цифра может достигать 100 миллионов. Большинство этих смертей связаны с решением Миджли добавлять свинец в бензин — вещество, о токсичности которого он знал не понаслышке, но сделал это ради максимальной прибыли. И проблема не окончена. Текущие оценки смертей, вызванных свинцом, варьируются от 500 до 900 тысяч в год. Отчет ЮНИСЕФ за 2020 год предупреждает, что каждый третий ребенок в мире, то есть более 800 миллионов детей, имеет уровень свинца в крови, равный или превышающий пять микрограммов на децилитр. Большая часть этого свинца сейчас поступает из батарей и промышленных процессов, но часть все еще является следствием изобретения Миджли.
После успеха с "Этил" Миджли был назначен руководителем еще одного инженерного проекта. GM производила не только автомобили, но и бытовую технику, и у холодильников была проблема. Два наиболее распространенных газа, используемых в качестве хладагентов, — метилформиат и диоксид серы. Один из них высокотоксичен, другой легко воспламеняется. Миджли было поручено создать более безопасную альтернативу. В 1928 году он разработал нетоксичный и негорючий хладагент — дихлордифторметан. GM назвала этот новый продукт "Фреон". Чтобы продемонстрировать безопасность Фреона, во время презентации на Американском химическом обществе Миджли вдохнул полный объем этого газа и задул свечу.
В последующие десятилетия хлорфторуглероды (ХФУ), такие как Фреон, стали очень популярны и использовались в качестве растворителей и аэрозолей. Проблема в том, что ХФУ легкие и стабильные. Высвобождаясь в атмосферу, они поднимаются в стратосферу, где могут оставаться от 50 до 100 лет. Но если молекула ХФУ сталкивается с ультрафиолетовым фотоном нужной энергии, она распадается, высвобождая атом хлора. Этот атом хлора затем может реагировать с озоном, расщепляя его на оксид хлора и газообразный кислород. В результате произошла еще одна экологическая катастрофа: дыра в озоновом слое. При меньшем количестве озона больше УФ-излучения проникает в атмосферу, увеличивая частоту рака кожи и катаракты. Кроме того, ХФУ являются мощными парниковыми газами; в пересчете на килограмм они вызывают в 10 000 раз большее потепление, чем CO2. Историк Джон Макнил написал, что Миджли "оказал большее влияние на атмосферу, чем любой другой отдельный организм в истории Земли".
В 1940 году, в возрасте 51 года, Миджли заболел полиомиелитом и стал инвалидом. Чтобы помочь себе подниматься, он изобрел механическую кровать, управляемую системой веревок и блоков. 2 ноября 1944 года, пользуясь этим приспособлением, он запутался в веревках и умер от удушения.
Борьба с Загрязнением и Результаты
Благодаря работе Клэра Паттерсона стало ясно, что свинец в нашей окружающей среде не является естественным. Сжигание свинца в двигателях внутреннего сгорания распространило этот токсичный элемент по всей планете: в воздухе, океанах, снегу на Южном полюсе и даже в наших костях.
Япония была первой страной, запретившей этилированное топливо в автомобилях в 1986 году. Но вскоре за ней последовали и другие страны. Алжир сделал это последним в 2021 году. ООН подсчитала, что отказ от свинца в бензине спасает более миллиона жизней в год и экономит 2,45 триллиона долларов. Однако этилированный бензин до сих пор используется в поршневых двигателях самолетов. В настоящее время это крупнейший источник выбросов свинца в воздух в США.
"Вы с беспокойством заметите, как долго полезная истина может быть известна и существовать, прежде чем она будет общепринята и применяться на практике".
Соглашение о поэтапном отказе от ХФУ — Монреальский протокол — вступило в силу в 1989 году. И озоновый слой сейчас показывает признаки восстановления, хотя для полного восстановления потребуется еще много десятилетий.
Заключение
Истории Клэра Паттерсона и Томаса Миджли-младшего демонстрируют, насколько значительное воздействие — как положительное, так и отрицательное — может оказать один человек на окружающую среду и человечество в целом. Работа Паттерсона, направленная на научное исследование проблемы загрязнения свинцом, в конечном итоге привела к глобальным изменениям, спасшим миллионы жизней.
В то же время изобретения Миджли, движимые коммерческими целями, имели широкомасштабные и смертоносные последствия, затрагивающие здоровье человека, когнитивные способности, социальную стабильность и планетарную атмосферу. Эти истории подчеркивают важность тщательной оценки потенциальных долгосрочных последствий научных и технологических достижений.