Открытие, которое случайно убило миллионы [Veritasium]

Вот сайт с шаурмой. Likes — это история о том, как один ученый совершил три открытия, которые косвенным образом привели к смерти миллионов людей, включая его самого, вероятно, послужили причиной спада среднего уровня интеллекта на Земле и взлета уровня преступности, а еще вызвали две экологические катастрофы, последствия которых мы ощущаем по сей день.

В 1944 году молодой химик, только что получивший степень магистра, Клэр Паттерсон работал над Манхэттенским проектом. Участвовал в создании первых ядерных бомб. Его задачей было отделить частицы урана-235 от более распространенного урана-238. Для этого требовались сложные аппараты — масс-спектрометры, которые помогали отличить один изотоп от другого по небольшой разнице в массе.

После войны Паттерсон вернулся в университет и стал думать о диссертации. Он хотел пустить в дело свой опыт работы на масс-спектрометре и потому решил взяться за выяснение возраста Земли. Радиоактивные породы — это своеобразные часы. Возьмем уран-238: он распадается на торий, затем на актиний и через еще 12 распадов превращается в стабильный свинец-206. Скорость этого процесса постоянная, и мы знаем, что за четыре с половиной миллиарда лет половина урана в образце обязательно превращается в свинец.

Паттерсон планировал вычислить возраст нашей планеты, измерив соотношение количества урана и свинца в древнейших породах. Для калибровки инструмента он использовал кристаллы циркона, возраст которых был уже известен. Они идеально подходят для задачи: при формировании в них попадает небольшое количество урана, а вот свинца нет совсем. Поэтому любой обнаруженный в кристалле свинец должен быть результатом распада урана.

Паттерсону надо было измерить количество свинца, а его коллега, Джордж Хилтон — количество урана. Результаты Хилтона вопросов не вызывали: все совпадало с расчетами. А вот обнаруженное Паттерсоном количество свинца объяснению не поддавалось: оно во много раз превосходило ожидания исследователей. Мы сравнили наши замеры, и Джордж говорит: «Что-то тут не то. Паттерсон, столько свинца там быть не должно. Но откуда он тогда взялся?»

Ответ на этот вопрос Клэр Паттерсон искал до конца своей жизни, сделав по пути еще несколько открытий. На дворе 1908 год. Девушка ведет автомобиль. Она едет по мосту в Детройте, и вдруг машина глохнет. Помочь решил проезжающий мимо водитель. Авто того времени надо было заводить вручную. Мужчина встал на колено, крутанул стартер, и двигатель заработал. Вот только очень уж внезапно: мужчина не успел отскочить — ручка стартера ударила его по лицу и сломала челюсть. Позже от этих травм он скончался.

Этого мужчину звали Байрон Картер. Он занимался производством автомобилей и знал многих из детройтского автопрома. Среди его приятелей был основатель компании Cadillac Генри Леланд. Его настолько потрясло гибель друга, что он решил раз и навсегда избавить автомобили от кривых стартеров. К делу подключили Чарльза Кеттеринга, которому дали задание придумать новый способ заводить автомобиль. И в 1911 году прототип был готов.

Заводить автомобиль вручную тяжело и опасно. Лучше ставить на эту мужчин, но теперь есть машина, которая заводится сама — совсем другое дело! Первой машиной без кривого стартера стала Cadillac модель 30. Она была гораздо мощнее своих предшественников: максимальная скорость свыше 70 километров в час, 40 лошадиных сил — вдвое больше, чем у Ford Model T. Этот Cadillac принес своим создателям невероятный успех: годовые продажи выросли вдвое.

Все омрачало одна деталь: ревела машина просто оглушительно. В двигателях внутреннего сгорания поршень отжимает топливо-воздушную смесь, которая затем поджигается искрой от свечи зажигания. Горячий газ расширяется и толкает поршень вниз. В двигателях нового Cadillac топливно-воздушная смесь сжималась сильнее, чем в предыдущих моделях. Из-за этого она периодически произвольно загорала, даже безо всякой искры.

В итоге вместо строгого выверенного зажигания происходило множество случайных детонаций, которые создавали в цилиндре хаотичные волны давления. При этом раздавались характерные звуки: говорили, что двигатель стучит. Однако неприятный звук — это полбеды. Работа двигателя тоже страдала: подала, мощность снижалась. Эффективное сгорание топлива от вибрации страдали поршень и стенки цилиндра, что сокращало срок работы деталей.

Честь от стука в двигателе избавляло смена типа топлива. Горючие жидкости способны выдерживать разную силу давления, не загораясь. Например, гептан, а вот у изооктана довольно высокий коэффициент сжатия, и чтобы он воспламенился, приходится приложить больше усилий. Чтобы обозначить эту разницу, ученые предложили систему деления по октановому числу. Изооктану они присвоили значение 100, а гептану — 0.

Но в действительности, в топливе бывают и другие компоненты — это смесь различных углеводородов. Октановое число показывает, какое соотношение гептана и октана воспламенилась бы при том же сжатии. Например, топливо с октановым числом 98 выдерживает то же давление, что и смесь октана и гептана на соотношение 98:2.

Возьмем немного такого топлива, поместим в этот поршень, резко сожмем, и ничего не происходит! Собственно, как и ожидалось: такое топливо хорошо выдерживает давление. У дизеля октановое число 20, то есть все равно что смешать 20% изооктана и 80% гептана. Если я накапаю в поршень дизельного топлива, сейчас посмотрим, что случится при таком же сжатии.

Вот видите, произошел небольшой хлопок, как раз потому, что это низкое октановое топливо. Затем и нужен дизель: мы его сжимаем, и он загорается. Именно поэтому заливать такое топливо в двигатель со свечой зажигания не стоит. В мощных дорогих авто смесь перед зажиганием очень сильно сжимается, именно поэтому им требуется высокооктановое топливо.

Кеттеринг хотел выяснить, что такого можно добавить в топливо, чтобы повысить октановое число и избавиться от стука в двигателе. Он нанял 27-летнего Томаса Миджли-младшего и чего только нижний не заливал в топливо, от топленого масла и камфоры до этилацетата и хлорида алюминия. Позже он писал, что от большинства из них толку было не больше, чем от плевка в Великие озера. Однако некоторый эффект все же произвел этанол: с ним стук в двигателе прекращался. Но вливать его приходилось щедро — около десяти процентов.

Смесь с этанолом получилась бы дорогой, а это плохо для бизнеса. Миджли надо было найти дешевую, простую в производстве присадку, которая была бы эффективна в небольших количествах. Он продолжил работу. Наконец, очередь дошла до теллура, который замечательно помогал от стука в двигателе, но отвратительно вонял. Запах выдался таким, что не помогала ни смена одежды, ни ванна. Для жены ученого он оказался настолько невыносим, что масса пришлось семь месяцев спать в подвале.

Он писал, что хотя это вещество вдвое увеличит экономию топлива, предки человечества смирятся с его ароматом. 3 декабря 1921 года, спустя пять лет упорной работы, нижний, как ему показалось, нашел идеальное решение — тетраэтилсвинец. А там свинца! Вот здесь, в серединке. Это был тот самый компонент, который искал ученый. Он избавлял двигатель от стука и не вонял.

Его производство было дешевым и несложным, а самое чудесное: требовалось его очень мало — одна часть на тысячу! Он позвонил Кеттерингу и сказал: «Только представьте, сколько мы заработаем: может, 200 миллионов долларов, а может, и больше!» В пересчете на современные деньги это более 3 миллиардов. Американское химическое общество присудило Миджли премию Николса и попросило провести несколько публичных лекций, но ученый отказался. Вместе с Кеттерингом он запатентовал процесс производства тетраэтилсвинца, а новую присадку они назвали Ethyl, вероятно, чтобы было похоже на используемый для тех же целей этиловый спирт. Свинец же нигде не упоминался.

А потом, вместе с тремя крупнейшими американскими корпорациями — General Motors, DuPont и Standard Oil of New Jersey — они основали корпорацию Ethyl. Маркетинг у них был на высоте: никто, глядя на выдающиеся достижения исследовательского отдела, не посмеет возражать, что эти люди смотрят в будущее. Они заняты поиском новых знаний и принципов, которые улучшат жизнь каждого человека и сделают ее проще.

В 1923 году на гонках 500 миль Индианаполиса призовые места достались тем, кто ехал на топливе от новой корпорации. Спрос на продукцию пошел вверх. Чтобы его удовлетворить, компания решила запустить в Нью-Джерси новый химический завод. Начало работы было ужасным: десятки рабочих, первые же два месяца, отравились свинцом. Пятеро из них умерли.

Чтобы успокоить возмущение общественности, Миджли выступил на пресс-конференции. Там он налил тетраэтилсвинец себе на руки и даже дышал им в течение минуты. Ученый заявил, что может повторять это ежедневно, без вреда для здоровья, но он знал, что это не так. В свое время он отказался от публичных лекций, потому что значительную часть 1923 года лечился от последствий отравления свинцом во Флориде. По возможности продукции своей же компании, Миджли старался не приближаться.

Свинец опасен даже в небольших количествах: по некоторым характеристикам он похож на кальций и поэтому плохо выводится из организма. Он накапливается в костях, и токсическое воздействие может растянуться на годы, даже если перестать с ним контактировать. Наиболее чувствителен к этому наш мозг. Свинец разрушает миелиновую оболочку аксонов и мешает выделению нейромедиаторов. Поэтому к самым частым симптомам отравления свинцом относят головные боли, потерю памяти и покалывание в руках и ногах.

Хуже всего свинец сказывается на детях: у них он может спровоцировать поведенческие расстройства и снижение способности к обучению. Все это было известно уже сотни лет назад. Еще в 1786 году Бенджамин Франклин отмечал, что активное применение свинца слишком затянулось, учитывая, насколько он вреден. Беспокойно от того, как долго полезная известная истина может оставаться без всеобщего признания и практического применения.

Франклин пришел бы в ужас, если бы узнал, что почти через полтора века ученые решили добавлять свинец в топливо. Врачи из Гарварда и чиновники министерства здравоохранения США предупреждали Миджли, что не стоит производить тетраэтилсвинец. Они назвали это медленным, но жутким ядом — серьезной угрозой здоровью населения. Их словам не вняли.

Здесь видно, как в топливо добавляют точно рассчитанное количество окрашенной жидкости с тетраэтилсвинца. Свинец в больших количествах вреден, а это сомнений не вызывало. Но что страшного, если свинца будет совсем немного? К 1950-м миллионы автолюбителей жгли свинец в двигателях машин, а оттуда он попадал в воздух. Частично эти выбросы усиливают образцы циркона, возраст которых пытался, но не смог верно установить Клэр Паттерсон.

В 1952 он отправился строить в Калтехе новую лабораторию. Он хотел максимально исключить возможность внешних загрязнений, поэтому сорвал со стены электрические провода, чтобы убрать свинцовый припой. Каждый день он натирал полы и мебель аммиаком, следил за тем, чтобы вентиляция работала только на вытяжку. Обходить в лабораторию можно было только в защитном костюме.

С этого, по сути, начались чистые помещения. В своей лаборатории он принялся исследовать самые древние камни в Солнечной системе — метеориты. У Земли нет нетронутых древних пород, не осталось. Все из-за тектонической активности. Метеориты же — осколки астероидов, которые сформировались примерно тогда же, когда и Земля. Долги путешествовали по космосу, а теперь упали на поверхность планеты. Значит, лучший способ выяснить возраст Земли — это выяснить возраст метеоритов.

Паттерсон для начала взял пять метеоритов и применил к ним три разных метода радиометрического датирования. Он установил, что всем им 4,55 миллиарда лет. Это число отличается от признанного на сегодня возраста Земли не более чем на 15 сотых процента. До исследований Паттерсона считалось, что Земля на миллиард лет моложе. Так что Паттерсон добился своего: он выяснил возраст нашей планеты.

Настало время решить проблему свинца. Опасения в обществе по этому поводу только усиливались. Фрэнк Говард, возглавлявший тогда Standard Oil, возражал: «Мы не считаем оправданным отказываться от этого, да раз выше для всей индустрии за одних только предположений о возможных рисках». Ученые, кому корпорация Ethyl выделяла финансирование, заявляли, что свинец — естественный элемент окружающей среды, а следовательно, для человека он не опасен. Но Паттерсон сомневался, что свинец стал частью нашей среды таким уж естественным образом, и он знал, как именно это проверить.

Для начала он измерил содержание свинца в океанах. Если мы по природе должны жить в окружении свинца, то его концентрация на любой глубине будет одинаковой. Однако если его содержание повысилось только недавно, то концентрация ближе к поверхности будет выше. Паттерсон взял образцы воды Тихого и Атлантического океанов на разной глубине — вплоть до 4 километров. Как и ожидалось, концентрация свинца у поверхности оказалась в 10 раз выше.

Сомнений не осталось: свинец там недавно. Но когда именно он туда попал? За ответом Паттерсону пришлось отправиться в Гренландию и Антарктиду. По ледяным кернам можно выяснить, сколько свинца было в воздухе в прошлом. Содержание свинца в атмосфере росло последние четыре с половиной тысячи лет. Причина — в человеческой деятельности, главным образом, плавлении руды для производства металлов.

В ледяной летописи сохранились расцвет и падение Древней Греции и Рима, спад во времена чумы в 14 веке и, естественно, скачок в 20 веке на фоне индустриализации, появления тетраэтилсвинца. Как это сказалось на людях? Паттерсон измерил содержание свинца в зубах и костях недавно умерших американцев. Для сравнения он взял кости и зубы мумифицированных перуанцев и египтян. Эти люди жили больше полутора тысяч лет назад, наверняка, гораздо меньше подвергались воздействиям свинца.

Ученый ожидал, что в тканях его современников этого металла обнаружится в сотню раз больше, но результаты показали куда более значительную разницу. У американцев в 20 веке оказалось в тысячу раз больше свинца, чем у людей древности. Исследование молочных зубов указывает на то, что концентрации, сильно ниже признанных опасными, могут приводить к задержкам в обучении, пониженному IQ и проблемам с поведением.

Практически все, за исключением индустрии и ее представителей, признают, что свинец высоко токсичен, даже в очень малых количествах. Последующее исследование показало, что дети, в зубах которых было больше свинца, гораздо чаще вылетали из школы. В итоге Центр по контролю и профилактике заболеваний США постепенно снизил планку допустимого содержания свинца в крови детей — с 60 микрограммов на 100 миллилитров до трех с половиной. Насколько нам известно, сейчас безопасного количества свинца не существует.

Считается, что в мире им вызваны почти две трети случаев задержки умственного развития без явных причин. В исследовании 2022 года говорится, что более половины населения США — а это 170 миллионов человек — в раннем детстве подверглись воздействию высокого содержания свинца, особенно те, кто родился между 1951 и 1980 годами. Авторы пишут, что суммарно свинец отнял более 800 миллионов пунктов IQ. То есть человечество глупее из-за свинца, который добавляли в топливо.

Некоторые корреляции пугают еще больше. В США с 1970 по 1990 годы зафиксирован рост преступлений, который сменился резким спадом. Этот график очень похож на тот, который за 20 лет до этого отражал содержание свинца в крови. Так и хочется спросить: может, дети с повышенным содержанием свинца выросли и совершили больше преступлений, чем могли бы? Может быть, это просто совпадение?

Но похожую картину можно наблюдать и в других странах — например, в Британии, Канаде и Австралии. Мы знаем, что связь между содержанием свинца в организме и антисоциальным жестоким поведением существует. Исследование 340 подростков показало, что у тех, кто имел проблемы с законом, в 4 раза чаще наблюдалось повышенное содержание свинца в организме, чем у тех, кого ни разу не арестовывали.

Естественно, это не значит, что рост преступности стоит связывать только со свинцом, но есть вероятность, что какую-то роль он играет. Довольно сложно оценить, сколько человек умерли из-за свинца. Не самый известный его эффект — уплотнение артерий, что повышает риск заболевания сердечно-сосудистой системы.

Согласно работе 2018 года, свинец, возможно, провоцирует 250 тысяч смертей от сердечно-сосудистых заболеваний в год в одних только штатах. Если показатель не менялся за последние 100 лет, то это 25 миллионов человек, торте в США. Если считать по всему миру, число вырастает до 100 миллионов. Большинство из этих людей убило решение Миджли добавить свинец в бензин, ведь он прекрасно знал, насколько это опасно, и все же пошел на риск ради прибыли.

Однако и на этом проблема не кончается. По современным оценкам, в год из-за свинца погибает от 500 до 900 тысяч человек. ЮНИСЕФ в докладе 2020 года сообщает, что у каждого третьего ребенка в мире — это больше 800 миллионов детей — содержание свинца в крови превышает 5 микрограммов на 100 миллилитров. Основные источники этого свинца — аккумуляторы и промышленность.

Но что-то последствия открытий Томаса Миджли. После оглушительного успеха с Ethyl Миджли встал во главе еще одного проекта. General Motors производили не только автомобили, но и технику для дома. У холодильников была проблема: чаще всего в качестве холодильного агента использовались метилхлорид и оксид серы. Один из них — очень токсичный, второй легко воспламеняется.

Им дали задание создать более безопасный вариант, и в 1928 году он предложил нетоксичное устойчивое к воспламенению вещество — фреон. General Motors дали ему название фреон, чтобы показать, что он безопасен. На мероприятий Американского химического общества Миджли набрал полную грудь фреона, а затем задул свечу.

За следующее десятилетие вещества, подобные фреону, активно использовались как растворители и в аэрозолях. Но хлорфторуглероды или легкие стабильные, попадая в воздух, поднимаются в стратосферу и остаются там на 50, а то и сотню лет. Если только в молекулу газа не попадет фотон с энергией, которой хватит, чтобы разорвать ее и высвободить атом хлора.

Атом хлора может вступить в реакцию с озоном, и тогда мы получим моноксид хлора и кислород. В итоге — еще одна экологическая катастрофа: дыра в озоновом слое. Чем меньше озона, тем больше ультрафиолетовых лучей проникает в атмосферу, а у нас растет число заболеваний раком кожи и катаракты. К тому же хлорфторуглероды — это активные парниковые газы. На килограмм они удерживают больше тепла, чем углекислый газ.

Историк Джон Макнилл пишет, что Миджли повлиял на атмосферу Земли сильнее, чем любой другой отдельный живой организм за всю историю. Монреальский протокол, который предполагает постепенный отказ от использования хладонов, вступил в силу в 1989 году. Сейчас в озоновом слое отмечаются признаки восстановления, хотя окончательно в норму он придет только через десятки лет.

В 1940-51 годах он заболел полиомиелитом, что привело к инвалидности. Чтобы помочь себе вставать, он придумал специальную кровать, управляемую системой веревок и блоков. 2 ноября 1944 года он запутался в веревках своего изобретения и умер от удушения.

Благодаря исследованиям Клэра Паттерсона мы узнали, что свинец не естественная часть нашей среды обитания. Добавляя его в топливо, мы разнесли частицы вредного вещества по всей планете. Они пропитали воздух, океан и снег на Южном полюсе, и наши кости. Первые топлива со свинцом запретила Япония в 1986 году. Ненамного отстали и другие страны. Последним в двадцать первом году запрет наложил Алжир.

По подсчетам, таким образом, мы ежегодно спасаем от смерти миллион человек и экономим почти два с половиной триллиона долларов. Однако топливо со свинцом до сих пор используется в поршневых двигателях самолетов в США. Это главный источник выбросов свинца в атмосферу. Беспокойно от того, как долго полезная известная истина может оставаться без всеобщего признания и практического применения.