被遗忘的遗产：为战争建造的核反应堆，如何在和平时期影响科学
句理pro2020-07-21 19:03
历时三年的美国陆军曼哈顿计划，制造出世界上第一颗原子弹，为后来的二战胜利打下基础，同时曼哈顿计划也遗留了大量核战争遗产，其中就包括核材料生产工厂，生产出的同位素孕育了多项重大科研成果，甚至获得了几项诺贝尔奖，改变了科学史。
工人们向橡树岭的X-10石墨反应堆装铀燃在世界第一次核弹爆炸试验75周年之际，学生打开生物课本，研读学习绿色植物将空气中的二氧化碳转化为糖的复杂化学途径；警察借助DNA鉴定锁定抓捕嫌犯；一个狂热的垂钓者起个大早，决定去池塘里钓鱼。
如果让这些人中的任何一个人将自己的所作所为，与75年前在新墨西哥州沙漠上空蘑菇云的升起联系在一起，都会觉得不可相信。但事实就是它们都与曼哈顿计划有着剪不断的联系。
在那个灾难性的日子里，一颗核弹在黎明时分被引爆，一个大约棒球大小的核释放出大约20000吨TNT当量的能量，摧毁了四收集爆炸数据的铁塔，将爆炸中心的砂粒融化成绿色玻璃，并开启了原子能时代。
为了达到这一里程碑，美国政府召集了大量人员，花费了数十亿美元，以计划最初的所在地纽约市命名为曼哈顿计划。这个战时项目产生的影响，比如核军备竞赛，仍然在我们的公众意识中隐约可见。但是对我们大多数人来说，其他影响已经消失不见。
生物教科书、基因测试和湖边度假胜地就是曼哈顿计划被遗忘的遗产的三个重要代表，它们通过一种叫做同位素的原子连接在一起，这些原子在第二次世界大战前部署在科学实验室和工厂中，但在战后的几十年里，在政府机构的推动下，它们走进医院、警局。
普林斯顿大学的科学历史学家安吉拉·克里格(Angela Creager)在她的《生命原子》(Life Atomic)一书中记录了二战后几十年的同位素发展史。
她说：“一般来说，当普通人和学者都在思考曼哈顿计划的遗产时，我们也在思考物理和工程被用于军事的方式。我发现的一部分是，原子能在民用领域中的遗产，与它在军事用途中的遗产一样多……二战后同位素在生物学和医学领域取得的许多进展，很大程度上归功于冷战时期美国的物质和政策。”
化学性质完全相同的同位素，在物理和医学领域大放异彩
同位素在20世纪早期被发现，当时我们对物质的理解有了显著的进步，科学家们已经证实了原子的存在，并且正在试图弄清楚它的三个主要部分——电子、质子和中子，以及它们是如何结合在一起的。他们最终得出的结论之一就是：每种元素都有固定数量的质子，但可以有不同数量的中子。
这些质子数相同中子数不同的同一元素被称为同位素。为了方便表示并区分同位素，在我国常使用元素名称加质量数的方法表示同位素，如碳14，也常用字母来表示元素，例如H表示氢，元素左侧角标表示质量数和质子数。
碳-12和碳-14一些同位素是稳定的，可存在亿万年，而有一些是不稳定的，或者说具有放射性。这些所谓的放射性同位素最终会衰变为某种其他元素或同位素，在这个过程中以高能粒子或高能伽马射线的形式发出辐射。
在第二次世界大战之前，同位素从自然物质中分离出来，也可以通过将加速器中加速的带电粒子粉碎成目标物质而人工生成。
同位素的惊人之处在于，它们在物理上是可探测的，但在化学性质上却是完全相同的。这意味着科学家可以用放射性同位素替代普通的原子，然后使用探测器对其进行跟踪，确定特定物质在体内或体外的位置、数量及其转变等，这一方法被称为同位素标记法，或同位素示踪法，广泛应用于生物代谢研究和微量物质分析等。
同位素标记法的广泛应用在20世纪30年代，科学家和医生在实验中使用了同位素，但是同位素的普遍缺乏使得实验无法大批量进行。原子弹制造的狂热推动产生了能够产生大量同位素的东西——核反应堆，有效地改变了同位素缺乏且昂贵的尴尬境地。
1943年，美国军方在后来成为田纳西州橡树岭市的地方建造了第一座工业规模的核反应堆，它是最终在华盛顿州汉福德建造的更大反应堆的试点工厂。反应堆在战争中的主要作用是生产同位素钚-239，早前科学家们已经得出结论，-239可以构成他们正在设计的两种原子弹之一的爆炸核心。
橡树岭核反应堆的外部视图钚-239是反应堆中产生的快中子轰击铀-238产生的，铀燃料棒在反应堆中经过一定时间后，通过化学方法提取。
但是不是反应堆制造的唯一一种元素，在燃料棒中还有其他“副产品”同位素。科学家们还可以通过将材料放入反应堆，用中子轰击来制造特定的同位素，这些中子就像回旋加速器中的带电粒子一样，可以转化他们遇到的原子。
甚至在战争期间，橡树岭反应堆有时会产生用于非军事用途的同位素，包括用于癌症治疗的放射性磷-32。
战后，许多曼哈顿计划的科学家认为橡树岭反应堆应该开始定期向科学家和医生提供同位素进行研究。
当时，在这项任务上，反应堆比回旋加速器有一定的优势：它们可以生产更多种类的同位素。此外，科学家们希望通过和平应用从军方手中夺取核技术的控制权。
1946年，曼哈顿计划的同位素处在橡树岭成立，以监督同位素的生产制造。那年6月，曼哈顿计划总部在《科学》杂志上发表一篇文章，列举了大约100种不同同位素，这是世界上第一份“放射性同位素产品目录”，并指出放射性同位素的可用性。
工人们准备出售橡树岭反应堆的第一批同位素，同位素被运送到密苏里州圣路易斯的巴纳德自由皮肤和癌症医院
几年后，同位素处(更名为同位素部门)不仅满足了研究人员对同位素的需求，还有剩余。曼哈顿计划的继承者——美国原子能委员会开始为同位素打广告，将一些广泛使用的同位素的价格降低到低于生产成本，寻找买家，甚至生产和运输成本都得到政府的高额补贴。
如果不是为了推广放射性同位素，放射性同位素不会被广泛使用。橡树岭反应堆是政府作为曼哈顿计划的一部分建造的，没有个人或企业会为了得到放射性同位素去建设此类设施。
到1950年，从橡树岭装运出去的同位素接近20000千克，它们日益渗透到从医疗到生物化学的各个领域。
巴黎索邦大学的科学史学家内斯托尔·赫兰曾说：“同位素是核反应堆的第一个，也是十多年来唯一一个重要的民用应用。”
美国原子能委员会经常将它们吹捧为核技术有益与和平的一面，几十年来，各国政府——包括美国曼哈顿计划的主要合作者加拿大和英国，都是供应链中的关键角色。
1955年至1973年间担任橡树岭国家实验室主任的阿尔文温伯格(Alvin Weinberg)得出了一个著名的结论：“如果在某个时候，一位天上的天使应该问一问，位于东田纳西州群山中的实验室为改变人类的生活并使之变得更好做了些什么，我敢说，用于科学研究和医疗的放射性同位素的生产肯定会成为第一名的候选对象。”
1945年8月12日，广岛和长崎爆炸后不到一周，《达拉斯晨报》刊登了一幅政治漫画，展示了被拟人化的一具人体骨骼，躲避着强大的原子能射线。
虽然这幅漫画在现代人看来可能很幼稚，但它显示了当时的乐观情绪，即新的核技术可以被重新利用，为医生提供强大的新工具来对抗疾病。1948年，美国原子能委员会启动了一个项目，旨在为癌症诊断、治疗和研究免费提供同位素，“收件人”只需支付少量运费。
起初，人们认为放射性同位素可能通过集中在身体的某些部位并从内部照射肿瘤来攻击癌症。但总的来说，这种方法并不像希望的那样奏效。
20世纪50年代，医生们更多地转向同位素钴-60和铯-137，它们为癌症治疗提供了外部辐射源。其他半衰期较短的同位素成为诊断成像的重要工具，以揭示病人的内部解剖结构。
今天，全世界的医生使用最广泛的医用同位素是-99，每年利用其进行大约4000万次诊断。
放射性同位素的危险
在20世纪40年代，科学家们主要从急性辐射的角度来考虑辐射危害，例如辐射烧伤或高剂量辐射引起的辐射中毒。直到20世纪50年代和60年代，人们才对低剂量辐射通过基因突变造成长期危害的可能性有了更深入的了解。
因此，在放射性同位素示踪研究的早期，相对于后来的安全标准，科学家们常常对实验室中放射性的危险满不在乎。同样，同位素的早期医学用途有时违反了今天被认为是基本的伦理原则。
一个典型的例子是一项研究，该研究让孕妇服用放射性物质，以跟踪它是如何被人体吸收的。研究人员使用来自反应堆的放射性同位素，而不是回旋加速器，尽管反应堆产生的同位素含有寿命更长同位素，但最终会对健康造成更大的危害。
回旋加速器尽管进行最初研究的科学家认为放射性铁不会对胎儿造成任何危险，但后来的一项研究发现，孕期同位素的服用让孩童患儿童期癌症的几率略有增加，在统计学上有显著意义。事实上，这项研究促成了一种新的认识，即胎儿特别容易受到辐射的伤害。
随着对放射性同位素风险认识的增加，监管也在增加。今天，放射性同位素的诊断用途通常使患者暴露在比早期低得多的辐射中，而治疗用途则更精确地瞄准被治疗的部位和组织。
同样，更好的辐射探测设备的开发和放射性标记化合物的商业化生产也减少了科学家在实验室进行放射性同位素示踪实验时受到的辐射量。
总的来说，如果放射性同位素示踪物处理得当，它们产生的辐射水平比背景辐射低。在医疗层面，许多医生和病人认为他们从核医学诊断中获得的健康益处大于风险。
然而，即使是低剂量暴露，保持警惕也很重要。
推动二战胜利，也推动科学发展
同位素可以充当微小的原子信标，当添加到细胞、整个生物体甚至整个星球的大气等系统中时，可以通过探测器进行追踪。
稳定同位素和放射性同位素都可以作为示踪剂，在二战结束后，放射性同位素在大规模使用方面有一些明显的优势，这不仅仅是因为政府建造了可以大量生产它们的反应堆。
盖革计数器科学家可以用相对简单的设备检测放射性同位素，如盖革计数器或x光胶片。如果只有稳定的同位素可用，那么所需的专业知识和仪器可能会将同位素的使用限制在少数科学家的范围内。
战争结束时，同位素是科学家通过化学转化追踪单个原子和分子的唯一工具，研究人员越来越多地将它们用于撬开自然界的“黑匣子”。
当时的一个“黑匣子”是光合作用——植物用来将阳光、空气和水转化为糖的过程。早在1944年，曼哈顿计划的科学家们就在一份关于政府设施的潜在战后用途的报告中指出，这个问题已经成熟，可以用反应堆生产的同位素来解释。
1945年，加州大学伯克利分校的化学家梅尔文·卡尔文开始利用伯克利回旋加速器产生的碳14研究光合作用。不久之后，他开始从橡树岭购买C-14。
光合作用与卡尔文循环他的团队将光合作用绿藻暴露在碳14标记的二氧化碳中。然后，在不同的时间后使藻类死亡，并分析藻类体内的含碳化合物，试图了解光合作用中的碳固定途径。
到1958年，卡尔文和他的同事们(直到1954年还包括他的主要合作者安德鲁·本森)已经搞清楚了复杂的化学途径的每一步，现在被称为卡尔文循环，大多数绿色植物利用这一循环将空气中的二氧化碳转化为碳水化合物。1961年，卡尔文因此获得了诺贝尔化学奖。
卡尔文及其同事成功的主要原因之一是他们使用纸色谱法分离藻类中的各种化合物。当他们把纸放在医用x光胶片上时，在含有放射性碳的化合物上形成了斑点。
物理学家弗里曼·戴森在1948年参加了卡尔文的一次演讲后，在给家人的一封信中热情洋溢地谈到了这项技术：“有远见的人说，当核能首次出现时，应用于生物研究将比应用于电力更重要。”
氮-14与碳-14的转化美国原子能委员会估计，橡树岭反应堆产生同样数量的放射性碳14，需要一千个回旋加速器才能制造出来，而且反应堆可以以大约万分之一的价格制造出来。
从分子的角度看生命
卡尔文和本森的光合作用研究是利用同位素揭示生命在分子水平上如何运作的研究先锋。
虽然碳-14实验揭示了生物体内令人难以置信的多种代谢途径，但放射性磷-32使研究人员能够探测到脱氧核糖核酸的特性。1952年，阿尔弗雷德·赫尔希和玛莎·蔡斯在他们的部分工作中使用了橡树岭反应堆生产的磷-32来证明构成基因的是脱氧核糖核酸，而不是蛋白质。
赫尔希和蔡斯实验——红色的为同位素标尽管赫尔希和蔡斯并不是第一个进行表明基因是遗传信息载体的人，但是他们的实验说服了科学界的大多数人。由于其突出贡献，赫尔希后来成为1969年诺贝尔生理学或医学奖的共同获得者。
在接下来的几十年里，放射性同位素成为遗传学研究的重要工具，因为科学家们继续发现脱氧核糖核酸如何成为制造蛋白质的配方，人类和动物如何共享大量的遗传密码，某些疾病如何与基因突变相关联，等等。
放射性同位素对生物学产生了巨大的影响，它们是从遗传学的抽象观点到细胞中的实际分子和特定过程的关键工具之一，如今所知的大量生物学知识在很大程度上得益于它们。
除了遗传学和新陈代谢的研究之外，科学家还使用同位素追踪人体内营养物质和激素，阐明这些重要原子和分子的作用。
放射生态学同位素探测分子过程的能力也没有停留在生物体的边界上。在二战后大幅增长的放射生态学领域，研究人员研究了物质在整个生态系统中的流动途径。
20世纪40年代中期，早期采用同位素技术的生态学家伊夫林·哈钦森(G. Evelyn Hutchinson)将微量放射性磷-32释放到康涅狄格林斯利池塘(Linsley Pond)的表层水中，研究这种营养物质如何在几周内通过水、泥、藻类和植物进行循环。
他起初用耶鲁回旋加速器产生的放射性磷进行实验，但后来在种种原因下，改从橡树岭装运，反应堆生产的同位素的可靠性和数量使他能够收集更好的数据。
实验揭示了藻类如何快速吸收添加的磷。藻类不断生长，很快被称为浮游动物的小动物吃掉。当藻类和浮游动物死亡后，它们沉入池塘底部，带走了一些磷。季节性的温度变化和风将营养物带回地表，完成这个循环。这项发现的一个重要意义是，过多的磷投放可能会使整个系统失去平衡，导致有毒藻类和被称为蓝细菌的光合作用生物的有害繁殖。
其他生态学家研究了核武器生产和试验过程中释放到环境中的同位素是如何在环境中传播的。一个特别有影响力的发现，主要基于华盛顿州汉福德反应堆附近的研究，揭示了放射性污染物是如何在动物和植物中积聚的。
生态学家尤金·奥德姆在他的《生态学基础》一书中总结道：“我们可以给‘大自然’一种看似无害的放射性物质，然后让它以一个致命的包裹还给我们。”这种生物累积的概念后来被用于其他污染物，如化学杀虫剂。
放射性同位素的使用使得测量不同生态过程的多种速率成为可能，尤其是P-32和C-14，但是稳定同位素也对该领域的研究规模产生了很大的影响。
科学史学家赫兰指出，生态学家在20世纪50年代对同位素的使用帮助巩固了一种观点，即自然是一系列网络，可以用能量和物质的流动来描述。
核遗产还在发挥效力
社会如何塑造科学以及科学如何塑造社会的故事包含了很多曲折。在卡尔文报告了他的卡尔文循环后不久，《基督教世纪》的一篇文章甚至预言，这一发现将导致“在未来一年左右的时间里，世界粮食供应的大幅度增加。”
烟叶中保护植物免受光损伤的基因瞬时表最近，科学家们在调整光合作用以提高作物产量方面取得了一些初步成功，随着植物面临全球变暖的压力，这项努力变得越来越重要。
在其他方面，历史会重演。关于池塘和湖泊中的磷如何导致藻类大量繁殖和鱼类死亡的知识促使人们在20世纪60年代和70年代采取行动，减少洗涤剂中磷的添加以及限制生活污水的随意排放。
但是，很多人已然忘记了基础科学的结论，即控制磷的排放仍然是必要的。现在，由于污水处理厂和生活污水中含有的磷大量进入水系，江河湖泊中的水生生物面临超乎往常的威胁，水质污染问题日益凸显。
很难确切预测曼哈顿计划的同位素项目所触及的科学连锁反应在过去的75年如何改变世界，但是回顾过去，许多科学家和历史学家一致认为，迄今为止，其影响是深远的。
克里格说：“如果不是因为第二次世界大战，放射性同位素永远不会产生它们最终所产生的影响，而第二次世界大战加速了核技术的发展。”
放射性同位素将曼哈顿计划的遗产延伸到日常生活领域，我们通常不把它与原子弹联系在一起。它们展示了物理学和工程学如何与生物学和医学相联系，科学如何与生活相联系，以及普通人的日常生活如何与人类历史的重量相联系。从这个意义上说，这些元素示踪剂不仅揭示了有机分子是如何转化的，也揭示了血液是如何流经人类心脏的。
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