Bomb Pulse Science——核试验炸出来的科学

政治与科学之间存在着相互交织的联系网络。20世纪给科学与政治间的关系遗留的最重要遗产无疑是核能。原子物理和核化学的发展催生了核武器，改变了20世纪后半叶的国际政治规则和格局，并使得科学发展与国运盛衰前所未有地紧密连接在一起。而伴随而生的核能开发、核工业与核战略研究，又是现实政治交给科学界的重要课题，推动了相关基础理论与应用技术的发展。但除了这些宏大叙事之外，在科学的其他地方，政治以令人匪夷所思的方式介入学术研究中，并出人意料地扮演了推动科学进步的角色。原本是政治和军事行为的地面核试验，就在它们发生几十年后炸出来一系列科学发现。

1945年7月16日，美国在新墨西哥州的荒漠中爆炸了人类第一颗原子弹“The Gadget”，这也是有记载的人类第一次核武器试验。早期的核武器试验以及两次核武器投入实战都是在大气层中进行的，截止到1960年，美、苏、英3个掌握核技术的国家已经进行了超过200次核试验，总爆炸当量超过人类之前所有战争释放的TNT当量之和。科学家们很快就发现，大气层核试验造成了严重的生态后果。一般大气层核试验的引爆地点包括地面靶标、高塔顶部、飞机投掷、气球悬挂和火箭发射等，高度从地面到对流层不等。爆炸产生的放射性残留物不仅落在当地，还随着大气环流进入全球环境中，造成世界范围内的放射剂量的上升。为了避免进一步军备竞赛和大气层核试验造成更严重的放射性污染，1963年8月，美、苏、英三国在莫斯科签订《部分禁止核试验条约》，禁止了除地下核试验之外的一切核试验。这一条约遏制了大气层中放射性物质的增长，但法国和尚未爆炸原子弹的中国并未签字。1974年法国停止了大气层核试验，1980年中国结束了最后一次大气层核试验，标志着人类大气层核试验的结束，此后各国只进行地下核试验。1996年，各主要有核武器国家签署《全面禁止核试验条约》，此后除了印度、巴基斯坦和朝鲜在国际社会强烈抗议下分别进行了数次地下核试验之外，人类核试验基本停止。世界范围内曾发生核爆炸地点的如图1所示。

大气层核试验的一个重要后果是使得放射性同位素在世界范围内的丰度显著上升。放射性同位素的来源主要包括三个方面：核试验的原料如²³⁸U、²³⁹Pu等核素；核裂变的产物如¹⁴⁰Ba、¹³⁷Cs等核素；核聚变的产物如³H（T）、¹⁴C等核素。一方面由于大气环流的运行；另一方面由于主要核试验场地位于世界各地，南北半球、沙漠海洋都有分布（美国在内华达沙漠和马绍尔群岛，苏联在新地岛和哈萨克斯坦的塞米巴拉金斯克试验场，英国在澳大利亚和圣诞岛，法国在阿尔及利亚，中国在罗布泊），核试验产生的放射性同位素很快扩散到全球。以¹⁴C为例，国际原子能机构（IAEA）根据联合国关于原子辐射影响的科学委员会（UNSCEAR）报告估计，核试验释放的¹⁴C给全球总计带来的放射性活度高达2.2×10¹⁷ Bq（Gonzalez, 1998）。对比中国国家标准《食品中放射性核素通用行动水平》中规定，每千克一般食品中¹⁴C的放射性活度不能高于10⁴ Bq（武权等，2012），可见核试验释放的¹⁴C放射性水平已经相当可观。

由于碳元素的特殊重要性，在1940年发现¹⁴C后不久，对环境中¹⁴C自然本底含量及其历史水平的研究就已经开始。天然本底的¹⁴C主要通过宇宙射线带来的中子被高层大气中的¹⁴N吸收产生，并以¹⁴CO₂等形式迁移到大气层底部，并进而进入生物圈、水圈和岩石圈。近一万年以来，¹⁴C的产生与衰变长期随宇宙射线通量涨落在一定范围内涨落（Damon等，2000）。进入工业革命时代后，大气层中¹⁴C的含量呈现下降趋势，这是由于人类大量燃烧化石燃料造成的Suess效应：来自远古生物遗体的化石燃料距今年代远超过¹⁴C的半衰期，其中的¹⁴C已经基本衰变消失，因此化石燃料燃烧后释放的CO₂相当于稀释了大气中原本含有的¹⁴CO₂（Tans等，1979）。到1950年，大气中¹⁴C的含量相对于1850年的平均含量已经下降了2.0%。但很快，核试验积累的¹⁴C就造成大气层中¹⁴C含量的急速上升。从1950年到1963年全面停止大气层核试验期间，对流层中的¹⁴C含量增加了将近一倍，造成了一个非常显著的峰值，这被称为¹⁴C含量的“Bomb Pulse”（核爆突跃），如图2所示。此后，由于大气层核试验的停止和生物圈、水圈以及岩石圈的吸收，¹⁴C在大气层中含量以指数形式减少，半衰期约为十一年（Hua等，2004）。

大气层中¹⁴C的产生自然导致海洋、陆地和生物体内¹⁴C含量的升高。这种升高来自于地球碳循环导致的积累。进入大气层的¹⁴C并非因衰变而逐渐减少（¹⁴C的半衰期是5730年，远远大于上述事件的时间尺度），而是由于海洋和生物对¹⁴CO₂的吸收或交换而发生的减少。海洋以碳酸或碳酸盐的形式将¹⁴CO₂固定在深海中，植物通过光合作用将CO₂固定为碳水化合物，动植物还可以通过呼吸作用与大气层交换¹⁴CO₂。实验和模型证实，大气层核试验产生的¹⁴C首先在平流层积累，之后通过大气环流和对流交换扩散到对流层，进而在大洋和生物圈中富集（Levin等，2000）。20世纪50年代以来对世界各地的树轮进行逐年¹⁴C含量测定的结果显示，树轮中显示的¹⁴C含量增高的比例和趋势基本与大气层中的比例和趋势一致（Hua等，2004）。对人类头发和血样的¹⁴C分析也给出同样类似的结果（Nydal等，1971）。

对传统放射性碳元素测年法而言，大气层和生物圈内的¹⁴C含量的异常升高对测年准确性是不利的。根据¹⁴C衰变一级反应的动力学积分方程ln（c/c₀）＝－kΔt（其中c是生物样品在测定时的¹⁴C丰度，c₀是其停止与环境碳交换时的环境¹⁴C丰度，k是速率常数，Δt是样品距今的时间）不难发现，¹⁴C含量的异常升高造成实际c₀值的异常升高。然而，也正因为这一异常升高的存在，使得¹⁴C定年法可被用于过去无法应用的一些场合。这是因为，大多数生物的正常寿命远远小于¹⁴C的半衰期，这使得利用¹⁴C标记生命体的年龄和发育基本上是不可能的。但如果环境给生物体造成一个¹⁴C含量的突增和随后的弛豫过程，并且这一突增和弛豫的时间尺度与研究对象的时间尺度可以比拟，就可以利用这一过程的表观动力学行为分析此类问题。“Bomb Pulse”正是满足条件的环境扰动，它造成生活在1955年之后的不同年龄的生物样本具有不同的¹⁴C丰度（Geyh, 2001），从而为确定这些样本的年代提供了条件。根据¹⁴C衰变的方程计算得到的北半球不同年份的生物样品中¹⁴C含量随年份变化如图3所示。计算结果说明，¹⁴C衰变的慢弛豫使得样品保存了它与环境停止碳交换时的¹⁴C含量信息，而后者可以依据监测数据精确标定，这实际上相当于标定了样品的年代。不仅如此，由于¹⁴C来自环境本底的自然增加，这一标记对生物样品完全无损伤、无干扰，忠实反应了真实情况下的生命现象，研究者只需要借助诸如加速器质谱（AMS）之类的快速高分辨质谱分析手段，辅之以适当的数学建模（Bernard等，2010），就可以解决问题，有人将这类研究命名为“Bomb Pulse Biology”（Falso等，2013）。

最早应用这一方法的研究工作可能是1983年Druffel等人研究胆结石形成年龄的工作（Druffel, 1983）。随后的20年中，可能是由于生物学家的知识所限，只有零星的报道涉及这一方法（Campana等，2002）。直到十多年前，这一方法才又重新进入人们的视野。2005年，瑞典卡罗琳斯卡学院的Jonas Frisén课题组在Cell上发表文章Retrospective Birth Dating of Cells in Humans（《人类细胞的可追溯定年法》），并被选作该期封面，如图4所示，首次系统性地建立了利用¹⁴C Bomb Pulse测定人类细胞年龄的方法。人们知道，在不分裂的真核细胞中，细胞核中DNA分子不再复制和更新，因此细胞核中DNA分子中的同位素丰度水平与这个细胞从分裂中产生时的环境同位素丰度水平是一致的，记录了细胞产生的时间信息，Frisén等人在文章中称之为“时间胶囊”（Time Capsule）。通过生物化学方法分离细胞核中的DNA，再利用AMS精确测定其中¹⁴C的相对含量，就可以通过前述的定年方法确定细胞的年龄。过去使用5-溴尿嘧啶（5-BrdU）标记的方法需要志愿者口服相应药物，耗费的时间和成本很大，并且也存在潜在风险，而同位素法完全没有这些问题。Frisén等用这一方法测量了成年人大脑皮层中神经细胞的年龄，结果与个体年龄一致，支持了出生后大脑皮层细胞不再分裂的观点。同年9月，他们更在Nature上发表了一篇一页纸的短通讯Age Written in Teeth by Nuclear Tests（《年龄被核试验写在了牙里》），报道了使用牙齿中的¹⁴C含量确定人类年龄的方法，引起广泛关注。

测定细胞年龄最直接的用途便是研究组织、细胞或生物分子在天然条件下的自发更新（turnover）。如果细胞年龄显著小于人体年龄，则可以判断细胞在发育形成之后存在更新现象；反之，如果细胞年龄接近人体年龄，则说明从细胞诞生以来基本上不存在更新现象。更进一步地，由于测得的细胞中¹⁴C含量是参与细胞更新的细胞（与新合成时的环境¹⁴C含量一致）和不参与细胞更新的细胞（与出生时的环境¹⁴C含量一致）的平均值，利用数学方法分析此值可以得到细胞更新的频率。Jonas Frisén及其课题组的Kirsty L.Spalding等人利用这一方法对诸多人类组织进行了研究。他们发现，传统上认为难以在出生后继续更新的心肌细胞和海马体神经元细胞都有更新现象：心脏在人的一生中会更新不到一半的心肌细胞，更新速率从25岁时的每年1%逐渐降到75岁时的每年0.45%（Bergmann等，2009）；而海马体每年会更新1.75%的细胞，成年人每天都会有700个新神经元细胞在海马体中产生（Spalding等，2013）。这两项发现对于心脏疾病的治疗和人类高级神经活动机制的研究具有重要意义。

在超重与肥胖问题上，他们还开展了系统性的工作。过去人们发现，脂肪细胞的数量在成年后没有明显增多。但他们通过细胞定年方法发现，每年大约有10%的脂肪细胞被更新，只是由于新生和凋亡的数量大致相同才维持了其数量的平衡（Spalding等，2008）。进一步研究发现，脂肪细胞中的脂肪（以甘油三酯为代表）在脂肪细胞平均十年的寿命中会更新六次，并且其代谢情况与脂肪细胞的代谢密切相关。超重人群的脂肪产生速率不变，而消耗速率减缓，导致脂肪累积；而脂肪产生和消耗速率的同时减慢则会导致脂肪细胞分流脂肪能力的降低，导致高血脂症（Arner等，2011）。这些结果说明，肥胖来自于脂肪细胞成长时期的脂肪积累，这种积累与调节脂肪细胞中脂肪消耗的基因和酶有关。也就是说，那些一吃就胖的人，他们的脂肪细胞很可能代谢脂肪能力不足；而那些脂肪细胞消耗脂肪速率很高的人，怎么吃都吃不胖。他们的研究有助于建立靶向性的减肥疗法。近几年来，其他课题组陆续有类似方法的工作发表，诸如研究胰腺中分泌胰岛素的细胞的更新（Perl等，2010）、研究跟腱组织的自愈（Heinemeier等，2013）等工作。相信随着这一方法的广为人知，利用¹⁴C Bomb Pulse研究生物问题的工作将会越来越多。

除了在生物领域之外，¹⁴C Bomb Pulse还给地球化学中研究自然界碳循环问题提供了重要工具。通过对大洋深处¹⁴C含量在1950年到1990年间的监测和模型拟合分析，人们发现实际结果比原先的预测少25%，说明原先的工作高估了大洋吸收CO₂的能力（Hesshaimer等，1994）。在全球变暖和碳排放日益增多的话语体系下，这种高估无疑削弱了人们对限制碳排放的迫切感。另一个非常有趣的例子是¹⁴C Bomb Pulse定年法在法庭证物中的作用。过去人们难以确认近百年中有机物质的生产时间，使得在某些案件中确定罪证变得十分困难，而利用¹⁴C Bomb Pulse就可以相当精确的确定有机物的生产时间。对1958年到1997年间的红酒中的乙醇进行¹⁴C含量分析进而确定生产年份，其精确度可以达到1年以内，如图5所示。而对于1992年到1995年间生产的可卡因进行类似分析也可以达到相似的精度（Zoppi等，2004）。由于碳元素分布的广泛性，这一定年方法相比其他同位素来说具有独特优势。

由Bomb Pulse所产生的放射性同位素至少还有30余种，理论上它们都可以在适当的条件下被用作标记研究生物圈和其他地球化学问题。早在20世纪50年代，核爆炸产生的¹⁸⁵W就已经被用于研究平流层气象学了（Feely等，1960）。到今天，核爆炸留给我们的这一份放射性同位素遗产仍然是某些科学发现的产出来源。

地面核试验无疑是人类在冷战时代的疯狂行为之一，它造成的局部环境污染和全球生态效应可能在今后的很多年中还需要人类自己为之付出代价。但没有什么事情是有百害而无一利的，Bomb Pulse及其带来的放射性同位素定年法就是一例：原本与之毫不相干的生物现象和人类健康问题，却可以利用核爆炸来提供解答。站在科学发现的立场上，人们或许会这么怀疑：到底是政治利用了科学，还是科学利用了政治呢？

定稿于2015年4月11日

发表于《学堂化学志》2015年第4期