Paljasjalkainen mies seisoo laboratoriossa hieman kumarassa asennossa, ilman paitaa, kädet tarttuneena lattiaharjan varteen. Housujen puntit on kääritty nilkkojen ylle, toisessa ranteessa on kello. Mies on Clair Patterson (1922–1995), yhdysvaltalainen geokemisti. Valokuva on julkaistu artikkelissa, jonka otsikon voisi kääntää seuraavasti: ”Tärkein tieteilijä, josta et ole koskaan kuullut”. Kuvan yhteydessä hänen kuvaillaan menevän äärimmäisyyksiin pitäessään laboratorionsa puhtaana.

Clair Patterson syntyi kesäkuun 2. päivä vuonna 1922 Mitchellvillen kaupungissa, joka sijaitsee maantieteellisesti Yhdysvaltojen keskellä Iowan osavaltiossa. Hänen oikea etunimensä oli Claire, mutta hän itse käytti usein nimestään lyhennettyä versiota (Knell & Lewis 2001, 10), joten tässä artikkelissa seuraamme tätä käytäntöä. Pattersonin henkilöhistoriaa ja uraa koskevat tiedot perustuvat paljolti Shirley K. Cohenin tekemään laajaan haastatteluun.

Patterson kiinnostui kemiasta jo lapsena, kun hän sai äidiltään kemian tiedekoepaketin (Tilton 1998, 4). Kiinnostusta ylläpiti myös noin 12–13-vuotiaana saatu lupa rakentaa kotitalon kellariin pieni laboratorio sekä hieman myöhemmin hänen setänsä lahjoittama kemian laboratoriotyökirja. Lopulta vuonna 1943 Patterson valmistui Grinnellin yliopistosta pääaineenaan kemia.

Toisen maailmansodan aikana Patterson ja hänen vaimonsa, kemisti Lorna ”Laurie” McCleary, osallistuivat Yhdysvaltojen ydinaseen kehittämiseen tähtäävään Manhattan-projektiin. Pattersonin rooli projektissa oli työskennellä aseeseen tarvittavan uraanin 235-isotoopin erottamisen kanssa. Manhattan-projektin aikana Patterson kiinnostui massaspektrometreistä, analyysilaitteista, joilla uraanin eri isotoopit oli mahdollista erottaa.

Manhattan-projektin aikaan Patterson on kertonut ajatelleensa vain tekevänsä työtä, mutta pohtineensa myöhemmin asian eettisyyttä ja kutsunut projektia ”kauheaksi rikokseksi”. Projekti kuitenkin opetti hänelle uusia näkökulmia ja tapoja ajatella, joista oli hyötyä myöhemmässä tutkimuksessa.

Sodan jälkeen Patterson palasi yliopistomaailmaan ja aloitti tutkijana Chicagon yliopistossa. Myös Manhattan-projektissa työskennellyt Harrison Brown oli vuonna 1946 aloittanut samassa yliopistossa apulaisprofessorina. Brownilla oli idea tutkimukseen, johon hän tarvitsi jonkun, joka osasi käyttää massaspektrometriä. Kun hän kuuli Pattersonin aloittaneen Chicagon yliopistossa, Brown houkutteli hänet ja toisen nuoren tutkijan, George Tiltonin, tarttumaan projektiin, jonka tavoitteena oli kehittää kivien iänmääritykseen liittyvää analyysimenetelmää.

Pattersonin ja Tiltonin tutkimuskohteena oli monissa kivissä esiintyvä zirkonimineraali. Zirkoni on yhä nykyään erittäin paljon käytetty mineraali etenkin vanhojen kivien iän määrittämisessä. Kun zirkoni kiteytyy kivisulasta, sen kiderakenteeseen päätyy pieniä määriä uraania, muttei uraanin radioaktiivisen hajoamisen tuotetta lyijyä. Ajan myötä mineraalin sisällä oleva radioaktiivinen uraani hajoaa tietyn hajoamissarjan kautta lyijyksi. Mittaamalla mineraalin sisältämän uraanin ja lyijyn eri isotooppien määräsuhteet, voidaan niiden perusteella laskea, milloin zirkoni muodostui.

Kivisulasta kiteytyvien kivien, kuten graniittien, kohdalla kiven sisältämät zirkonit antavat näin myös iän itse kiven muodostumiselle. Tätä uraaniin ja lyijyyn pohjautuvaa analyysimenetelmää kutsutaan kirjallisuudessa uraani-lyijy-ajoitukseksi tai uraani-lyijy-menetelmäksi.

Pattersonin ja Tiltonin tavoitteessa oli haastetta, sillä heidän piti analysoida pitoisuuksia, jotka olivat moninkertaisesti pienempiä kuin siihen mennessä oli koskaan määritetty. Myöskään tutkimusolosuhteissa ei ollut kehumista. George R. Tilton on kuvaillut lähtökohtien olleen vaikeat: ”Patterson aloitti lyijymitttaukset vuonna 1948 hyvin pölyisessä laboratoriossa Kent Hallissa, yhdessä kampuksen vanhimmista rakennuksista” (Tilton 1998, 6).

Tutkimusryhmän päätavoite oli zirkoneita suurempi: maapallon tarkan iän selvittäminen. Projektia johtanut Brown ajatteli, että meteoriittien tutkimuksen ja niiden isotooppikoostumuksen kautta voisi olla mahdollista päästä tarkemmin käsiksi myös maapallon kehitykseen ja ikään. Valtaosa meteoriiteista on nimittäin planeetanrakennuksesta ylijääneitä kappaleita, joiden koostumus ei ole juuri muuttunut miljardien vuosien saatossa.

Laboratoriokokeissa saadut tulokset eivät kuitenkaan vastanneet laskennallisia tuloksia: lyijyä oli aivan liikaa. Se tarkoitti, että varsinaisten tutkimuskohteiden ulkopuolista lyijyä oli jotenkin päätynyt analyysien sekaan. Tuloksissa alkoi olla järkeä vasta kun Patterson kumppaneineen pystyi eristämään näytteiden käsittely- ja analyysitilat ulkomaailmasta – ja analysoijasta itsestään. Tästä saivat alkunsa käytännöt, jotka ovat edelleen käytössä moderneissa geokemian tutkimuslaboratorioissa (Gieryn 2018).

Euroopassa käsitys maapallon iästä pohjautui pitkään kristilliseen maailmankuvaan, jonka mukaan maapallo oli noin 6 000 vuotta sitten syntynyt, melko muuttumaton planeetta. Monia geologisia muodostumia selitettiin äkillisten katastrofien kautta syntyneinä. Tämä käsitys alkoi muuttua vasta 1700-luvun lopussa, kun esimerkiksi skotlantilainen James Hutton (1726–1797) ehdotti, että maankamaran muodostumia luovat ja muokkaavat geologiset prosessit tarvitsivat paljon aikaa. Geologi Charles Lyell (1797–1875) taas esitteli vuonna 1830 julkaistussa kirjassaan käsitteen rajattomasta ajasta (Eicher 1951, 7). 

Huttonin ja Lyellin aikana ei kuitenkaan ollut mahdollista määrittää geologisten muodostumien tarkkoja ikiä. Fossiileja sisältäviä kerrostumia voitiin vertailla toisiinsa (Knell & Lewis 2001, 4–5), mutta näidenkään kerrostumien tarkkaa ikää ei tiedetty. 1800-luvun lopussa ja 1900-luvun alussa esitetyt arviot maapallon iästä vaihtelivat muutamasta miljoonasta vuodesta noin 1,5 miljardiin vuoteen (Eicher 1951, 14). 

Maapallon tarkan iän määrittämisen kannalta keskeinen asia oli radioaktiivisuuden keksiminen 1800-luvun lopussa sekä eri tutkijoiden tuottama tieto radioaktiivisuudesta 1900-luvun alussa. 

Aivan 1900-luvun alussa Ernest Rutherford teki ensimmäisen iänmäärityksen mineraalista. Saatu tulos oli 500 miljoonaa vuotta (Knell & Lewis 2001, 8). Käytetyssä menetelmässä oli kuitenkin rajoituksensa, ja se antoi mineraalille varsinaisesti vain sen minimi-iän. Tiedon ja menetelmien kehitys alkoi viedä kohti tarkentuvaa käsitystä geologisten prosessien vaatimasta ajasta, maapallon iästä ja planeettamme eri kehitysvaiheista.

1950-luvulla Clair Patterson oli saanut hiottua uraani-lyijy-menetelmän siihen pisteeseen, että sitä oli mahdollista käyttää luotettavasti meteoriittien sisältämän uraanin ja lyijyn mittaamiseen. Vuonna 1956 julkaistussa artikkelissa (Patterson 1956) maapallo sai vihdoin nykyistä käsitystä vastaavan iän: 4 550 ± 70 miljoonaa vuotta. Tulos teki maapallosta yli miljardi vuotta vanhemman kuin tuohon aikaan yleisesti vallalla ollut käsitys oli ollut (Tilton 1998, 7–8).

Tämän jälkeen maapallon ikä on hieman tarkentunut ja esimerkiksi ikään liittyvä epätarkkuus pienentynyt, mutta Pattersonin saama ikä on edelleen linjassa uudempienkin tulosten kanssa ja hänen tekemää työtä pidetään merkittävänä saavutuksena maapallon ikään liittyvässä tutkimuksessa. 

Samankaltaiset menetelmät, joita Patterson käytti maapallon iän selvittämiseen, ovat olleet avainasemassa myös Suomen kallioperän kehitysvaiheiden selvittämisessä. Pattersonia kaksi vuotta aiemmin Espoossa syntynyttä Olavi Kouvoa (1920–2017) voisi kutsua Suomessa tehtävien kallioperän iänmääritysten pioneeriksi (Karhu & Huhma 2017). 

Tällä hetkellä Suomen kallioperän pääkehitysvaiheet ovat melko hyvin tiedossa. Tiedämme esimerkiksi sen, että Suomen vanhimmat, yli 2 500 miljoonaa vuotta vanhat, kallioalueet sijaitsevat Itä- ja Pohjois-Suomessa. Yksityiskohdat kallioperämme kehityksestä tulevat kuitenkin vielä tarkentumaan. Esimerkiksi tällä hetkellä Suomen vanhimman kiven asemaa pitävä Siuruan gneissi paljasti 3 500 miljoonan vuoden ikänsä tutkijoille vasta parikymmentä vuotta sitten.

Kun Clair Patterson havaitsi, että ympäristössä oleva lyijy vaikuttaa hänen tekemiinsä laboratorioanalyyseihin, hän kiinnostui siitä, miksi lyijyä on ympäristössä niin paljon. Etenkin, kun lyijy on myrkyllinen metalli, joka suurina pitoisuuksina vaikuttaa haitallisesti esimerkiksi keskushermostoon ja sisäelimiin. Lyijyä esiintyy ympäristössä luontaisestikin, mutta ihmistoiminta, kuten eri teollisuuden alat, voivat kasvattaa lyijyn määrää merkittävästi.

Ihmisen ja lyijyn suhde on pitkä, ja sitä on louhittu tuhansia vuosia eri tarkoituksiin. Esimerkiksi Rooman valtakunnassa lyijyä käytettiin keramiikan lasitteena, ruokailuvälineisiin ja vesiputkiin, ja on myös arveltu, että tästä syystä antiikin Roomassa lyijymyrkytykset olivat yleisiä. Latinaksi lyijy on plumbum, josta juontuu sekä lyijyn kemiallinen merkki, Pb, että englannin putkistoa tarkoittava plumbing-sana. Polttoaineeseen lyijyä alettiin lisätä ensimmäisen kerran vuonna 1922 Yhdysvalloissa.

Vuonna 1965 Patterson julkaisi Archives of Environmental Health -julkaisussa tutkimuksen otsikolla ”Contaminated and Natural Lead Environments of Man”. Tutkimuksessaan Patterson nostaa esiin havaintonsa siitä, että lyijyä on ympäristössä monta kertaa enemmän kuin mitä voisi olettaa tulevan luontaisista lähteistä. Artikkelinsa yhteenvedossa Patterson toteaa Yhdysvaltojen asukkaiden lyijyaltistuksen olevan vakava ja ehdotti useita toimenpiteitä, kuten merkittävimpien lyijyn lähteiden poistamista, tilanteen parantamiseksi (Patterson 1965, 358).

Pattersonin tuloksia ei kuitenkaan hyväksytty mukisematta. Hänen varoituksiinsa reagoitiin esimerkiksi syyttämällä häntä kiihkoilijaksi (Tilton 1998, 10–11). Tutkimusartikkeleiden julkaisemisen lisäksi Patterson kirjoitti muun muassa Kalifornian silloiselle kuvernöörille Pat Brownille ilmaistakseen huolensa ilmakehässä olevan vaarallisen lyijymäärän vuoksi (Tilton 1998, 11). Patterson edisti asiaa myös koko maan laajuudella. Kannanotoissaan hän nosti esiin huolensa siitä, että Yhdysvaltojen terveysviranomaiset työskentelivät yhteistyössä teollisuuden kanssa (Tilton 1998, 12.) Myöhemmissä tutkimuksissaan Patterson kollegoineen osoitti, että teollinen vallankumous oli vaikuttanut ilmakehän lyijypitoisuuteen ja isotooppitutkimuksilla he pystyivät osoittamaan sen, mistä tietyille alueille kerääntynyt lyijy oli peräisin (Tilton 1998, 12; Smith 2015).

Lopulta lyijyn käyttöä alettiin rajoittaa. Esimerkiksi polttoaineissa lyijyn määrän vähentäminen alkoi 1970-luvun alussa, ja Yhdysvalloissa sen käyttö kiellettiin kokonaan vuonna 1987. (Tilton 1998, 15). Kuitenkin vasta elokuussa 2021 lyijyllisen polttoaineen käyttö oli tullut päätökseen maapallon jokaisessa maassa.

Tässä yhteydessä on hyvä lyhyesti mainita siitä, että lyijyn myrkyllisyys oli huomattu toki jo paljon Pattersonia aiemmin. Asia oli tiedossa jo antiikin aikana, mutta vasta 1800-luvulla ymmärrys lyijyn vaikutuksesta terveyteen alkoi laajemmin kasvaa. Terveysvaikutusten vuoksi valkoisen lyijymaalin käyttö kiellettiin jo 1920-luvulla useissa maissa, kuten Ruotsissa, Itävallassa, Norjassa ja Suomessa – mutta esimerkiksi Yhdysvalloissa lyijyä sisältävää maalia sai käyttää valtaosassa osavaltioita vielä vuonna 1970. Lyijyyn liittyvien asenteiden ja sen käytön hitaasta muutoksesta kertoo myös se, että ennen Pattersonia lyijyn vaarallisuutta oli tuonut esiin jo 1900-luvun alkupuolella esimerkiksi kansanterveyden parissa työskennellyt tutkija Alice Hamilton (1869–1970) (Hamilton 1943, 9–11).

Lyijyllä on monia haitallisia terveysvaikutuksia. On jopa esitetty, että lyijyn korkeat taustapitoisuudet ovat vaikuttaneet ennen rajoituksia syntyneillä ihmisillä negatiivisesti heidän älykkyysosamääräänsä. Yhdysvalloissa 1970-luvun lopussa tehdyn tutkimuksen mukaan veren lyijypitoisuudet laskivat rinnakkain polttoaineessa käytetyn lyijyn määrän kanssa. Lyijyyn liittyvät ympäristö- ja terveysongelmat eivät kuitenkaan valitettavasti ole ohi. Esimerkiksi lyijyä sisältävien akkujen epäasiallinen kierrättäminen aiheuttaa merkittävän vaaran monessa maassa.

Se, että pyrkimykset Maan iän selvittämiseen johtivat lopulta myös lyijyttömään bensiiniin, on erinomainen esimerkki siitä, että tieteellisellä perustutkimuksella on toisinaan laajoja, varsinaisen tutkimusaiheen ulkopuolelle ulottuvia vaikutuksia. Näitä on kuitenkin mahdoton ennustaa esimerkiksi rahoitusta haettaessa. 

Perustutkimuksen rahoittamisen tärkeyttä on nostettu esiin monissa muissakin viimeaikaisissa puheenvuoroissa (Lilja & Kivistö 2021; Tirronen 2024). Ilman perustutkimusta soveltavan tutkimuksen potentiaaliset kohteet kulutetaan loppuun ja tiede jumittuu paikalleen. 

Esimerkiksi Kiinassa tämä on ymmärretty, mutta länsimaissa suunta näyttää olevan toinen. Toivomme, että emme Suomessakaan jäisi jälkeen muusta maailmasta uuden tiedon synnyttämisessä. Siinä ohessa löytyvien potentiaalisten sovellusten määrä on loputon.

•

Artikkelin pääkuva: Clair Patterson huomasi, että tutkimuskohteiden ulkopuolista lyijyä pääsi analyysin sekaan. Hän pyrki pitämään laboratorionsa äärimmäisen puhtaana. Kuvan lähde: Caltech Images Collection.

•

Elina Lehtonen ja Jussi S. Heinonen puhuvat artikkelin aiheesta Tieteen päivillä Helsingissä 12.1.2025. Tieteen päivät (8.–12.1.2025) on kaikille tieteestä kiinnostuneille suunnattu avoin tapahtuma, jossa eri alojen tutkijat kertovat tutkimuksistaan ja keskustelevat yleisön kanssa. Tieteessä tapahtuu -lehden numero 5/2024 on tehty yhteistyössä Tieteen päivien kanssa. Lehden julkaisija Tieteellisten seurain valtuuskunta on tapahtuman pääjärjestäjä.

•

Lue myös:

Tieteessä tapahtuu, mutta tapahtuuko muualla?

Monitieteiset menetelmät paljastavat keskiaikaisten tekstien likaisia salaisuuksia

Vaahtokarkki muuttuu makkaraksi – väärin käännetty vai luovasti oivallettu?