Partiklarna vi aldrig andas ut igen

Natten till den 6 december 1952 slöt sig en svart stinkande dimma över London. Det hade varit ovanligt kallt under en tid, och för att hålla värmen eldade befolkningen flitigt i stadens alla spisar. När så vinden plötsligt avtog packade sig röken till ett nästan ogenomträngligt dis. Bilar övergavs på gatorna. Teaterföreställningar fick ställas in. Tåg och flyg stod stilla.

Men den värsta effekten märktes först några veckor senare när sjukhusen blev överfyllda och likkistor en bristvara. Runt 12000 människor dog och långt fler fick allvarliga hälsoproblem.

Katastrofen i London räknas ofta som startpunkten för den moderna forskningen om luftföroreningar. I och för sig kände man redan under antiken till att utsläpp i luften kan leda till sjukdom. Men den snabba utvecklingen under industrialismens barndom resulterade i fartblindhet – rykande fabriker och dånande ångvisslor betraktades som tecken på framgång. Exempelvis utrustades Titanic av främst estetiska skäl med en extra skorsten. Nu vet vi att luftföroreningar, förutom att påverka hälsan, också kan skada skördar, förstöra historiska lämningar, rubba ekosystem och påverka den globala medeltemperaturen.

### Miljontals dör av smutsig luft

Trots det enorma lidande som luftföroreningar ger upphov till finns åtskilliga luckor i vår kunskap om hur de påverkar oss. Det är oftast svårt att göra en direkt koppling mellan exponering för nedsmutsad luft och påföljande hälsoeffekter.

Bara i undantagsfall kan man konstatera att en sjukdom verkligen har orsakats av ämnen i luften, som vid akut rökförgiftning eller långvarigt arbete med asbest eller något annat välkänt farligt material. Långt vanligare är att skadorna kommer senare i form av hjärt-kärlsjukdomar, nedsatt lungfunktion, astmabesvär, allergiska reaktioner eller att de som utsatts får barn med reducerad födelsevikt.

Uppgifter om antalet dödsfall som vållas av oönskat stoft som virvlar runt i luften baseras därför på statistiska beräkningar. Enligt dessa får nära tre miljoner människor om året sina liv förkortade på grund av rökiga inomhusmiljöer och vistelse i smutsig stadsluft. Tobaksrökning, som räknas i en egen kategori, orsakar fem miljoner dödsfall. Av de knappt sextio miljoner dödsfall som sker årligen i världen kan med andra ord åtta miljoner knytas till inandat skräp.

Men statistiska samband är inte nog för att med säkerhet visa att luftföroreningar ger upphov till ohälsa. Följaktligen har forskarna länge försökt begripa orsakerna till att ynkliga svävande partiklar, även i låga koncentrationer, kan leda till att sjukligheten ökar.

### Teori av skimrande damm

Ett av de frågetecken som måste rätas ut är hur partiklarna tar sig in i kroppen – ett problem som funnits på den vetenskapliga agendan ända sedan slutet av 1800-talet. De första laborativa studierna gjordes av den irländske fysikern John Tyndall, som för övrigt också var den förste att experimentellt påvisa växthus­effekten.

Tyndall betraktade hur ljus reflekterades från dammkorn som seglade runt i luften, ungefär som vi kan göra när klart solljus strilar in genom en fönsterspringa i ett dunkelt rum. Han lade märke till att mer ljus spreds från luften han andades in än från den han andades ut. Särskilt mot slutet av andetaget var ljusreflektionen anmärkningsvärt liten. Därav drog han slutsatsen att en del av de inandade partiklarna fastnade i luftrören.

När Tyndall presenterade sina resultat på Royal Institution i London år 1870 väckte de genast stor uppståndelse. Vid den tiden pågick intensiva diskussioner bland medicinare om den då kontroversiella teorin att sjukdomar kunde spridas via luftburna mikroorganismer. Tyndall ansåg att hans observationer gav stöd för den idén. Kritiken mot honom blev hård – en fysiker borde veta bättre än att ha synpunkter på biologins värld. Men även om många blev upprörda, gav historien Tyndall rätt, och vi kan fortfarande lära oss mycket av de experiment han påbörjade.

Tyndalls mätmetod var genial i sin enkelhet. Den hade dock stora begränsningar. Han kunde bara studera partiklar som gick att se med blotta ögat, och han fick inte någon uppfattning om deras storlek eller antal. I dag vet vi att små osynliga partiklar spelar stor roll. En väsentlig del av stoftet som svävar runt i luften tillhör den kategorin. Det gäller både mänskligt genererade för­oreningar och de ämnen som bildas naturligt i atmosfären.

### Samarbete gav bättre metod

I Lund har vi genom ett samarbete mellan Avdelningen för kärnfysik, där jag själv ingår, och Avdelningen för aerosolteknologi nyligen konstruerat en teknik som gör det möjligt att mer exakt bestämma mängden partiklar som fastnar i lungorna när vi andas. Med metoden, som fått namnet Respi, kan vi till skillnad från Tyndall mäta antalet, ytan, volymen och storleken hos partiklarna som tagits upp i lungorna. Snart kommer vi dessutom att kunna ta reda på partiklarnas kemiska sammansättning.

### Partiklar förstoras med ånga

Respi är en tillämpning och vidareutveckling av mätinstrument som funnits tillgängliga för vetenskapen sedan några år tillbaka. I grunden bygger metoden dock på Tyndalls idé: partikelkoncentrationen i inandningsluften jämförs med koncentrationen i utandningsluften, och mellanskillnaden förmodas vara upptagen i kroppen.

I stället för att studera ljusreflektionen från partiklarna, som Tyndall gjorde, laddar vi upp dem elektriskt genom bestrålning från ett radioaktivt preparat. Partiklarna får sedan passera ett spänningsfält. Där rör de sig med olika hastighet beroende på sin elektriska laddning och sin storlek, eller snarare sitt luftmotstånd. För varje storlek räknas antalet partiklar på ungefär samma sätt som kunder kan registreras i en butik – genom att låta dem passera en smal öppning och avläsa hur de reflekterar skenet från en lampa.

De minsta partiklarna, ofta kallade nanopartiklar, kräver ett särskilt knep. Eftersom de inte är tillräckligt stora för att själva bryta ljusstrålen leds de först genom en övermättad gasånga. När gasen kondenserar på partiklarna växer de till detekterbara droppar.

Trots sin ringa storlek har just nanopartiklar fått ökad uppmärksamhet på senare tid. Industrier växer fram runt nanomaterial av skilda slag, samtidigt som många studier antyder att de mikroskopiska ämnena kan ha avgörande biologisk betydelse, inte minst när de blir luftburna.

### Flås kan vara farligare

Hittills har Respi bara hunnit användas i några få studier. Till att börja med har vi mätt hur mycket partiklar som stannar kvar i lungorna vid olika grad av ansträngning. Trettio frivilliga fick andas i instrumentet när de satt avslappnade på en stol och när de motionerande på en träningscykel. Det visade sig att ungefär fyra gånger fler partiklar fastnade i andningssystemet vid ansträngning än vid vila, eftersom luftvolymen som drogs in då var större. Ett inte helt oväntat resultat.

Mer överraskande var att några individer fick i sig betydligt mer partiklar än andra. Det var nästan tre gångers skillnad mellan de mest och de minst mottagliga. Delvis kunde olikheterna förklaras med variationer i andningsmönster – sannolikheten att en partikel deponeras i lungan är mindre hos en person som andas fort och ytligt än hos en som andas djupt och långsamt. Men den teorin stämde inte på alla våra försökspersoner.

Troligen bidrar form och storlek på luftrören också till att vissa individer är mer mottagliga än andra. I ett annat projekt, som fokuserade på vedrök, fann vi att den uppmätta mängden rökgaspartiklar som fastnade i lungorna inte stämde med de teoretiska modellerna – färre partiklar än väntat stannade kvar i lungorna. Men när modellerna modifierades till att innefatta också den höga luftfuktigheten i andningsvägarna blev överensstämmelsen god.

Partiklar från förbränning av ved innehåller ofta rikligt med salter. I en fuktig atmosfär, som lungan, absorberar saltet vatten, vilket får partiklarna att växa. När partiklarna blir större studsar de inte längre runt lika fort vid kollisioner med luftens gasmolekyler, och den minskade rörelsen gör det mindre sannolikt att de kommer i kontakt med någon yta i lungan där de kan fastna. I fallet med vedrök innebar det att risken för deposition halverades. Bara var femte inandad partikel fastnade i luftrören, resten följde med andedräkten tillbaka ut i atmosfären. Detta kan ha effekter på hur man bedömer hälsorisker från förbränning av biomassa.

I en efterföljande studie gjorde vi mätningar på avgaspartiklar från en kraftigt trafikerad gata i Köpenhamn. Där visade sig två av tre inandade avgaspartiklar stanna kvar i kroppen. Den stora skillnaden jämfört med vedrök kan förklaras av att trafikpartiklarna är mindre och att de dessutom inte växer nämnvärt genom upptag av vattenånga i lungan.

En bieffekt av trafikpartiklarnas ringa storlek är att det behövs ett betydligt större antal för att komma upp i samma totala partikelmassa som i en miljö med vedrök. Därmed blir deras sammanlagda yta långt större, på samma sätt som ytan på ett kilo vindruvor är större än ytan på ett kilo äpplen. Enligt våra mätningar var antalet deponerade partiklar från trafiken uppemot tjugo gånger fler än antalet deponerade vedrökspartiklar och deras totala yta tre gånger större, trots att de vägde lika mycket. Resultatet är viktigt, eftersom det är på ytor som kemiska reaktioner uppstår. Flera studier har visat att det kan vara partiklarnas yta som avgör hur hälsan påverkas. I nuläget regleras utsläpp genom gränser för hur hög massan hos partiklarna i luften får vara, inte för deras yta eller antal.

### Nysa, svälja eller invaderas

Vad som händer med partiklarna inne i kroppen är ännu inte helt känt. Vi vet att en del transporteras bort av flimmerhåren som täcker de större luftrören i lungan, att annat som fastnat i näsan eller munnen nyses ut eller sväljs ner och att åter annat oskadliggörs av immunförsvarets så kallade makrofagceller. Men vissa partiklar tycks kunna passera obehindrat ut i blodet och sedan föras vidare till organ där de kan ge upphov till inflammationer och sjukdomar.

I flertalet hälsoundersökningar beaktas bara koncentrationen av föroreningar i luften. Inte desto mindre orsakas eventuella effekter bara av den dos som människor faktiskt har fått i sig.