Влияние электромагнитных полей на живые организмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вступление

1. Естественные и искусственные источники электромагнитных полей в средах обитания организмов

2.Физические основы взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами

3. Экспериментальные исследования биологических эффектов ЭМП

4. Допустимые дозы ЭМП

Список литературы

Вступление

Всё многообразие живого на нашей планете возникло, эволюционировало и ныне существует благодаря непрерывному взаимодействию с различными факторами внешней среды, приспосабливаясь к их влиянию и изменениям, используя их в процессах жизнедеятельности. А большинство этих факторов имеют электромагнитную природу. На протяжении всей эпохи эволюции живых организмов электромагнитные излучения существуют в среде их обитания - биосфере. Учёные последовательно обнаруживали всё новые природные электромагнитные излучения в различных диапазонах электромагнитного спектра. К давно уже излучавшемуся диапазону солнечных излучений - от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей - прибавился диапазон ионизирующих излучений (рентгеновских и гамма лучей) космического и земного происхождения. В остальной, более низкочастотной части электромагнитного спектра, вслед за обнаружением медленных периодических изменений (сезонных, месячных, суточных) магнитного и электрического полей Земли, были открыты короткопериодные колебания магнитного поля земли с частотами, простирающимися до сотен герц. А излучение атмосферных разрядов показало, что возникающие при этом электромагнитные излучения охватывают широкий диапазон длин волн - от сверхдлинных до ультракоротких; и наконец, были открыты радиоизлучения Солнца и галактик в диапазоне от метровых до миллиметровых волн. Электромагнитные поля и излучения буквально пронизывают всю биосферу Земли, поэтому можно полагать, что все диапазоны естественного электромагнитного спектра сыграли какую-то роль в эволюции организмов, и что это как-то отразилось на процессах их жизнедеятельности.

Однако с развитием цивилизации, существующие естественные поля дополнились различными полями и излучениями антропогенного происхождения, и это тоже сыграло, а точнее продолжает играть роль в развитии всего живого на Земле. Все мы видели в лесу паутину, сотканную искусным ткачом-пауком, и барахтающихся в ней насекомых. В отличие от пауков, человек создал при помощи радиотехнических и радиоэлектронных приборов невидимую электромагнитную паутину, в которой все мы "барахтаемся", не подозревая об этом. Особенно сильно она разрослась в последние годы. Мощные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, не менее мощные и многочисленные радио- и телепередающие станции, космические ретрансляторы - все эти маленькие и гигантские пауки плетут вокруг нас свои невидимые паутины из электромагнитных полей. И чем больше мы окружаем себя этой «паутиной», тем важнее становится для нас узнать о том, как действуют на всё живое созданные природой и нами самими электромагнитные поля.

Для области спектра, где hн>kТ (при температурах, свойственных живым организмам), т.е. от инфракрасного диапазона до гамма лучей, все виды биологической активности в той или иной степени уже обнаружены. Иначе обстояло дело с остальной обширной областью электромагнитного спектра, где hн<kТ; эта область включает диапазоны от сверхвысокочастотного до инфранизкочастотного, вплоть до “нулевой частоты” (постоянных электрических и магнитных полей). (Для удобства изложения мы будем далее называть всю эту область спектра “электромагнитными полями” или ЭМП). В целом проблема биологической активности области ЭМП начала формироваться только в последние годы, хотя исследования отдельных аспектов этой проблемы ведутся уже давно.

ЭМП долгое время считали не оказывающими какого-либо влияния на живые организмы. К такому заключению приводили простые физические соображения: поскольку кванты энергии в этой области спектра значительно меньше средней кинетической энергии молекул (hн<<kТ), то поглощение ЭМП в живых тканях может быть связано только с усилением вращения молекул как целого, т.е. с преобразованием электромагнитной энергии в тепловую, А поглощение энергии постоянного или медленно изменяющегося электрического и магнитного полей - с ориентацией молекул. Расчёты показывали, что сколько-нибудь значимых для организма тепловых эффектов ЭМП можно ожидать только при весьма высоких интенсивностях - порядка 10² В\м для сверхвысоких частот и до 10⁶ В\м для инфранизких, т.е. при напряжённостях, на много порядков превышающих значение напряжённостей, естественных ЭМП биосферы. Что касается биологически значимого эффекта ориентации молекул под действием постоянных или медленно изменяющихся полей, то такой эффект возможен, если энергия взаимодействия поля с молекулой не меньше kТ. А для этого напряжённость магнитного поля должна быть не ниже 10³ Э и электрического - не ниже 10⁵ В\м ,что на несколько порядков выше напряжённости магнитного и электрического полей Земли. Исходя из этих представлений об условиях возможных энергетических взаимодействий ЭМП с тканями живых организмов, физики скептически относились к появлявшимся время от времени сообщениям биологов о реакциях животных и человека на ЭМП, значительно более слабые, чем это требовалось для теплового эффекта.

Но вопреки этим категорическим заключениям биологи продолжали попытки экспериментально обнаружить биологическое действие ЭМП и постоянного магнитного поля при напряжённостях, значительно более низких, чем это следовало из теоретических оценок.

Биологические исследования показали, что организмы самых различных видов - от одноклеточных до человека - чувствительны к постоянному магнитному полю и ЭМП различных частот при воздействующей энергии на десятки порядков ниже теоретически оцененной. Различные реакции организмов на ЭМП возникают при их интенсивности, которая в тысячи, сотни тысяч и даже миллионы раз ниже, чем это следует из теоретических представлений об энергетическом характере биологических эффектов ЭМП. Особенно высока чувствительность к многократно повторяющимся сверхслабым ЭМП, т.е. имеет место кумулятивное их воздействие на организмы. В полном виде высокая чувствительность к ЭМП проявляется только у целостных организмов; она значительно ниже у изолированных органов и клеток и ещё ниже у белковых растворов.

Если частотные и модуляционно-временные параметры ЭМП существенно отличаются от естественных, то реакции организмов возникают при более высоких интенсивностях ЭМП, но всё же значительно меньших, чем теоретически предсказываемые. В этих условиях реакции имеют характер различных нарушений регуляции физиологических функций - ритма сердца, кровяного давления, обменных процессов и т.д., либо характер чувственных ощущений: у человека - зрительных, звуковых, осязательных, у животных - проявляющихся в изменении эмоционального состояния (от угнетённого до подобного эпилептическому). Особенно ярко выраженные нарушения наблюдаются в регуляции процессов развития. Резкие нарушения отмечаются при патологических состояниях организма.

Характер и выраженность биологических эффектов ЭМП своеобразно зависят от параметров последних. В одних случаях эффекты максимальны при некоторых «оптимальных» интенсивностях ЭМП, в других - возрастают при уменьшении интенсивности, в третьих - противоположно направлены при малых и больших интенсивностях. Что касается зависимости от частот и модуляционно-временных характеристик ЭМП, то она имеет место для специфических реакций (условные рефлексы, изменения ориентации, ощущения). Все же виды нарушений регуляции процессов жизнедеятельности под действием ЭМП практически не зависят от этих параметров.

Анализ этих эмпирических закономерностей приводит к заключению, что биологические эффекты слабых полей, необъяснимые их энергетическим взаимодействием с веществом живых тканей, могут быть обусловлены информационными взаимодействиями ЭМП с кибернетическими системами организма, воспринимающими информацию из окружающей среды и соответственно регулирующими процессы жизнедеятельности организмов.

Т.о. мы постулируем, что в процессе эволюции живая природа использовала естественные ЭМП внешней среды как источники информации, обеспечивавшей непрерывное приспособление организмов к изменениям различных факторов внешней среды - согласование процессов жизнедеятельности с регулярными изменениями, защиту от спонтанных изменений .А это привело к использованию ЭМП как носителей информации, обеспечивающей взаимосвязи на всех уровнях иерархической организации живой природы - от клетки до биосферы. Формирование в живой природе информационных связей посредством ЭМП в дополнение к известным видам передачи информации посредством органов чувств, нервной и эндокринной систем было обусловлено надёжностью и экономичностью «биологической радиосвязи».

электромагнитный поле биологический организм

1. Естественные и искусственные источники электромагнитных полей в средах обитания организмов

Электрическое поле Земли

В атмосфере Земли существует электрическое поле (Е_з), направленное вертикально к земной поверхности так, что эта поверхность заряжена отрицательно, а верхние слои атмосферы - положительно. Напряжённость этого поля зависит от географической широты: она максимальна в средних широтах, а к экватору и полюсам убывает. С увеличением расстояния от поверхности Земли Е_з убывает примерно по экспоненциальному закону (ок. 5 В\м на высоте 9 км).

Величина Е_з испытывает периодические годовые и суточные изменения. Суточные изменения носят как общепланетарный, так и местный характер. Над различными по широте областями океана и в полярных областях суточное изменение Е_з происходит по единому универсальному времени и называется унитарной вариацией. Эта вариация связана с суммарной грозовой деятельностью по Земному шару, претерпевающей такие же суточные изменения. Над остальными областями суши суточное изменение Е_з связано ещё и с местной грозовой деятельностью и может значительно варьировать в зависимости от времени года.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли распределено, как показано на рисунке:

Принято характеризовать это поле четырьмя параметрами - горизонтальной составляющей напряжённости (Н), вертикальной составляющей (Z), углом наклонения I и углом склонения D. Величина Н максимальна у экватора (0,3-0,4 э) и убывает к полюсам до сотых долей эрстеда; Z уменьшается от 0,6-0,7 э у полюсов, почти до нуля у экватора. В областях магнитных аномалий значения Z могут быть намного выше (или ниже), чем в соседних районах.

Элементы земного магнетизма испытывают временные вариации - изменение магнитной активности. Эти изменения измеряют в единицах г=10⁵ э и оценивают либо по К-индексам от 0 до 9 (соотв.-м изменению амплитуды напряжённости в среднем от 4 до 500г, либо и-мерой, вычисляемой по формуле:

где ДН - среднее и значение изменения Н в единицах г, Ф - геомагнитная широта, Ш - угол между геомагнитным и географическим меридианом и D - угол склонения.

Вариации, носящие на первый взгляд произвольный характер, получили название магнитных возмущений, или (при больших изменениях) магнитных бурь. Эти возмущения встречаются в трёх формах: синфазные - появляющиеся спорадически и протекающие одновременно по всей планете, локальные - ограниченные определённой областью у поверхности Земли, и перманентные - наблюдаемые непрерывно в некоторых областях земной поверхности. При синфазных и локальных магнитных наиболее сильно возрастает

Напряжённость горизонтальной составляющей геомагнитного поля- до нескольких тысяч г . Перманентные вариации - до сотен г - наблюдаются непрерывно в течение дня, независимо от общей величины магнитной активности.

Все эти виды магнитной активности являются результатом солнечной активности, связанной как с увеличением числа солнечных пятен, так и со вспышками на Солнце. Поэтому вариации магнитной активности носят соответствующий периодический характер.

Наконец, имеется группа магнитных возмущений периодического характера, которые называют короткопериодными колебаниями (или микроимпульсациями магнитного поля).

Периоды этих колебаний охватывают диапазон от сотых долей секунды до нескольких минут, а амплитуды изменений не превышают нескольких единиц г. Т.о., общий частотный спектр периодических изменений геомагнитного поля занимает интервал от 10^-5 до сотен герц.

Атмосферики

Атмосфериками называют ЭМП, создаваемые атмосферными разрядами. Частотный диапазон атмосфериков широк - от сотен герц до десятков мегагерц. Их интенсивность максимальна на частотах вблизи 10 Кгц и убывает по мере возрастания частоты. В районах, близких к местам грозовых разрядов, напряжённости электрической составляющей ЭМП атмосфериков - порядка десятков, сотен и даже тысяч В\м на частотах, близких к 10 Кгц.

Основными очагами атмосфериков являются континенты тропического пояса, а к высоким широтам интенсивность грозовой деятельности убывает.

Известна суточная и сезонная периодичность грозовой деятельности. Грозовая деятельность связана также с солнечной активностью: во время вспышек на Солнце атмосферики значительно усиливаются.

Радиоизлучения Солнца и галактик

Частотный диапазон радиоизлучения Солнца и галактик довольно широк - от 10 Мгц до 10 Ггц. Интенсивность солнечного радиоизлучения напрямую связано с солнечной активностью. Поток радиоизлучений из галактик на частоте 100 Мгц составляет по порядку величины Вт\м²\ Мгц.

Интенсивность этих радиоизлучений изменяется с суточной периодичностью, что связано с вращением Земли относительно источников излучений. Кроме того, радиоизлучения изменяются по интенсивности с периодичностью 27-28 дней, связанной с вращением Солнца, и, наконец, с 11-летней периодичностью солнечной активности.

ЭМП в окрестности генераторов различных частотных диапазонов

С развитием электроэнергетики, радио- и телевизионной техники появилось большое число разнообразных источников ЭМП.

В диапазоне от низких до ультравысоких частот электромагнитные поля в окрестностях генераторов следует рассматривать как поля индукции, а не как поток излучения радиоволн. Поля индукции быстро ослабляются по мере удаления от источника и за пределами окрестностями радиусом в несколько длин волн (где и расположены чаще всего рабочие места обслуживающего персонала) напряжённости ЭМП составляют уже незначительную долю от их начальных величин.

ЭМП промышленной частоты (50 Гц) возникают у линий электропередач, трансформаторов и т.п. В непосредственной близости от этих источников напряженности ЭМП могут быть и весьма значительными (до нескольких тысяч В\м).

Высокочастотные ЭМП - от десятков до сотен килогерц - наиболее интенсивны вблизи промышленных генераторов для высокочастотной закалки металлов, сушки древесины и т.п. В этих условиях Е может достигать на рабочих местах значений тысяч В\м, а Н - десятков а\м.

Ультравысокочастотные ЭМП - от нескольких Мгц до десятков Мгц - наиболее интенсивны в рабочих помещениях радио- и телевизионных станций, где напряжённости Е доходят до сотен В\м.

Сверхвысокочастотные ЭМП - от сотен до тысяч Мгц , возникающие вблизи соответствующих установок (например, радиолокационных), оцениваются уже по плотности потока мощности, значения которой могут достигать нескольких мВт\см².

«Радиофон»

За счёт многочисленных радио- и телевизионных станций вокруг Земного шара создаётся своеобразный «радиофон». Оценка интенсивности «радиофона» и её изменений во времени весьма затруднительна.

В районах, расположенных в окрестностях радио- и телевизионных станций, интенсивность «радиофона» может быть весьма значительной - порядка десятых долей В\м. В удалённых районах интенсивность «радиофона» значительно ниже и основной вклад в него вносят коротковолновые станции. Так как все станции излучают некогерентно, «радиофон» представляет собой результат суммирования излучений.

Что касается изменения интенсивности «радиофона» в зависимости от времени суток, то оно имеет место только в районах первого типа, где основными источниками «радиофона» являются длинноволновые и средневолновые станции, а также телевизионные станции, работающие в метровом диапазоне. Эти станции, как правило, прекращают работу в период примерно от 1 часа до 6 часов утра. Коротковолновые же станции, ведущие передачи по всему Земному шару, работают практически круглосуточно.

Общее представление об уровне интенсивности «радиофона» может дать сравнение его с уровнем атмосферных помех. Считают, что уровень радиосигналов в 10-100 раз выше уровня помех.

2. Физические основы взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами

Биологические объекты в электростатическом поле

В тканях живых организмов, находящихся в электростатическом поле, индуцируются электрические заряды на поверхностях раздела сред с различными электрическими параметрами, а также происходит поляризация связанных зарядов. При этом допущении можно оценить распределение заряда. Индуцированного на поверхности тела, исходя из формул, выведенных для проводящих тел простых геометрических форм, находящихся в электрическом поле. Например, тело человека можно рассматривать как гомогенный проводящий эллипсоид.

Хилл теоретически рассмотрел возможный механизм взаимодействия электростатического поля с макромолекулами тканей. Электрическое поле вызывает поляризацию макромолекул в растворе, обусловленную как наличием постоянного дипольного момента у молекул, так и изменением расположения протонов в молекуле. Такое действие может влиять на относительную стабильность двух возможных конфигураций макромолекул. На основе этих соображений автор делает вывод, что под действием полей напряжённостью порядка 10000 в\см может произойти разделение цепей ДНК (переход от спаренного состояния к неспаренному), а это может послужить пусковым механизмом для разделения хромосом в клеточном ядре, предшествующего делению клетки. Другая возможность - влияние поля на состояние белковых цепей в мышечных волокнах (переход от длинной цепи к короткой), что может служить пусковым механизмом для мышечного сокращения.

Биологические объекты в магнитостатическом поле

Постоянное магнитное поле в принципе может оказывать влияние на различные процессы в биологических объектах: насчитывают до 20 возможных видов такого рода взаимодействий. Сделано немало попыток теоретического рассмотрения основных физических механизмов биологических эффектов магнитного поля и оценки величин напряженности поля, при которых возможны такие эффекты. Эти теоретические исследования можно разделить на две основные группы в зависимости от того, какие эффекты магнитного поля (микроскопические или макроскопические) в них рассматриваются.

В первой группе исследований исходное предположение состоит в том, что механизмы биомагнитных эффектов обусловлены физическими явлениями, возникающими на молекулярном и даже на атомном уровне. Так, одни авторы видят основную причину биомагнитных эффектов в ориентации диамагнитных или парамагнитных молекул под действием магнитного поля, другие предполагают, что это поле может вызывать искажения валентных углов в молекулах, третьи обращают внимание на ориентацию спинов молекул в магнитном поле и т. п.

Недавно было высказано предположение, что в молекулах воды, помещенной в магнитное поле, могут происходить орто - пара-переходы. Необходимая для этого магнитная энергия (в расчете на молекулу) весьма невелика - например, в сотни раз меньше, чем для разрывов слабых водородных связей в молекуле. В результате орто-пара-переходов в водных растворах могут возникать области с параллельной ориентацией спинов, что приведет к выталкиванию из таких областей растворенных веществ.

Макроскопические механизмы биомагнитных эффектов рассматривались на различных моделях. Рассчитано, что в магнитном поле с напряженностью 3*10⁵ э эритроциты должны вращаться со скоростью 68 град\мин, т. е. вдвое быстрее, чем за счет теплового движения, однако установление равновесного состояния в таком эффекте будет весьма медленным. Более вероятен эффект возникновения градиента электрического потенциала в кровеносных сосудах под действием магнитного поля (магнитоэлектрический эффект). Например, в аорте при скорости кровотока 100 см/сек под действием магнитного поля напряженностью 500 э будет индуцироваться электрическое поле с градиентом 0,14 мв\см, а при напряженности 5*Ю⁵ э - поле с градиентом 5 мв\см, что сравнимо уже с чувствительностью нервных клеток, составляющей 10 мв\см.

С позиций магнитомеханических явлений рассматривались также пульсирующие давления, которые могут возникать в тканях организмов при взаимодействии магнитного поля с биотоками, частоты которых варьируют от 10 до 2*10³ имп/сек. По расчетам, при напряженности поля 10²-10³ э на участках, где протекают биотоки, могут возникать пульсирующие пондеромоторные силы, оказывающие давления порядка 10^-6-10^-1 дин/см². Чувствительность человеческого уха (10^-4 дин/см²} находится как раз в этих пределах. Предполагается возможность резонансных эффектов такого рода, когда частота вынужденных механических колебаний в данном участке организма (или органа) совпадает с собственной частотой его свободных колебаний. В этом случае магнитомеханический эффект может быть существенным и при весьма малых напряженностях поля, например в геомагнитном поле.

Большинство авторов, исходя из теоретических соображений и расчетов, основанных на микроскопических и макроскопических концепциях, приходит к заключению, что биомагнитные эффекты возможны только при достаточно высоких напряженностях поля - по крайней мере, в тясячи эрстед.

Поглощение энергии ЭМП в тканях и преобразование ее в тепловую

Механизм преобразования в живых тканях энергии ЭМП в тепловую считали единственно возможной причиной любых биологических эффектов, вызываемых ЭМП от низких частот до сверхвысоких. На этой основе были разработаны и получили широкое распространение методы применения ЭМП высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот для лечения различных заболеваний. Исходя из этой концепции, пытались оценивать предельно допустимые интенсивности ЭМП радиочастот при изучении их профессиональной вредности.

Тепловая концепция биологических эффектов ЭМП противоречит результатам ряда исследований, проведенных с ЭМП слабых интенсивностей. Однако в тех случаях, когда биологические объекты подвергаются воздействию ЭМП достаточно высоких интенсивностей (при которых тепловой эффект уже возможен), она представляется полезной. Поэтому мы подробно рассмотрим теоретические и экспериментальные данные о тепловых эффектах ЭМП различных частот.

В низкочастотном и высокочастотном диапазонах преобразование энергии ЭМП в тепловую связано в основном с потерями проводимости, возникающими за счет выделения, в тканях джоулева тепла индуцированными в них ионными токами.

До частот порядка 10 Мгц размеры тела человека и крупных животных (а тем более мелких) малы по сравнению с длиной волны, а ткани тела можно рассматривать как проводящую среду. Поэтому выполняются условия квазистационарности и расчеты можно производить как для статического поля; мощность ЭМП, поглощаемая в единице объема тела, может быть в этом случае вычислена по законам постоянного тока:

Р = i²с вт\см³

Величину плотности тока i следует вычислять применительно к форме и электрическим параметрам биологического объекта. Такой расчет для человека, находящегося в переменном электрическом или магнитном поле в диапазоне частот от 100 Кгц до 1 Мгц, сделан при следующих допущениях:

1. Тело человека приближенно рассматривается как гомогенный (по электрическим свойствам) проводящий эллипсоид;

2. Рассматривается только однородное электрическое или магнитное поле, в котором тело (эллипсоид) расположено так, что его большая ось параллельна силовым линиям.

При этих условиях плотность тока в случае электрического поля равна

i_e=1,3*10^-13 *f*E а/см²,

а в случае магнитного поля

i_н=1,3*10^-11*f*H а/см²

(Е выражено в в/м, Н -- в а/м, f --в гц).

Количество тепла, выделяемое при этом в теле человека, будет определяться из соотношений:

Q_E=2*10^-20* с_ср*f²*E² кал/мин

Q_H=2*10^-16 с_ср*f²*H² кал/мин

(с_ср - среднее удельное сопротивление тканей тела человека).

В диапазонах ультравысоких и сверхвысоких частот преобразование энергии ЭМП в тепловую связано уже не только с потерями проводимости, но и с диэлектрическими потерями. При этом доля диэлектрических потерь в общем поглощении энергии ЭМП в тканях возрастает с частотой. Например, потери, связанные с релаксацией молекул воды в тканях, при частоте 1 Ггц составляют около 50% от общих потерь, при частоте 10 Ггц - около 90% и при частоте 30 Ггц--около 98%.

В этих частотных диапазонах (выше 100 Мгц) размеры тела человека и крупных животных уже сравнимы с л или превышают ее, а ткани тела уже нельзя рассматривать как проводящую среду; наконец, нельзя считать различные ткани гомогенными по электрическим свойствам. Иначе говоря, условие квазистационарвости здесь не выполняется и необходимо рассматривать поток волн, часть которого отражается от поверхности тела, а остальная часть постепенно поглощается в электрически негомогенных тканях.

С учетом отражения мощность ЭМП, поглощаемая на 1 см² поверхности объекта, или действующая мощность (Р_д) будет равна

Р_д = Р_о*(1-К),

где Р_о -- плотность потока мощности, падающая на поверхность объекта, К--коэффициент отражения.

Значения коэффициента отражения ЭМП разных частот от различных тканей при разных частотах и глубина проникновения энергии ЭМП в глубь тканей (т. е. глубина, на которой энергия уменьшается в е раз) приведены в таблицах.

Коэффициент отражения от границ раздела между тканями при различных частотах

	Частота, Мгц
Границы раздела	100	200	400	1000	3000	10000	24 500	35000
Воздух -- кожа	0,758	0,684	0,623	0,570	0,550	0,530	0.470
Кожа -- жир	0,340	0,227	--	0,231	0,190	0,230	0,220	--
Жир -- мышцы	0,355	0,3515	0,3004	0,2608	--	--	--	--

Глубина проникновения электромагнитных волн в различные ткани, см

	Частота, Мгц
Ткань	100	200	400	1000	3003	10000	24000	35 000
Костный мозг	22,9	20,66	18,73	11,9	9,924	0,34	0,145	0,073
Головной мозг	3,56	4,132	2,072	1,933	0,476	0,168	0,075	0,0378
Хрусталик глаза	9,42	4,39	4,23	2,915	0,500	0,174	0,0706	0,0378
Стекловидное тело	2,17	1,69	1,41	1,23	0,535	0,195	0,045	0,0314
Жир	20,45	12,53	8,52	6,42	2,45	1,1	0,342	---
Мышцы	3,451	2,32	1,84	1,456	---	0,314	---
Цельная кровь	2,86	2,152,15	1,7871,787	1,40	0,78	0,148	0,0598	0,0272
Кожа	3,765	2,78	2,18	1,638	0,646	0,189	0,0722	---

Зависимость степени поглощения энергии ЭМП в биологическом объекте от размеров последнего можно оценить из расчетов для полупроводящей сферы. Из них вытекает, что при R>л в полупроводящей сфере поглощается примерно 50% мощности, падающей на поперечное сечение, независимо от активной проводимости вещества сферы. Расчеты и эксперименты на моделях показали, что это справедливо для биологических объектов любой формы в диапазоне частот от 300 Мгц до 3 Ггц. Но при R<л поглощаемая мощность зависит от электрических параметров объекта и при некоторых значениях R/л в нем поглощается больше энергии, чем падает на поперечное сечение.

Зависимость характера поглощения от анатомического расположения тканей определяется главным образом толщиной подкожного жирового слоя и способом приложения ЭМП к объекту. Если воздействие производится путем помещения объекта между пластинами конденсатора, то в подкожном слое, имеющем более низкие значения относительной диэлектрической проницаемости е' и активной проводимости у , чем у глубже расположенных мышечных тканей, напряженность Е будет выше, чем в мышцах. Соответственно распределится и поглощаемая мощность ЭМП. Если производится облучение объекта волнами, то жировой слой может сыграть роль «трансформатора импедансов» между воздушной средой и мышечной тканью, что может привести к той или иной компенсации отражения волн и, следовательно, к соответствующему увеличению доли поглощаемой мощности. Этот эффект зависит от толщины жирового слоя, толщины слоя кожи и от частоты ЭМП.

До сих пор мы не учитывали еще одного физического процесса, от которого может зависеть относительное распределение поглощения энергии ЭМП в тканях живых организмов, а именно возникновения стоячих волн, в результате которого энергия, поглощаемая в том или ином слое тканей, может значительно возрасти по сравнению со случаем распространения волн в этой ткани. Стоячие волны могут возникнуть (в связи с отражениями на границах раздела тканей, имеющих различные электрические параметры) в тех случаях, когда толщина рассматриваемого слоя тканей сравнима с длиной волны (величина которой в свою очередь зависит от электрических параметров ткани). Из таблицы, в которой приведены значения длин волн в различных тканях, видно, что такое соотношение возможно в слоях тканей человека и крупных животных для ЭМП с частотами выше 3 Ггц.

Длина волны в тканях при различных частотах, м

	Частота, Мгц
Ткань	100	200	400	1000	3000	10 000	24000	35 000
Костный мозг	116,1	62,2	32,19	12,63	3,97	1,250	0,368	0,388
Головной мозг	31,7	19,4	11,16	4,97	1,74	0,595	0,200	0,201
Хрусталик глаза	33,15	22,3	12,53	5,28	1,75	0,575	0,200	0,201
Стекловидное тело	21,7	13,0	7,96	3,41	1,18	0,395	0,146	0,154
Жир	96,0	57,1	30,9	12,42	3,79	1,450	0,680	---
Мышцы	27,65	16,3	9,41	4,09	---	0,616	---	---
Цельная кровь	25,15	15,35	8,89	3,87	1,36	0,449	0,214	0,167
Кожа	28,07	17,94	10,12	4,41	1,49	0,506	0,250	---

Тепловой эффект ЭМП в тканях живых организмов

Нагревание тканей тела животных и общее повышение температуры тела под действием ЭМП зависят не только от величины электромагнитной энергии, преобразующейся в тепловую, но в значительной степени от терморегуляторных свойств организма.

У гомойотермных животных (птиц и млекопитающих) при данной температуре тела результирующая теплоотдача равна алгебраической сумме теплообразования за счет обменных процессов и теплопотерь за счет излучения, а также испарения при дыхании (а у человека и при потоотделении), как это показано на рисунке.

В интервале температур, при которых организм еще способен к терморегуляции, - между точками пересечения результирующей кривой с осью абсцисс -- преобладают теплопотери, что ведет к восстановлению нормальной температуры тела.

При дальнейшем повышении температуры теплообмен может стать положительным, и температура тела будет возрастать вплоть до гибельной.

Эксперименты, проведенные с фантомами, имитирующими тело животных, показали, что с увеличением объема объекта требуется все большее время для нагревания его до заданной температуры при помощи ЭМП данной мощности. Это объясняется, во-первых, тем, что для нагревания большего объема нужно больше калорий, и, во-вторых, тем, что при одинаковой глубине проникновения энергии ЭМП в ткани доля объема, в которой происходит поглощение, будет тем больше, чем меньше объем. Например, если ЭМП с частотой 300 Мгц проникает на глубину 2,5 см (для мышечных тканей), то это означает, что у крысы (диаметр тела 5-6 см) энергия ЭМП поглощается практически во всем теле, а у собаки (диаметр тела 20-25 см) - только в незначительной поверхности части тела.

Было проведено более детальное теоретическое исследование условий нагревания тканей тела человека и различных животных под действием микроволн. Время, необходимое для повышения температуры тела на 5° (ДФ = 5°), вычислялось из уравнения

где G - масса тела, С_b - удельная теплоемкость, М - тепло за счет метаболизма, Е-тепло за счет облучения микроволнами, S_b - поверхность тела, б_ab - коэффициент теплопередачи воздух - тело, и_ab- начальная разница температур воздух - тело.

В результате исследователи пришли к выводу, что при очень больших значениях t, соответствующих малой интенсивности облучения, практически нет разницы в скорости нагревания животных разных размеров, но при больших интенсивностях (t мало) тело малых животных нагревается быстрее.

Результаты большинства исследований зависимости теплообразования в тканях животных от интенсивности и времени воздействия ЭМП, а также характера распределения температуры в тканях были противоречивыми: в одних случаях отмечалось более значительное нагревание в глубоких тканях по сравнению с поверхностными, в других - противоположное распределение температуры, в третьих - наличие как положительного, так и отрицательного градиента температуры в зависимости от условий воздействия ЭМП. Основными причинами этих расхождений можно считать несовершенство дозирования поглощаемой мощности и несопоставимость ряда условий экспериментов.

Делались попытки теоретически оценить количество тепла, выделяющегося на заданном расстоянии от облучаемой поверхности, и рассчитать соответствующее повышение температуры. Однако сравнение расчетных данных с экспериментальными показало приближенное соответствие только при малых продолжительностях облучения.

Экспериментальная оценка пороговых интенсивностей ЭМП для теплового эффекта была проведена в различных частотных диапазонах при общем и локальном воздействии ЭМП на человеке и животных. Границу теплового эффекта определяли по минимальному повышению температуры тела или тканей, не превышающему нормальных ее колебаний в организме. В качестве признака появления теплового эффекта у человека использовали также и минимальное теплоощущение. Было установлено, что зависимость между теплоощущением и мощностью ЭМП, поглощаемой в тканях (в диапазоне 20-200 Мгц), выражается соотношением:

H=lg P - a lg P₀

где H - теплоощущение, оцениваемое по 4-балльной системе (едва ощутимое тепло, умеренное тепло, интенсивный нагрев, едва переносимый нагрев), Ро-поглощаемая мощность, при которой ощущается едва заметное тепло, Р-данная поглощаемая мощность, а - постоянная, не зависящая от частоты (хотя Р_о варьирует с частотой).

Из результатов эксперимента следует, что пороговые интенсивности ЭМП уменьшаются с повышением частоты. Это и понятно, так как коэффициент поглощения электромагнитной энергии пропорционален частоте и величине электрических параметров у и е, которые в свою очередь изменяются с частотой.

В заключение следует отметить, что в работах, посвященных тепловому эффекту ЭМП, неоднократно обсуждалась возможность избирательного нагревания микрочастиц в биосредах, не сопровождающегося существенным нагреванием окружающей их среды. Однако теоретический анализ показал, что такое избирательное нагревание возможно только в том случае, если частицы достаточно крупны--не менее 1 мм в диаметре. Поэтому нет оснований рассчитывать на избирательное нагревание микрочастиц (клеток, бактерий) при отсутствии существенного нагревания среды, в которой они суспендированы.

Нетепловые эффекты ЭМП в биосредах

Были проведены экспериментальные и теоретические исследования некоторых интересных микропроцессов, протекающих под действием ЭМП.

Первый процесс такого рода состоит в том, что под действием непрерывных и импульсных ЭМП высоких и ультравысоких частот (1-100 Мгц) суспендированные частицы угля, крахмала и молока, эритроциты и лейкоциты выстраиваются в цепочки, расположенные параллельно электрическим силовым линиям. Для каждого типа частиц имеется оптимальный диапазон частот, в пределах которого эффект возникает при минимальной напряженности поля.

Теоретические исследования показали, что формирование цепочек происходит в результате притяжения между частицами, в которых под действием ЭМП индуцируются дипольные заряды (см. рис.).

В неполярной диэлектрической среде (масло) этот эффект возникает и при низких частотах и даже в электростатическом поле, но в воде и физиологическом растворе ионы и дипольные молекулы шунтируют поле низкой частоты и эффект возможен только при достаточно высоких частотах (выше десятков Мгц). Постоянная времени формирования цепочек пропорциональна кубу радиуса частиц (она равна 1 сек. при радиусе в 1 мк). Она мало зависит от Е в слабых полях и обратно пропорциональна Е² в сильных полях. В импульсных ЭМП эффект определяется средним значением Е.

Несимметричные частицы ориентируются либо параллельно, либо перпендикулярно к направлению силовых линий. Это зависит от соотношения между удельной проводимостью частиц и окружающей их среды и от частоты ЭМП (для электрических параметров, близких к биологическим).

Второй эффект -- «диэлектрическое насыщение» в растворах белков и других биологических макромолекул под действием высокоинтенсивных ЭМП сверхвысоких частот. Он предполагает, что под действием таких полей все поляризованные боковые цепи макромолекул ориентируются в направлении электрических силовых линий и что это может приводить к разрыву водородных связей и других вторичных внутри- и межмолекулярных связей и к изменению зоны гидратации (от которой зависит растворимость молекул). Такие эффекты могли бы вызывать денатурацию или коагуляцию молекул, что подтверждается экспериментально.

Третий эффект обусловлен действием сил Лоренца в переменных полях на ионы в электролите. Если раствор электролита находится под действием перпендикулярных друг другу и синфазно изменяющихся электрического и магнитного полей, то электрическое поле (в среднем по времени) не оказывает влияния на ионы, а под действием сил Лоренца и положительные и отрицательные ионы перемещаются в одном направлении - перпендикулярно направлению электрических силовых линий. Такого рода эффекты были экспериментально обнаружены. Нужно подчеркнуть, что рассматриваемые эффекты зависят от суммы подвижностей ионов, а не от их разности и указывают на возможность возникновения такого эффекта под действием электромагнитной волны, распространяющейся в среде. При этом действию сил Лоренца в клеточной среде будут подвергаться не только ионы электролита, но и свободные метаболиты в ионизированной форме.

Наибольший интерес представляют эффекты резонансного поглощения ЭМП различных частотных диапазонов в биологических средах.

Была теоретически рассмотрена возможность резонансного поглощения ЭМП белковыми молекулами в связи с так называемыми дисперсионными силами взаимодействия. В белках, содержащих ряд нейтральных и отрицательно заряженных основных боковых групп, среднеквадратичная величина дипольного момента отлична от нуля, даже если их средний постоянный момент равен нулю. Это обусловливается тем, что (за исключением случая сильно кислотных растворов) число поляризованных боковых групп в белковой молекуле обычно превышает число связанных с ними протонов, так что существует множество возможных конфигураций распределения протонов в молекуле, мало отличающихся по свободной энергии. Для молекул ферментов, в предположении непрерывного распределения основных групп, среднее расстояние между группами составляет примерно 9,5 Е. С такими диполь-дипольными взаимодействиями, происходящими за счет флуктуации распределения протонов, может быть связано поглощение кванта энергии, соответствующего частоте 10 Ггц. Авторы предположили, что такое резонансное влияние ЭМП на распределение протонов в молекуле фермента может привести к изменению скорости образования фермент-субстратного комплекса.

Предполагается, что поглощение энергии ЭМП сверхвысоких частот может быть связано с вращением внутримолекулярных структур относительно С-С-связей с трансляционными переходами гидроксильных групп из одного положения с водородной связью в другое, с вращательными уровнями метастабильных состояний и т. д. Рассматривалась также возможность ионизационных эффектов ЭМП сверхвысоких частот, приводящих к формированию радикалов О₂ и ОН при высоких импульсных мощностях. Эти общие предположения не получили пока еще убедительных экспериментальных подтверждений, хотя результаты некоторых исследований дают основания ожидать их в недалеком будущем.

В общем виде обсуждалась и возможность резонансного поглощения ЭМП во всем теле человека и животных или в отдельных частях тела. Так, например, эффект потери животными контроля над моторными функциями при воздействии ЭМП на область головы и позвоночника рассматривался с позиций возможного резонанса в краниальной полости или вдоль позвоночного столба.

3. Экспериментальные исследования биологических эффектов ЭМП

Эти исследования охватывают всю рассматриваемую область ЭМП - от постоянных полей до миллиметровых радиоволн. Наиболее значительный материал накоплен в исследованиях с УВЧ- и СВЧ-диапазонами; в меньшей мере освоены постоянные магнитные и электрические поля и низкочастотный диапазон, сравнительно небольшое число работ связано с ЭМП высоких частот.

Летальное действие ЭМП

Была проведена серия экспериментов для изучения воздействия на организм собак, кроликов и крыс импульсных и непрерывных СВЧ-полей высоких интенсивностей (2800 и 200 МГц соответственно). В результате экспериментов выяснили, что:

Гибель животных наступает в тех случаях, когда под действием ЭМП высокой интенсивности температура тела животных (определяемая по ректальной температуре) повышается до уровня выше критического, т.е. до 41-42є для крупных животных и 42-43є для мелких. При таких условиях происходит необратимое нарушение терморегуляции в организме и животное погибает.

Гибель животных под действием ЭМП нельзя рассматривать просто как результат перегрева тела, так как наблюдается ряд глубоких нарушений регуляторных процессов в организме, которые зависят не только от величины электромагнитной энергии, преобразующейся в тепловую, но и от частоты ЭМП, от локализации воздействия и от физиологического состояния животного.

Пришли к выводу, что данный эффект можно рассматривать как результат теплового стрессорного действия ЭМП, т.к.фазы изменения температуры соответствуют трём стадиям стресса - «реакции тревоги», «стадии резистентности» и «стадии истощения», а наблюдаемые изменения крови характерны для ранних проявлений теплового стресса.

Особенность летального эффекта микроволн проявляется в адаптации к ним организма животных при повторных облучениях.

Морфологические изменения в тканях и органах под действием ЭМП

Морфологические изменения в органах и тканях животных происходит как в результате однократного воздействия ЭМП высоких интенсивностей, так и кумулятивно - при многократных воздействиях ЭМП малых интенсивностей.

Поражаются тем более глубокие ткани, чем ниже частота ЭМП и чем меньше размеры животного. Однако менее выраженные изменения в глубоко расположенных органах и тканях отмечаются и в тех случаях, когда ЭМП полностью поглощаются в поверхностных, кожных тканях.

Характер морфологических изменений под действием ЭМП может быть самым различным - от резких поражений при летальных воздействиях (ожоги, некроз тканей, кровоизлияния, дегенеративные изменения в клетках и т.д.) до умеренных или слабых обратимых изменений при воздействиях ЭМП малых интенсивностей.

Морфологические изменения в органах и тканях под действием ЭМП различных частот и постоянного магнитного поля могут появляться и в отсутствие какого - либо существенного теплового эффекта. По-видимому, они возникают за счёт кумуляции каких-то функциональных нарушений регуляции обменных процессов.

Наиболее часто наблюдаются морфологические изменения в тканях периферической и центральной нервной системы, нарушаются её регуляторные функции, как за счёт разрыва соответствующих связей, так и за счёт изменения структуры самих нервных клеток. Такие нарушения однотипны при воздействии ЭМП самых различных частот вплоть до постоянного магнитного поля.

Действие ЭМП на глаза и семенники

Глаза и семенники - органы, бедные кровеносными сосудами. Следовательно, Они должны сильнее нагреваться под действием ЭМП, чем органы, в которых возможен интенсивный отвод тепла за счёт усиления кровотока.

Обнаружено, что при однократном облучении глаз микроволнами (от 3 до 30 см) , в результате многократных облучений (10 сеансов по 30 минут с интенсивностью 150 мВт\см² ) и при хроническом (несколько лет) воздействии микроволн с интенсивностью несколько мВт\см² в хрусталике глаза возникает помутнение (катаракта).Также под действием микроволн обнаружены понижение активности ферментов аденозинфосфатазы и пирофосфатазы, ау кроликов, облучавшихся ежедневно в течение 3,5 месяца микроволнами интенсивностью 1 мВт\см² , понижалось внутриглазное давление.

Мужские половые органы в высшей степени чувствительны к тепловому воздействию и, следовательно, особенно уязвимы при облучении. Безопасная плотность излучения в виде максимального уровня 5 мВт/см² значительно ниже, чем для других чувствительных к облучению органов. В результате облучения семенников может наступить временное или постоянное бесплодие. Повреждение половых тканей рассматривают особо, так как некоторые генетики считают, что небольшие дозы облучения не приводят к каким-либо физиологическим нарушениям, в то же время могут вызвать мутации генов, которые остаются скрытыми в течение нескольких поколений.

Для семенников было обнаружено, что дегенеративные изменения в семенниках крыс при 10-минутном облучении микроволнами (2800 МГц) возникают при повышении температуры до 30-35є.При многократном облучении 3-сантиметровыми волнами с интенсивностью 100 мВт\см² , вызывающее повышение температуры в тканях семенников только на 3,3є, приводило к атрофии семенных канальцев.

Морфологические изменения в семенниках возникали у морских свинок под действием постоянного магнитного поля (7000 э, 500 часов) в форме некробиотических изменений клеток сперматогенного эпителия, наблюдалось понижение в них содержания ДНК и РНК.

Эффекты ЭМП при злокачественных опухолях и лучевых поражениях

Введение больным животным экстрактов злокачественных жировых и кожных тканей , предварительно облучённых микроволнами с частотой 3000 МГц, временно замедляло развитие опухоли и увеличивало сроки выживаемости. Однако эти эффекты наблюдались не во всех случаях, а иногда отмечалось и обратное действие. Инъекции больным животным облучённых (в течении 5 мин) экстрактов тканей, взятых у здоровых животных всегда приводили к замедлению роста опухоли, если на период леченья из питания исключали жиры. Инъекции облучённого раствора гликогена ускоряли развитие опухолей. Наблюдалось полное рассасывание саркомы у крыс в результате облучения микроволнами с частотой 6000 МГц при весьма малой интенсивности. Торможение развития злокачественных опухолей у мышей под действием микроволн (3000 и 10000 МГц) наблюдалось и при интенсивном облучении, сопровождавшемся значительным нагреванием тканей.

Действие постоянного магнитного поля на развитие раковой опухоли у мышей давало отрицательные результаты - возрастало число смертных случаев. Но комбинированное действие магнитного поля и микроволн оказалось весьма плодотворным.

Обнаружено положительное влияние микроволн на сопротивляемость животных к ионизирующему излучению.

Итак, в опытах по действию ЭМП на злокачественные опухоли выявлено, что дело здесь не в тепловом действии ЭМП , а в их влиянии на регуляторные функции в организме, на регуляцию внутриклеточных процессов. При лучевых поражениях обнаруживается влияние ЭМП на регуляцию кроветворения и на другие системы нервно-гуморальной регуляции в организме.

Действие ЭМП на различные части тела и органы

Отсутствие кровеносных сосудов в некоторых частях тела делает их особенно уязвимыми к облучению сверхвысокими частотами. В этом случае теплота может поглощаться только окружающими сосудистыми тканями, к которым она может поступать только путем теплопроводности. Это в частности справедливо для тканей глаза и таких внутренних органов, как желчный пузырь, мочевой пузырь и желудочно-кишечный тракт. Малое количество кровеносных сосудов в этих тканях затрудняет процесс авторегулирования температуры. Кроме того, отражения от граничных поверхностей полостей тела и областей расположения костного мозга при определенных условиях приводит в образованию стоячих волн. Чрезмерное возрастание температуры в отдельных участках действия стоячих волн может вызвать повреждение ткани. Отражения такого рода вызываются также металлическими предметами, расположенными внутри или на поверхности тела.

Головной и спинной мозг чувствительны к изменениям давления, и поэтому повышение температуры в результате облучения головы может иметь серьезные последствия. Кости черепной коробки вызывают сильные отражения, из-за чего оценить поглощенную энергию очень трудно. Повышение температуры мозга происходит наиболее быстро, когда голова облучается сверху или когда облучается грудная клетка, так как нагретая кровь из грудной клетки непосредственно направляется к мозгу. Облучение головы вызывает состояние сонливости с последующим переходом к бессознательному состоянию. При длительном облучении появляются судороги, переходящие затем в паралич. При облучении головы неизбежно наступает смерть, если температура мозга повышается на 6 °С.

В результате сильного облучения энергией СВЧ может произойти удушье. Пострадавшим необходимо сделать искусственное дыхание, обеспечить быстрое охлаждение тела и кислородное питание. Следует подчеркнуть, что у человека нет органа чувств, который своевременно предупреждал бы об опасности излучения. Из-за большой глубины проникновения электромагнитного излучения никто не должен полагаться на очень обманчивые тепловые ощущения кожи.

Действие ЭМП на нервно-гуморальную регуляцию обнаруживается как по внешне проявляемым реакциям, так и по нарушениям характера и интенсивности физиологических процессов. К первым эффектам можно отнести изменения поведения животных: безусловные реакции на ЭМП, изменение ранее выработанных условных рефлексов; ко вторым - изменение функций различных отделов нервной системы, нарушение гуморальной регуляции, изменения характера и интенсивности биохимических процессов.

Экспериментальные данные о влиянии ЭМП на рост животных и растений не позволяют делать какие либо заключения. Можно отметить только общие черты в действии магнитного поля: на рост животных оно оказывает угнетающее действие, а на рост растений - стимулирующее. Что касается влияния ЭМП на различные стадии развития организмов - от зародышевой клетки до растущего организма, то в этом отношении можно пока отметить только одну общую черту: в большинстве опытов проявлялось нарушающее действие ЭМП на эти процессы.

...