CC BY
1660
УДК 538.56
Е. Г. Васильева
МЕХАНИЗМ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
Введение
Вопросами влияния естественных и искусственных электромагнитных полей (ЭМП) на живые организмы занимается магнитобиология. Исследования в этой области требуют согласованного взаимодействия специалистов разных отраслей - инженеров, физиков, биологов, медиков, сферы деятельности которых сильно отличаются объектами и методами исследования.
Важной задачей биологов является разработка эффективного и достоверного метода определения влияния ЭМП на живые организмы. Проблематичным остается выявление достоверной оценки изменения физиологического состояния и основных жизненных функций биологических объектов, подвергнутых электромагнитному излучению. Необходим правильный выбор модельных объектов, приемлемых для решения этих задач.
Воздействие высоко- и низкочастотных ЭМП на тест-объекты
В наших исследованиях было использовано 2 вида ЭМП - низкочастотного и высокочастотного диапазона. Объектами исследования являлись плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster), шпорцевая лягушка (Xenopus leaves), пресноводная креветка (Neocaridina dentecu-lata) и рыба рода тиляпии (Tilapia mossambica). Представленные объекты были выбраны не случайно. Все эти организмы обитают в различных средах: мушки дрозофилы - в воздушной среде, шпорцевые лягушки - в воздушно-водной, рыбы тиляпии - в водной пелагиале, креветки относятся к бентическим гидробионтам. Кроме того, все они легко размножаются в лабораторных условиях и дают достаточно многочисленное потомство на протяжении всего периода исследований при соблюдении оптимальных условий их содержания.
Для более полного понимания воздействия ЭМП на организм необходимо пользоваться методами моделирования. Нужно помнить о том, что реакции организма на разных его уровнях могут быть различными. Пытаясь понять влияние фактора на молекулярном и даже атомарном уровнях, не нужно забывать, что эффекты, не обязательно обусловливают реакцию всего организма. Известно, что система более сложного уровня организации - это не только совокупность более простых систем, она обладает новыми свойствами, не присущими её составным частям. Именно поэтому сложным становится соотношение эффектов, возникающих на разных уровнях организма, и поиск их взаимосвязи.
Для наиболее полного выяснения влияния ЭМП на объект необходимо изучение сначала целостной реакции организма, его иерархических систем различной степени сложности, а также определение физиологических и биофизических изменений в тканях и органах. Второй этап изучения механизма влияния ЭМП - это моделирование. Имея достаточно данных о физиологических реакциях организма и располагая знаниями о физико-химических механизмах, связанных с изучаемой реакцией биологического объекта на внешнее воздействие, можно довести изучение механизма и до рассмотрения соответствующих процессов на молекулярном уровне.
Влияние ЭМП на организм зависит от многих факторов: типа ЭМП, его характеристик, а также от свойств среды, на которую оно воздействует.
Используемое нами низкочастотное ЭМП в 5 Гц (промышленные частоты) - поле декамега-метрового диапазона волн длиной 107-108 м. К источникам низких частот относятся в первую очередь все системы производства, передачи и распределения электроэнергии (линии электропередач -трансформаторные подстанции, электростанции, системы электропроводки, различные кабельные системы); домашняя и офисная электро- и электронная техника и т. д., транспорт на электроприводе: ж/д транспорт и его инфраструктура, городской - метро, троллейбусный, трамвайный.
Высокочастотное ЭМП в 27 ГГ ц - это радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ), диапазон волн - сантиметровые микроволны длиной 10-1-10"2 м. Данное излучение применяется в медицинских терапевтических и диагностических установках, бытовом оборудовании (СВЧ-печи), средствах визуального отображения информации на электронно-лучевых трубках (мониторы персональных компьютеров, телевизионные и т. п.) [1].
В диапазоне от низких до ультравысоких частот ЭМП в окрестности генераторов следует рассматривать как поля индукции, а не как поток излучения радиоволн. Поля индукции быстро ослабляются по мере удаления от источника и за пределами окрестности радиусом в несколько длин волн напряжённость ЭМП составляет уже незначительную долю от его начальной величины.
Нами исследовалось влияние ЭМП на организмы в зоне индукции. В зоне индукции Е (напряженность электрического поля) и Н (напряжённость магнитного поля) изменяются не в фазе и быстро убывают при изменении расстояния от источника (обратно пропорционально квадрату и кубу соответственно), а соотношения между их средними значениями могут быть любыми. В зоне индукции энергия попеременно переходит то в электрическое, то в магнитное поле, поэтому мы раздельно оценивали Е и Н.
В генераторах создавались гармонические электромагнитные колебания (синусоидальные электромагнитные волны). Высокочастотное ЭМП характеризовалось следующими величинами: Е = 200 В/м, Н = 6,5 А/м, В = 5 200 нТл; низкочастотное ЭмП: Е = 90 В/м, Н = 1,9 А/м, В = 1 500 нТл.
Для того чтобы приложить энергию ЭМП к физическому объекту с максимальным линейным размером 1, есть два пути (в зависимости от величины отношения 1/Х, где X - длина волны): можно либо поместить объект как нагрузку в элемент сосредоточенной емкости или индуктивности в схеме генератора ЭМП, либо воздействовать на объект электромагнитными волнами.
В эксперименте было выполнено условие квазистационарности 1 << X для всех организмов, где воздействие на объекты может быть оценено по законам постоянного тока. Рассмотрим это на примере полупроводящего цилиндра с образующей 1, большей радиуса R, и площадью кругового сечения
Пусть такой объект помещен в электрическое поле между пластинами конденсатора так, что торцы цилиндра параллельны пластинам и равно удалены от них. Тогда индуцированная в нем сила тока будет выражаться соотношением [2]:
К
I = _35!1, (1)
Z
где Кцил - падение напряжения между торцами цилиндра; Z = —,------------1-----^ - его полное
«(с- 7'юе'е 0)
сопротивление.
Падение напряжения на цилиндре составляет только часть от напряжения У0, приложенного к пластинам конденсатора:
Кцил = К --^1, (2)
Люе 0
где d - расстояние от торца цилиндра до пластины конденсатора.
Согласно литературным данным, влияние ЭМП на живые организмы носит комплексный сложный характер, но основные воздействия всё же связаны со свойствами клеток и тканей организма [3].
Ткани живых организмов по своим электрическим и магнитным свойствам представляют собой растворы электролитов, содержащие белковые молекулы, обладающие слабыми диамагнитными или парамагнитными свойствами и электрической полярностью, характеризующейся дипольным моментом.
Под действием электростатического поля в таких средах перемещаются «свободные»
электрические заряды (электроны, ионы и другие заряженные частицы), происходит поляриза-
ция, т. е. смещение «связанных» зарядов (электронов в атомах, атомов в молекулах), и возникает ориентация молекул, обладающих постоянным дипольным моментом (молекул воды и белковых молекул). Магнитостатическое поле вызывает ориентацию диамагнитных и парамагнитных молекул, а на движущиеся электрические заряды оно действует с силой, определяемой уравнением [3]:
^ = qvH, (3)
где q - величина электрического заряда; V - скорость его движения; Н - напряженность магнитного поля.
Под действием переменных ЭМП в рассматриваемой среде будут происходить процессы двух основных типов: колебания свободных зарядов и повороты дипольных молекул в соответствии с частотой изменения ЭМП. Так как среда обладает электрическим сопротивлением и вязкостью, оба эти процесса связаны с потерями энергии ЭМП: в первом случае их называют потерями проводимости, во втором - диэлектрическими потерями.
Величина потерь того или другого вида и их доля в общем поглощении энергии ЭМП в среде зависят, во-первых, от ее электрических параметров - удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости и, во-вторых, от частоты воздействующих ЭМП.
Соотношение между потерями проводимости и диэлектрическими потерями выражают обычно либо тангенсом угла потерь tg 5, либо комплексной диэлектрической проницаемостью е . Эти величины связаны между собой следующими соотношениями [4]:
tg ^ = -у = с ; (4)
е юе е0
е* = (е '- 7е '' )е0,
где е" - коэффициент потерь (или фактор потерь); о - активная проводимость, учитывающая оба вида потерь.
Среду рассматривают как проводящую, если потери проводимости в ней значительно превышают диэлектрические, т. е. когда tg 5 >> 1; как полупроводящую, когда оба вида потерь примерно одинаковы, т. е. tg 5 ~ 1; как диэлектрическую, если диэлектрические потери значительно превышают потери проводимости, т. е. tg 5 << 1.
Как видно из уравнения (4), величина tg 5 зависит от частоты, поэтому одна и та же среда может вести себя как проводящая по отношению к ЭМП одного частотного диапазона, проявлять свойства полупроводящей при ЭМП другого диапазона и, наконец, диэлектрические свойства по отношению к ЭМП третьего частотного диапазона. Это обстоятельство должно учитываться при оценке влияния электромагнитных волн на живые ткани.
Мощность, рассеиваемая в единице объема диэлектрической среды, также зависит от частоты, что видно из выражения
Рд =юе ^ 5Е2. (5)
Кроме того, сама величина е* изменяется с изменением частоты ЭМП (дисперсия),
т. к. любая поляризация связана с переходными релаксационными процессами. Это означает,
что процессы заряда и разряда происходят не мгновенно, а за некоторое конечное время - время релаксации т, зависящее от структуры поляризующихся элементов, вязкости среды и ее температуры. Возникающая в связи с этим частотная зависимость е выражается следующим образом [5]:
е' ' . е«-еш . = (е 1 -еш) .
°° 1 + (ют)2; 1 + (ют)2;
с с К-с 1Хют)2 (6)
С = С * 1 + (И Х)2 • (6)
где индекс 1 характеризует значения при очень низкой частоте, а индекс да - при очень высоких частотах.
Эти уравнения описывают три типа релаксационных процессов.
Первый тип - релаксация молекул, обладающих постоянным дипольным моментом, когда уравнения (6) называются уравнениями Дебая, а т определяется вязкостью среды п, радиусом молекулы а и абсолютной температурой Т:
т = ^, (7)
кТ
где к - постоянная Больцмана.
Второй тип релаксации характерен для неоднородной структуры - суспензии сферических частиц с диэлектрической проницаемостью гi и проводимостью ог-, занимающих в растворе (е'а и оа) долю объема, равную р. В этом случае уравнения (6) называют уравнениями Максвелла -Вагнера при следующих параметрах:
1 = 8,
8 ;■+2£ а
а, + 2ст„
_8ш = 9р
(8^а -8'аа, )
(8' - 2аа Ха* + 2аа )2
(8)
Третий тип - релаксация, связанная с поляризацией на границах раздела при наличии в окружающей среде, содержащей ионы, частиц различного размера с поверхностными электрическими зарядами. Этому случаю соответствует уже ряд уравнений типа (7) для различных значений т.
Максимум диэлектрических потерь наступает, когда частота ЭМП совпадает с характеристической частотой релаксации юх = 1/т.
Ткани живых организмов по электрическим свойствам можно разделить на три группы в соответствии с содержанием в них воды: суспензия клеток и белковых молекул жидкой консистенции (кровь, лимфа); аналогичная суспензия, находящаяся в уплотненном состоянии (мышцы, кожа, печень и т. п.); ткани с малым содержанием воды (жир, кости). Клетки, коллоидные частицы, молекулы белка и другие микрочастицы, будучи взвешены в растворе электролита, приобретают дипольный момент. Электрические заряды в тканях представлены также дипольными молекулами воды и, наконец, ионами электролитов.
В постоянном электрическом поле ткани в той или иной степени поляризуются - заряженные частицы перемещаются вдоль силовых линий, дипольные молекулы ориентируются в этом же направлении. В проводимом эксперименте постоянное напряжение ЭМП было приложено непосредственно к кожным покровам организма. Предполагается, что в этой ткани под действием ЭМП возникал электрический ток, связанный с ионной проводимостью. На рис. 1 приведена эквивалентная схема клетки с внеклеточной средой.
I
Rс,
с
'•-'м
Rвм
с
Рис. 1. Прохождение электрического тока в клетке (а) и эквивалентная электрическая схема клетки (б): Rср - сопротивление; Сср - емкость внеклеточной среды; Rвн - сопротивление внутриклеточной среды;
См - емкость мембраны клетки [4]
б
Очевидно, что при постоянном напряжении мембрана ведет себя как изолятор, и ток может протекать только во внеклеточной среде. Под действием постоянного напряжения может происходить и явление электрофореза - переноса электрически заряженных частиц (клетки, макромолекулы).
В рассматриваемых нами областях ЭМП (низкие и сверхвысокие частоты) наблюдается изменение е' и о (или р = 1/о) тканей в зависимости от частоты. Отмечено 2 диапазона дисперсии: а-дисперсия при низких частотах (5 Гц) и диапазон у-дисперсии при сверхвысоких частотах (27 ГГц).
На рис. 2 приведен график хода дисперсий для мышечной ткани (человека и других млекопитающих), где отмечен также диапазон Р-дисперсии, регистрируемый при радиочастотах.
10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010'
Частота, Г ц
Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости (а) и удельного сопротивления (б) мышечной ткани от частоты. Пунктир - теоретическая кривая [6]
е
По поводу механизма а-дисперсии высказываются некоторые предположения [6]. Так как при низкой частоте возможна только ионная проводимость, а мембраны клеток ведут себя как изолирующие слои, то низкочастотные токи могут протекать только во внеклеточной среде, что и обусловливает низкую удельную проводимость тканей. Жировые ткани сами по себе обладают низкой удельной проводимостью, а содержание в них электролитов весьма мало. Возрастание о с увеличением частоты можно отнести за счет соответствующего уменьшения емкостного сопротивления мембраны клетки, что ведет ко все возрастающему участию внутриклеточной среды в общей проводимости ткани.
Весьма высокие значения е' при низких частотах и резкое падение этой величины с увеличением частоты связаны с релаксацией процессов заряда и разряда на мембране клетки или с релаксацией, обусловленной ионами атмосферы, окружающей электрически заряженную поверхность клетки. Частоты еще столь низки, что клеточные мембраны успевают зарядиться (за счет ионов вне и внутри клетки) за один период. Следовательно, полный заряд за период велик и емкость ткани значительна. А это эквивалентно высокой диэлектрической проницаемости ткани (емкости на единицу объема).
Характер у-дисперсии при частотах выше 1 ГГц удовлетворительно объясняется полярными свойствами молекул воды. Кривые дисперсии достаточно хорошо согласуются с уравнениями Дебая (6), если в выражение для е" ввести поазатель, учитывающий ионную проводимость [7]:
е"=85 7^1+1,3-1013 —, (9)
1 + (ют) юе
где т - время релаксации для молекул воды (порядка 10-11 с); о - ионная проводимость, не зависящая от частоты.
Характер дисперсии для жировых тканей обусловливается их структурой. Установлено, что параметры чисто жировых тканей практически не зависят от частоты в диапазоне выше 100 МГц, тогда как у тканей, состоящих из жировых клеток, окруженных электролитической средой, наблюдается дисперсия [7]. Для костных тканей дисперсия удовлетворяет уравнениям Дебая при времени релаксации 0,7-10-11 с и с поправкой на ионную проводимость.
Заключение
Влияние ЭМП на организм зависит от многих факторов: типа ЭМП и его характеристик, а также от свойств среды, на которую оно воздействует. Основным механизмом воздействия ЭМП на живой объект является изменение свойств водных растворов организма. Основными мишенями при воздействии ЭМП на биологические объекты являются: плазматические мембраны клеток, внутри- и межклеточная жидкость. Электромагнитные волны могут увеличивать гидратацию белковых молекул. Электромагнитные поля сильно поглощаются водой и водными растворами. Всё это подтверждает необходимость особенно внимательного изучения влияния ЭМП именно на водные объекты. Использование объектов различного уровня организации (членистоногие, земноводные, рыбы) позволяет наиболее полно рассмотреть особенности влияния ЭМП на живые организмы. Результаты данных исследований полезны и для более полного понимания механизма воздействия фактора.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Гетия И. Г. Безопасность при работе на ПЭВМ. - М.: НПЦ «Профессионал-Ф», 2003. - 415 с.
2. Александров В. В. Электрофизика пресных вод. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 184 с.
3. Бецкий О. В. Вода и электромагнитные волны // Биомедицинская радиоэлектроника. - 1998. - № 2. - С. 3-6.
4. ПресманА. С. Электромагнитные поля и живая природа. - М.: Наука, 1968. - С. 3-288.
5. Орлов В. М. Насекомые в электрических полях (биологические феномены и механизм восприятия). -Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. - 112 с.
6. Schvan H. Electrical properties of tissue and cell suspension // Advances Biol. and Med, Phys. - 1957. - 5. - 147.
7. CookH., Dielectrie behaviour of human blood at microwave-freguencies // Nature. - 1951. - 165. - 247.
Статья поступила в редакцию 25.03.2008
THE MECHANISM OF INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC FIELDS ON LIVING ORGANISMS
E. G. Vasilieva
Complexities of research of influence of electromagnetic fields (EMF) of low-frequency and high-frequency ranges on biological objects are considered. Attempt has been undertaken to estimate influence of EMF on biological objects and to assume the possible mechanism of their action. Under action of variables of EMF in fabrics of the test-objects there are processes of two basic types -fluctuations of free charges and turns of dipole molecules according to the frequency of EMF. As environment possesses electric resistance and viscosity, both these processes are connected with losses of EMF energy. Specific resistance and dielectric permeability of fabric depends not only on its properties, but also on the frequency of the field influencing it, as well as the capacity disseminated in a unit of volume of the dielectric environment. This circumstance should be considered in an estimation of influence of electromagnetic waves on fabrics of living organisms.
Key words: the mechanism of action, electromagnetic field, the frequency of electromagnetic field, free charges, the biological test-objects.
