Медико-биологические аспекты взаимодействия электромагнитных волн с организмом
|
|
Скачать 136.14 Kb.
|
|
Учебное пособие "Медико-биологические аспекты взаимодействия электромагнитных волн с организмом" Авторы: Перельмутер В.М., Ча В.А., Чупринова Е.М. Глава I. Введение 1.1.Актуальность изучения биологических эффектов электромагнитного излучения. Технический прогресс во многих его проявлениях связан с использованием электромагнитных полей или их генерацией как побочного продукта. Суммарная мощность источников электромагнитных полей все время возрастает, а параметры электромагнитного излучения становятся все более разнообразными, так что люди и в целом экосистема подвергаются воздействию электромагнитных сигналов с возрастающей интенсивностью и непривычными, не встречавшимися ранее характеристиками. Это воздействие вполне можно назвать электромагнитным загрязнением среды. Средняя интенсивность этого электромагнитного фона крайне низка, но в ряде местностей и временных периодов она значительна, особенно для персонала, обслуживающего различные системы связи, локации, технологические установки. Неизбежность подвергнуться воздействию электромагнитного излучения с возможно неблагоприятными последствиями заставляет нас оценить опасность различных типов этого физического фактора для здоровья человека. В ряде работ найдена связь между временем воздействия электромагнитных волн и возникновением различных заболеваний. Например, в обзоре [1] указывается на увеличение частоты лейкоза и злокачественных опухолей центральной нервной системы у детей, подвергшихся воздействия электромагнитного излучения. Также указывается на возможность образования свободных радикалов под воздействием электромагнитных полей, что ведет к нарушениям генома вплоть до разрыва ДНК цепей. В работе [2] говорится о трех механизмах возможного влияния электромагнитных волн на статус генетической системы организма и, в конечном счете, на состояние здоровья человека: 1) киллинг клеток (цитотоксикоз); 2) генетические или хромосомные мутации; 3) изменение экспресии генетической информации при транскрипции (блокировка или деблокировка различных локусов генома при считывании) на трансляционном (стабилизация или дестабилизация генетических сообщений) и пост-трасляционном (изменение генного продукта - белка) уровнях. Все эти эффекты потенциально могут приводить к различным заболеваниям. Последний механизм, в отличие от двух предыдущих, является необратимым и характеризуется пороговым поведением, разнообразными биохимическими путями развития и требует многократного воздействия электромагнитного излучения для проявления эффекта. В конечном счете, электромагнитные волны как эпигенетический фактор вызывают в клетке один из четырех следующих эффектов: изменение роста и процесса пролиферации; нарушения в дифференциации клеток; программируемая смерть клеток (апоптоз); адаптивные отклики дифференцированных клеток. В ряде обзоров [3,4] обсуждается опасность для здоровья человека различных устройств, включая и бытовые. Указываются четыре фактора, проявляющих влияние этих приборов на состояние здоровья: 1) нарушения гематологичесих показателей; 2) изменения в хромосомах лейкоцитов; 3) возрастание частоты неблагоприятных родов и 4) более широкое распространение раковых заболеваний. Ряд эпидемиологических работ посвящен исследованию корреляции между электромагнитным облучением и определенными заболеваниями, в [5] анализировалась зависимость частоты онкологических заболеваний от возможности подвергнуться воздействию электромагнитного излучения. Было обнаружено, что частота этих заболеваний составляет 119 на сто тысяч человек для персонала, обслуживающего установки с повышенным уровнем электромагнитного излучения, в то время как этот показатель равен 57 на сто тысяч для остальных людей. Для молодых людей со злокачественными опухолями гемопоэтической и лимфатической систем организма наибольшая разница между экспонированными и неэкспонированными категориями отмечается для случаев лейкемии и лимфомы, которые связаны с иммунннокомпетентными клетками. У многих людей имеются персональные компьютеры. Хотя и декларируется, что эти приборы абсолютно безвредны, все же они излучают электромагнитные волны. Замечено, что это излучение дает мутагенный эффект, нарушает функции желудка и гландов, ослабляет память [6]. Электромагнитное излучение мобильных телефонов действует на центральную нервную систему, глаза, гонады [7]. Кроме этого, оно дает вклад в дисфункции кардиоваскулярной, кроветворной, иммунной систем, нарушает метаболические процессы. Шумовое излучение может иметь существенное влияние на жизненные функции человеческого организма, особенно в миллиметровом диапазоне [8]. Именно в этом диапазоне вода наиболее интенсивно поглощает электромагнитное излучение. В человеческой коже содержание воды составляет около 60%. В связи с этим миллиметровые волны практически полностью поглощаются в слое кожи толщиной 0,7 – 1 мм и не достигают внутренних органов человека. Человеческий организм состоит примерно из 10 15 клеток, которые генерируют электромагнитные поля в миллиметровом диапазоне. Человек в здоровом или больном состоянии имеет различающиеся амплитудно-частотные ответы. Это означает, что любая патология является прежде всего патологией клетки. Внешнее электромагнитное излучение миллиметрового диапазона, к примеру, генерируемое с помощью IMPATT диодов [9], стимулирует собственное излучение организма в этом диапазоне у больного человека. Спектральная плотность шумового излучения различается для разных IMPATT диодов, хотя все из них имеют примерно одинаковый уровень порядка 10 – 19 Вт/Гц. У каждого человека собственное электромагнитное излучение генерируется на своих частотах, и на этих частотах шумовое излучение может оказывать влияние на человеческий организм. . Все эти данные говорят о необходимости разработки новых санитарных норм, в которых бы содержались величины безопасных уровней техногенного электромагнитного излучения. Особое внимание должно быть уделено таким источникам излучения, как телевизионные приемники, радиостанции, мобильные телефоны, линии электропередачи, системы радиокоммуникации, телевидение, средства радионавигации, радиолокации, электротранспорт, бытовая и офисная техника [10]. Одной из главных причин отсутствия таких санитарных норм является недостаточность исследований биологических эффектов электромагнитного излучения, особенно их зависимости от параметров излучения и условий воздействия. Чтобы определить надежно безопасные уровни электромагнитного излучения, необходимо тщательно исследовать биологические эффекты при малых величинах интенсивности воздействующих волн. Однако само существование биологических эффектов низкоинтенсивного электромагнитного поля является в настоящее время предметом обсуждения. Несмотря на результаты многочисленных экспериментальных работ, некоторые физики отрицают возможность того, что электромагнитные кванты в диапазоне частот 108 – 1011 Гц могут вызывать конформационные переходы в биомакромолекулах, так как энергия кванта h много меньше тепловой энергии среды kT. Например, в работе [11] оценивалось удельное поглощение электромагнитного излучения в биологических тканях. Оценки делались в рамках макроскопической электродинамики, и было найдено, что поглощение энергии не может превышать kT/10 при нетепловом уровне интенсивности падающей волны. Рассматривались следующие механизмы накопления энергии: 1) многофотонный процесс, 2) прямое воздействие электрического поля на ионы, 3) кооперативные эффекты и/или когерентные возбуждения. Было найдено, что эти механизмы неэффективны с точки зрения трансформации энергии волны во внутреннюю энергию системы. Поэтому делается вывод, что нетепловые биологические эффекты невозможны в микроволновом диапазоне частот воздействующего электромагнитного излучения. Все выводы о невозможности нетепловых эффектов электромагнитного излучения на биологические объекты основаны на утверждении, что не найден эффективный механизм накопления энергии, достаточной для преодоления потенциального баръера между конформационными состояниями. Но эта ситуация обусловлена тем, что не учитывается ряд физических особенностей взаимодействия биосистем и электромагнитного излучения. Во-первых, особенностью биологических макромолекул является то, что их первичная структура сформирована в виде цепи субъединиц, имеющих внутренние колебательные движения с соответствующими собственными частотами и связанных друг с другом диссипативными но не упругими, что очень важно, связями. При взаимодействии такой системы с электромагнитной волной в биомакромолекуле может возбудиться колебательная мода (тип колебаний), и при этом энергия этого типа колебаний не будет перераспределяться в другие типы колебаний [12]. Этот механизм дает возможность накопления энергии, достаточной для конформационного перехода, в одном из типов внутренних колебаний в биомакромолекуле. Можно интерпретировать этот механизм несколько иначе: такое взаимодействие позволяет концентрировать энергию многих несинхронизованных внутренних колебаний в биомакромолекуле в одном типе колебательных движений, синхронизованных внешним электромагнитным полем. Вторая особенность взаимодействия биологических систем с электромагнитным излучением связана с длиной электромагнитной волны. Оппоненты нетепловых биологических эффектов электромагнитных волн СВЧ диапазона предполагают очень малую вероятность многофотонных процессов. С термодинамической точки зрения это корректно для области Вина в теории равновесного (теплового) излучения, где среднее число фотонов для моды с определенной частотой не может быть больше единицы. Микроволновый диапазон относится к области Рэлея-Джинса, где среднее число фотонов 1. В этом случае термодинамический предел эффективности трансформации энергии внешнего излучения в свободную энергию Гельмгольца будет равен 1 в некотором интервале поглощенной мощности [13]. В этом интервале энергия внешнего электромагнитного поля наиболее эффективно трансформируется в энергию внутренних колебаний, упорядоченных в системе внешним воздействием, включая многофотонные процессы. Этот вывод согласуется с предположением конденсации бозонов в структуре биологических мембран [14]. Аналогичный подход был использован при рассмотрении влияния электромагнитного поля на химические процессы в мембранах при передаче сигналов [15] ^ Наблюдения, сделанные к настоящему времени, показывают, что биологические эффекты электромагнитного излучения зависят от параметров воздействующих полей. Одним из наиболее важных параметров является интенсивность излучения. Оценкой интенсивности может служить либо плотность потока падающей мощности, либо напряженность электрической компоненты электромагнитного поля. Величина интенсивности определяет характер биологического эффекта, который может быть тепловым или нетепловым. Критерием такого разделения является температура биообъекта, облучаемого электромагнитными волнами. Если эта температура под действием облучения повышается не более чем на 0,1 К, уровень интенсивности рассматривается нетепловым, и электромагнитное излучение в этом случае называют низкоинтенсивным. На практике удобно использовать характеристику падающего излучения, а именно плотность потока падающей мощности. Сделаем оценку нетеплового уровня этого параметра на примере животного (мыши). Для этого обратимся к рисунку 1.1, на котором схематически показано это животное, облучаемое потоком падающей мощности с плотностью Pпад. Часть падающей мощности может пройти сквозь мышь, и поток после прохождения через животное будет иметь плотность Pпр. Некоторая доля падающей мощности будет отражаться от тела мыши из-за разности величин диэлектрической постоянной для воздуха и биологическими тканями. Плотность потока отраженной мощности обозначена на рисунке 1.1 , как Pотр, хотя численное значение этого параметра варьирует в зависимости от угла отражения. Поскольку измерение Pпр и, особенно, Pотр представляет большие технические трудности, обычно в эксперименте обходятся измерением только плотности потока падающей мощности Pпад. В связи с этим целесообразно обойтись оценкой нижнего предела пороговой величины нетеплового уровня электромагнитного излучения, предполагая, что вся падающая мощность поглощается в теле животного. Рпад Ротрд  Рпр Рис. 1.1 Схема экспозиции животного электромагнитному излучению. Мы сделаем оценку для длительности экспозиции 30 минут, пренебрегая теплообменом между телом животного и окружающей средой. Кроме того, предположим, что удельная теплоемкость тела животного имеет величину 3 кДж/кгК, поскольку биологические ткани в среднем состоят на 75 % из воды [16]. При массе тела мыши около 20 граммов энергия, поглощенная животным, не должна превышать 6 Дж при условии, что прирост температуры тела t 0,1 К: Q mct = 6 Дж . Чтобы выполнить это условие при времени экспозиции tэкс = 30 минут и площади проекции тела мыши Sм = 10 см2, плотность потока падающей мощности должна быть равна: Pпад = Q/(Stэкс) = 6 Дж/(10 см2 1,8103 с) = 3,310-4 Вт/см2 = 330 мкВт/см2. Для человека эта величина примерно в 5 раз больше, поскольку для его тела отношение масса/площадь проекции равно 10 г/cм2 , в то время как для мыши оно составляет величину 2 г/см2. Если учесть теплообмен тела с окружающей средой, а также тот факт, что часть падающей мощности отражается от тела, а не проходит сквозь него, то пороговая величина должна быть увеличена. Понятно, что такие оценки справедливы для частот, на которых в поглощении падающих волн участвует практически все тело. Специальные измерения показали, что в СВЧ - диапазоне температура тела человека возрастает на 0,1 К при уровне потока падающей мощности около 5 мВт/см2 при 30 минутной экспозиции. Необходимо также учитывать зависимость этого порога от продолжительности экспозиции. Чем меньше продолжительность экспозиции, тем более высок порог нетеплового воздействия электромагнитного излучения. Следующим важным параметром электромагнитного излучения является его частота, поскольку нетепловые биоэффекты носят резонансный характер. Однако эта величина имеет смысл только при непрерывном или длинно-импульсном воздействии на фиксированной несущей частоте. Последний случай характеризуется тем, что длительность импульсов и должна быть много больше периода колебаний Т: и Т = 1/f. В этом случае спектр амплитудно-модулированного излучения близок к спектру выходного сигнала реальных генераторов, работающих на фиксированной частоте в непрерывном режиме. При амплитудной или частотной модуляции резонансное взаимодействие биообъектов с воздействующим излучением возникает с определенной периодичностью, задаваемой частотой повторения модулирующих импульсов. Эта частота повторения имеет также биологическую значимость, поскольку она может быть близка или кратна частоте ритмов электрической активности центральной нервной системы. Во многих случаях, а именно при частотной модуляции, амплитудной модуляции с малой длительностью импульсов и шумовом воздействии, имеет смысл говорить не о несущей частоте, а о частотном спектре или полосе частот электромагнитного излучения. Количественной характеристикой интенсивности воздействия в этом случае помимо интегральной плотности потока падающей мощности служит спектральная плотность излучения. Этот параметр является мерой мощности излучения, приходящейся на тот или иной частотный интервал: P/f. Наконец, имеет смысл рассмотреть отдельно вопрос о частотном спектре ультакоротких импульсов, которые иначе называются сигналами с ультраширокой полосой. Это сделано в следующем параграфе. ^ Прежде всего, рассмотрим диапазоны частот, используемые в медицине в терапевтических или диагностических целях. Диаграмма, поясняющая положение дел на сегодняшний день в этом направлении, показана на рисунке 1.2. Здесь же показаны частотные диапазоны электромагнитных волн, генерируемых наиболее распространенными бытовыми приборами. Диаграмма охватывает не все диапазоны частот, а те из них, где интенсивность техногенного излучения достаточно велика. Кроме того, в диаграмме использована радиотехническая терминология, которой придерживаются, как правило, производители генерирующих и передающих устройств.  3  Радиотелескопия  Исследование плазмы Молекулярная спектроскопия  4   1 Сотовая связь 2 Спутниковая связь  5 Терапия и диагностика  106 107 108 109 1010 1011 1012 f, Гц   Терагерцовые волны  кв укв увч свч квч ИК      Рис. 1.2 Радиотехническая шкала частот .  Как видно из рисунка 1.2, в радиотехнической шкале нет никаких промежутков, и термин "терагерцовые волны" не входит в эту систему. Физики пользуются несколько иной шкалой. В этой шкале идут последовательно метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые, субмиллиметровые волны, затем дальний и ближний инфракрасный свет, видимый диапазон, ближний и дальний ультрафиолет, рентгеновский и гамма - диапазоны. В этой шкале также нет промежутка для "терагерцовых волн". С другой стороны, приставки: кило, мега, гига, тера – означают множители 103, 106, 109 и 1012, соответственно. Поэтому "терагерцовые волны" должны соответствовать частотам от 103 до 106 ГГц, то есть интервалу, охватывающему часть субмиллиметровых волн, инфракрасный диапазон и часть видимого диапазона. На самом деле под этим термином понимают диапазон от 100 до 100 тысяч ГГц. В чем же дело? Есть две причины появления этого термина. Во-первых, хотя в вышеприведенных шкалах и нет промежутка, существовал промежуток в освоении частотных диапазонов. Для освоения диапазона частот необходимы три составляющих: генераторы колебаний, разработанные волноведущие системы и диагностическая аппаратура. Со времен Герца и Попова радиотехники развивали эту технику, последовательно поднимаясь вверх по шкале частот и достигнув к концу прошлого века начало субмиллиметрового диапазона. С другой стороны оптика развивалась от видимого диапазона в ультрафиолетовую и инфракрасную стороны. В силу этих исторических причин частотный интервал, к которому приписывают "терагерцовые волны", стали осваивать буквально в последние годы. Вторая причина состоит в том, что этот диапазон оказался очень интересным с точки зрения его приложений, особенно в медицине. Он обладает лучшими свойствами своих соседей. Как и радиоволны, он проникает сквозь непрозрачные для видимого света материалы (исключая металлы). С другой стороны, волны этого диапазона можно фокусировать, как свет, и использовать законы геометрической оптики при построении электродинамических систем. Литература к главе 1:
|
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям