Влияние электромагнитных полей (ЭМП) на живые организмы

Страница: 5/7

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° (ΔΤ = 5°), вычислялось из уравнения

где G - масса тела, Сb - удельная теплоемкость, М - тепло за счет метаболизма, Е-тепло за счет облучения микроволнами, Sb - поверхность тела, αab - коэффициент теплопередачи воз­дух - тело, θab- 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 Ро 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 σ и ε, 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 Å. 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.

Реферат опубликован: 7/04/2005 (51760 прочтено)