Механизм действия полей

Глава 9. Защита человека от электромагнитного

Влияния

Общие вопросы влияния полей на человека

Организм человека электрически активен. Его нормальное функционирование связано с протеканием в нервных клетках слабых электрических сигналов. Поэтому электромагнитные поля оказывают отрицательное влияние на человека.

Результаты современных исследований свидетельствуют, что все живые организмы – от одноклеточных до высших животных и человека – обнаруживают исключительно высокую чувствительность к электрическим и магнитным полям. Многочисленными статистическими данными показано, что электромагнитные поля (ЭМП) естественных источников (геомагнитные поля, атмосферные разряды, излучения звёзд и галактик) существенно влияют на формирование биологических ритмов. Выявлены достаточно достоверные взаимосвязи между солнечной и геомагнитной активностью и ростом числа гипертонических кризов, инфарктов миокарда, психопатологических расстройств.

За последние десятилетия резко увеличилось число источников электромагнитных помех (ЭМП) антропогенной природы. В научной литературе появились термины «электромагнитное загрязнение среды», «магнитная паутина», «электромагнитный смог». Интенсивное развитие электроэнергетики и внедрение электропередач высокого и сверхвысокого напряжения послужило основанием для оценки влияния этих линий на человека как в производственных, так и непроизводственных условиях. Широкое распространение мощной бытовой техники, оргтехники, средств связи также определяет актуальность проблемы оценки опасности биологического действия ЭМП на человека, при этом электромагнитный спектр, воздействующий на человека, простирается от электрических и магнитных полей промышленной частоты до радиочастот для KB- и УКВ-диапазонов.

Электромагнитная обстановка может создаваться полями естественного или искусственного происхождения. В процессе эволюции живые организмы выработали способность приспосабливаться к естественным полям. При возникновении искусственных полей живые организмы, в первую очередь человек, могут испытывать негативное влияние в зависимости от напряженности полей, их частоты и продолжительности. Развитие энергетики, с непрерывно расширяющимся применением мощных электротехнических и электронных устройств на производстве, транспорте, приводит к тому, что уровни электромагнитных полей становятся все более заметны, а напряженности нолей на рабочих местах существенно превышают значения естественных полей. Всё чаще в научных трудах и в средствах массовой информации появляются материалы об опасности для здоровья электрических, магнитных и электромагнитных полей. В частности, появляются сообщения о повышенном риске раковых заболеваний у людей длительно находящихся вблизи линий электропередачи высокого напряжения или других объектов электроэнергетики напряжением 220 кВ и более. Причем вероятность заболеть тем выше, чем моложе человек.

Эффект электромагнитного облучения зависит от частоты, продолжительности и интенсивности воздействия, площади облучаемой поверхности, общего состояния здоровья человека. Кроме того, на развитие патологических реакций организма влияют:

– режимы генерации ЭМП, в том числе неблагоприятны амплитудная и угловая модуляции;

– факторы внешней среды (температура, влажность, повышенный уровень шума, рентгеновского излучения и др.);

– некоторые другие параметры (возраст человека, образ жизни, состояние здоровья и пр.);

– область тела, подвергаемая облучению.

Наиболее чувствительны больные организмы, в частности, страдающие аллергическими заболеваниями или имеющие склонность к образованию опухолей. Весьма опасно облучение в период эмбрионогенеза и в детском возрасте.

Наиболее хорошо исследованным эффектом воздействия ЭМП на биологические ткани является процесс преобразования падающей на ткани энергии в кинетическую энергию молекул, что приводит к нагреву среды (проявляется в диапазонах ВЧ и СВЧ). Нагрев обусловлен одновременно ионной проводимостью и колебанием дипольных молекул воды и белков. Распределение тепловых полей зависит от частоты и конфигурации источника, формы и диэлектрических свойств тканей, тепловых свойств тканей и терморегуляционных способностей организма.

По мере увеличения поглощенной энергии (или плотности потока энергии воздействующего ЭМП выше 10 мВт/см) нарушаются защитные механизмы, регулирующие температуру, что приводит к неконтролируемому повышения температуры тела. Наиболее уязвимы ткани с плохой циркуляцией крови и терморегуляцией (хрусталик глаза, семенные железы, желчный пузырь, участки желудочно-кишечного тракта).

Энергия, поглощенная единицей массы за единицу времени, служит основой дозиметрической оценки – так называемой удельной поглощенной мощностью (SAR – в английской аббревиатуре), измеряемой в ваттах на килограмм.

Рис. 9.1. Удельное поглощение для человека, облучаемого в свободном

пространстве плоской волной (S=1 мВт/см²): 1 – голова; 2 – всё тело; 3 – нога;

4 – шея; 5 – торс; 6 – рука.

Если длина волны в тканях соизмерима с размерами облучаемого биологического объекта или отдельных его органов, то наблюдаются явления резонанса и стоячих волн, что приводит к росту электромагнитного поглощения. На рис.9.1. приведены частотные зависимости SAR для человека ростом 1,75 м и частей его тела, облучаемого электромагнитной волной в свободном пространстве [31].

Механизм действия полей

Выполнение нормальных жизненных функций человека связано с протеканием электрических процессов в клетках. При этом плотность токов по нервным волокнам, мышечным тканям не превышает 0,1 мкА/см².

Плотность тока 0,1 мкА/см² ощущает человек, а плотность тока 10–50 мкА/см² является пороговой для нормальной работы.

Длительное протекание через сердце тока 1 мкА/см² вызывает определенные последствия.

В настоящее время научно установлены два механизма влияния электрических, магнитных и электромагнитных полей на человека за счет индуктированных в теле токов [25]:

1) изменение разности потенциалов между наружными и внутренними поверхностями мембран клеток (возникновение так называемого потенциала действия);

2) нагрев тканей.

Рассмотрим обстоятельства, связанные с проявлением первого механизма Нормальное функционирование клеток человека связано с обменом веществ через мембраны. Обмен осуществляется путем открытия каналов в мембране, через которые проходят ионы натрия, кальция, хлора и других элементов. Открытие каналов происходит за счет электростатических сил, действующих на белковые молекулы мембраны, при изменениях напряжения между стенками мембраны вследствие различия концентраций ионов внутри и снаружи клетки.

Изменения концентрации ионов снаружи клетки и возникновение потенциала действия являются неотъемлемыми элементами механизмов электрохимической передачи информации по тканям. В спокойном состоянии напряжение составляет примерно 80 мВ. Для того чтобы каналы мембраны оказались прозрачными для ионов натрия, достаточно уменьшить напряжение на 20 мВ. С учетом электропроводности и структуры нервных тканей этому состоянию соответствуют усредненные напряженности электрического поля в организме человека 40 В/м и плотность тока 4 А/м. Если внутри тела человека искусственно создать указанные поле или плотность тока, то будут нарушены естественные процессы функционирования органов, например, наступит паралич нервных тканей или нарушится ритм сокращений сердечной мышцы. Таким образом, указанные значения напряженности поля или плотности тока являются, безусловно, опасными. Согласно многочисленным исследованиям воздействия полей на человека неопасной считается плотность тока в организме – 10 мА/м², что соответствует при частоте 50 Гц напряженности внешних полей 20 кВ/м и 4 кА/м. При больших плотностях наблюдаются такие последствия, как обратимые изменения скорости синтеза протеинов и ДНК, нарушения ионного равновесия, концентрации промежуточных продуктов обмена и активных веществ в клетках, изменения процессов деления клеток и т.п. При плотностях тока 100–1000 мА/м² могут происходить сильные возбуждения клеток и тканей, центральной нервной системы, возникают болевые ощущения, а при больших плотностях тока возможны аритмия и фибрилляция сердца. Интересно отметить, что напряженность полей, кратковременно создаваемых приборами электротерапии в организме человека, как правило, выше границы восприимчивости (ощущения человеком наличия поля), а при работе дефибриллятора в сердечной мышце создается импульсное поле напряженностью ~600 В/м, что соответствует плотности тока 60 А/м². Таким образом, следует четко различать возможные негативные или позитивные последствия электрических и магнитных полей в зависимости от их напряженности и экспозиции.

В настоящее время остается открытым вопрос о возможном влиянии на здоровье человека слабых полей (с гораздо меньшими напряженностями, чем указанные ранее), вплоть до сверхслабых магнитных полей частотой 50 Гц напряженностью примерно 10^-1 А/м, соизмеримой с напряженностью низкочастотного геомагнитного поля Земли. Для выявления механизмов влияния и установления фактов влияния ставятся разнообразные медико-биологические эксперименты, проводятся эпидемиологические исследования с целью установления корреляции частоты тех или иных заболеваний людей, длительно подвергающихся воздействию полей промышленной частоты. Главным недостатком практически всех высказываемых гипотез о возможном влиянии слабых полей на биологические объекты является отсутствие прямых доказательств физических основ того или иного механизма влияния из-за низкого энергетического уровня, взаимодействующего с клетками организма поля. Поэтому при рассмотрении механизмов влияния обращается внимание либо на кумулятивный эффект при длительном воздействии поля, локальное увеличение напряженности поля, либо на усиление воздействия за счет различного рода резонансных эффектов.

Индивидуальная восприимчивость полей, ощущение некоторыми индивидуумами слабых высокочастотных полей в определенном диапазоне частот и т.д., вероятно, объясняется структурными особенностями тканей каждого человека, поскольку живая ткань представляет собой очень сложную и разнообразную структуру. Основу этой структуры составляет вода. Известно, что даже чистая вода может иметь до нескольких сотен структурных разновидностей, отличающихся друг от друга компоновкой и связями друг с другом молекул. Также известно, что биологические свойства воды зависят от предыстории, где и как долго находилась вода, подвергалась ли она магнитной обработке и т.д. Ситуация намного усложняется при наличии примесей, растворенных веществ, при нахождении воды в капиллярах, образовании жидкокристаллических структур и т.д. Однако различные состояния молекулярных структур энергетически отличаются друг от друга незначительно, поэтому даже при слабом внешнем воздействии возможны изменения структуры. Причем эти воздействия могут обладать избирательными свойствами: определенные изменения могут происходить при конкретной ориентации структуры относительно силовых линий поля и при определенном значении напряженности. При большей или меньшей напряженности эффект может отсутствовать или носить другой характер.

Многие исследователи указывают на то, что обменные процессы и размножение клеток различных органов человека ускоряются при наличии низкочастотного магнитного поля, и этот эффект воспроизводим при напряженности порядка нескольких кА/м и часто невоспроизводим в слабых полях. Эти ускорения относительно невелики, и возможной причиной их возникновения могут быть и иные факторы, например, слабые (доли градуса) изменения температуры. Несмотря на это, сокращение жизненного цикла клеток в магнитном поле может быть причиной ракового перерождения клеток, так как остается меньше времени для реализации компенсационных механизмов. Однако нельзя не считаться и с тем, что ускоренное размножение здоровых клеток скажется благоприятно на организме в целом.

Одним из возможных механизмов влияния полей на человека является воздействие поля на выработку жизненно важного гормона – мелатолина. Он вырабатывается в темное время суток и является веществом, подавляющим развитие раковых клеток. На клеточном уровне показано, что добавка мелатолина в физиологический раствор существенно замедляет размножение раковых клеток молочной железы. При наложении магнитного поля частотой 60 Гц напряженностью всего около 1 А/м этот эффект исчезает. Таким образом, механизм влияния магнитных полей на организм человека, и в частности, повышения риска раковых заболеваний, связывают с двумя обстоятельствами: замедлением выработки мелатолина во время сна и утратой свойств подавления размножения раковых клеток при наличии магнитного поля.

Первое обстоятельство проверялось экспериментально. Содержание мелатолина в крови специалистов, подвергающихся на рабочих местах воздействию как слабых, так и сильных магнитных полей промышленной частоты, заметно не отличается от содержания в крови контрольных групп. В крови людей, находившихся в магнитном поле напряженностью около 1600 А/м в течение двух ночей, не обнаружено снижения концентрации мелатолина, и даже напротив, наблюдается тенденция увеличения, таким образом, гипотеза о замедлении выработки мелатолина у человека, находящегося в магнитном поле, не подтверждается.

Второе обстоятельство – ослабление тормозящего действия мелатолина на развитие раковых клеток в организме человека при наличии магнитного поля – прямыми экспериментами проверить невозможно, а делать фундаментальные выводы о влиянии полей на здоровье человека на основе экспериментов с живыми клетками вне организма и даже с подопытными животными не представляется обоснованным.