3. СХЕМА И МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭМП НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

 

3.1. СХЕМА ВОЗДЕЙСТВИЯ

Воздействие ЭМП на тело человека начинается, как и описанное в предыдущей главе воздействие на физические среды, с его воздействия на уровне частиц - заряженных, дипольных, магнитных или нейтральных. Так же, как и в общем случае, это воздействие вызывает перемещение, поляризацию и/или изменение ориентации частиц, что влечет за собой появление в теле человека внутренних токов, заряженных областей и выделение тепла (см. рис.2.4).

Воздействие ЭМП на частицы обычно называют воздействием на молекулярном или макромолекулярном уровне, поскольку большинство частиц, воспринимающих воздействие ЭМП, относятся к молекулам или макромолекулам и их ионам. Изменения на этом уровне влекут за собой изменения на более высоких уровнях - на уровне клеток, тканей, органов, систем и организма в целом, распространяясь различными путями от уровня к уровню и трансформируясь при этом из одной формы в другую.

схема воздействия ЭМП на организм человека

Рис.3.1. Схема воздействия ЭМП на организм человека

 

Например, вызванное низкочастотным ЭМП движение заряженных частиц в крови может индуцировать электрический ток в кровеносной системе, который далее, замыкаясь по цепи, может воздействовать на сердце, что может вызывать нарушения сердечного ритма с последующим негативным воздействием на организм в целом, в т.ч. при недопустимо высокой плотности тока парализовать работу сердечной мышцы, что чревато летальным исходом. Выделение тепла в мышечных тканях под воздействием ЭМП может приводить к росту температуры отдельных органов человека и нарушению их функционирования с последствиями для других органов и тканей, а также к росту температуры организма в целом. Конкретные схемы передачи и трансформации воздействий будут рассотрены в соответсвующих специальных главах.

 

3.2. МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Механизмы воздействия ЭМП на человека делят на три основные группы - механизмы теплового воздействия, механизмы нетеплового воздействия и механизмы воздействия слабых полей.

группы механизмов воздействия ЭМП на организм человека

Рис.3.2. Группы механизмов воздействия ЭМП на организм человека

 

Механизмы теплового воздействия связаны с выделением в тканях тепловой энергии и с повышением, в конечном итоге, температуры данных тканей, органов или организма в целом.

Механизмы нетеплового воздействия связаны с иными, чем выделение тепловой энергии, эффектами, в т.ч. с прямым воздействием индуцированных токов и потенциалов на биохимические и биоэлектрические процессы в клетках, тканях и органах, а также с изменением конфигурации молекулярных и макромолекулярных структур.

Механизмы воздействия слабых ЭМП связаны с воздействием ЭМП, уровень которых недостаточен, чтобы вызывать критические тепловые или нетепловые эффекты, но при определенных параметрах достаточен для того, чтобы вызывать с ненулевой вероятностью отдаленные последствия. Данные механизмы пока являются гипотетическими. К этой группе могли бы быть отнесены механизмы длительного воздействия излучения мобильных телефонов, а также бытовых электроприборов и электросетей, если бы их негативное влияние было бы подтверждено достоверными статистическими наблюдениями.

Надо отметить, что с середины прошлого века дискутируется вопрос о существовании механизмов информационного воздействия полей, которые способны распознаваться на уровне целостного организма или его системы как некие сигналы окружающей среды и вызывать адаптивные реакции с отдаленным куммулятивным эффектом. Однако сведений об открытии воздействий такого типа в настоящее время нет и в настояшем обзоре они не рассматриваются.

Далее рассмотрим указанные механизмы более подробно.

 

3.3. МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

На низких частотах (до 100 Гц), выделение тепла происходит, преимущественно, за счет протекания наведенных ионных токов в межклеточной токопроводящей среде, в т.ч. в крови, лимфе и тканевой жидкости. Внутриклеточные токи при этом малы за счет низкой проводимости клеточных мембран. С ростом частоты в интервале 100 - 1000 Гц начинают расти емкостные токи через клеточные мембраны и, соответственно, растет проводимость тканей (см. рис. 3.3), в результате чего растет плотность наведенных токов и количество выделяемой в тканях тепловой энергии. Кроме того, при этом падает диэлектрическая проницаемость тканей и, несмотря на рост частоты, диэлектрические потери остаются на низком уровне. Однако, начиная с частоты порядка 100 мГц до частот 6-10 Ггц электрическая проводимость и диалектрическая проницаемость тканей имеют стабильные значенния и с ростом частоты в этом интервале диэлектрические потери растут и становятся доминирующими.

зависимости параметров, определяющих тепловой эффект, от частоты и типа тканей

Рис.3.3. Зависимости параметров, определяющих тепловой эффект, от частоты и типа тканей

На левом рисунке σм, σж - электрическая проводимость мышечной и жировой тканей соответственно, ε'м, ε'ж - относительная диэлектрическая проницаемость этих же тканей. На правом рисунке ε - относительная диэлектрическая проницаемость (источник иллюстраций [1]).

 

Показателем теплового воздействия ЭМП является повышение температуры тканей. Оно зависит от соотношения проводимости и диэлектрической проницаемости тканей, частоты электромагнитного излучения и плотности потока его энергии. Эти параметры определяют величину мощности электромагнитного излучения, которая абсорбируется (поглощается) единицей объема ткани и далее преобразуется в тепло. Значимую величину абсорбция приобретает только с частот порядка 100 кГц, при этом весь вышележащий частотный диапазон по ее показателям условно делится на 4 поддиапазона:

100 кГц - 20 МГц. В этом поддиапазоне абсорбция быстро падает с уменьшением частоты и имеет значимую величину преимущественно в области туловища и ног, где токопроводящие цепи имеют наибольшую длину и суммарное сопротивление, вследствие чего индуцированные токи имеют наибольшую величину и вызывают наибольшие потери на омическом сопротивлении тканей.

20 мГц - 300 МГц. В этом диапазоне значимая величина абсорбции наблюдается во всем теле, что связано с доминированием диэлектрических потерь и глубоким проникновением электромагнитного поля. При этом в отдельных частях тела, например, в голове, возможен рост абсорбции за счет локальных электромагнитных резонансов.

300 мГц - 10 ГГц. В этом диапазоне абсорбция во внутренних органах и тканях зависит от степени поглощения электромагнитной энергии поверхностными тканями, а также от резонансов, поэтому носит в значительной степени неравномерный характер.

Более 10 Ггц. В этом диапазоне абсорбция почти полностью сосредоточена в тканях поверхности тела, в первую очередь в коже, и в меньшей степни в слое подкожного жира.

Основными молекулярными структурами тканей человека, преобразующими энергию ЭМП в тепловую энергию на частотах выше 20 мГц, являются дипольные белковые молекулы и дипольные молекулы воды. Соответственно, наиболее высокой абсорбцией обладают ткани с высоким содержанием воды и белков - кровь, лимфа, мышцы, кожа, глазные яблоки, головной мозг, а наиболее низкой - ткани, содержащие мало воды и белков, а именно жировая, хрящевая и костная ткани.

Величина абсорбции энергии ЭМП в единице объема ткани растет с ростом частоты, поскольку пропорционально частоте растет число поворотов дипольных молекул в единицу времени. Поэтому с ростом частоты электромагнитного излучения уеличивается доля его энергии, поглощаемой в приповерхностном слое ткани и, соответственно, уменьшается глубина его проникновения в ткань. Именно этим обусловлено смещение границ теплового эффекта к поверхности тела на сверхвысоких частотах.

Таблица 1

Зависимость глубины проникновения (см) электромагнитного излучения от частоты (источник данных [1])

 

тканьсодержание
поляр. молекул
частота, МГц
10020040010003000100002400035000
глазное яблоковысокое2.171.691.411.230.540.200.050.03
кровьвысокое2.862.151.791.400.780.150.060.03
мышечная тканьвысокое3.452.321.841.46нд0.314нднд
головной мозгвысокое3.564.132.071.930.480.170.080.04
кожавысокое3.772.782.181.640.650.190.07нд
хрусталик глазанизкое9.424.394.232.920.500.170.070.04
жировая тканьочень низкое20.512.58.526.422.451.100.34нд
костная тканьочень низкое22.920.718.711.99.92нднднд

 

* нд - нет данных

 

Кроме того, на глубину проникновения излучения и величину его абсорбции влияет также коэффициент его отражения на границе раздела тканей, который падает с ростом частоты.

Таблица 2

Зависимость коэффициента отражения на границе раздела тканей от частоты (источник данных [1])

 

граница раздела тканейчастота, МГц
10020040010003000100002400035000
воздух-кожа0.7580.6840.6230.5700.5590.5300.470нд
кожа-жировая ткань0.3400.227нд0.2310.1900.2300.220нд
жировая ткань-мышечная ткань0.3550.3520.3000.261нднднднд

 

* нд - нет данных

 

Наличие эффекта отражения на границе раздела тканей сильно усложняет общую картину абсорбции энергии в организме и приводит к необходимости использования для ее расчетов достаточно сложного и громоздкого математического аппарата.

Оценка конечного показателя теплового эффекта от воздействия ЭМП - температуры нагрева тканей и органов также является достаточно сложной и многофакторной задачей, поскольку требует оценки не только абсорбции энергии, но и ее передачи другим тканям и органам за счет теплопереноса, а также учета действия механизма терморегуляции в организме.

Более подробно о механизме теплового воздействия ЭМП применительно к воздействию конкретных источников, а также к воздействию на конкретные ткани, органы и системы организма см. в соответствующих специальных тематических главах настоящего обзора.

 

3.4. МЕХАНИЗМЫ НЕТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

В настоящее время единственным признанным механизмом нетеплового воздействия ЭМП на человека, вызывающим негативные для организма реакции и последствия, считается механизм индуцирования в тканях и органах электрических напряжений и токов. Как уже было сказано выше, наведенные в низкочастотном диапазоне токи вызывают нагрев тканей и поэтому данный механизм относят и к механизмам теплового воздействия. Нетепловое же воздействие данного механизма заключается в воздействии наведенных потенциалов и токов на клетки нервной системы и мышечных тканей. Так, при уровне наведенного в тканях электрического поля с напряженностью от нескольких десятых до единиц В/м возможна стимуляция нервных окончаний, что может вызывать неприятные ощущения, вплоть до болевых, а также фантомные чувственные образы. Например, наведенное в обюласти сетчатке глаза электрическое поле с напряженностью порядка 100 мВ/м и частотй порядка 20 Гц может вызывать ложные зрительные световые вспышки - фосфены. При воздействии наведенного электрического поля порядка 10-100 мВ/м на синаптические связи могут возникать искажения передаваемых через них нервных импульсов, что может повлечь за собой нарушение функционирования центральной и периферийной нервных систем, в т.ч. вызывать сбои в работе органов чувств, мышечной моторике и пр.

Фактически, это именно тот механизм, который наблюдался в описанных в главе 1 первых опытах конца 19 века по изучению воздействия ЭМП на биологические ткани. Кроме прямого воздействия на нервную систему индуцированные ЭМП напряжения и токи при больших значениях могут оказывать прямое воздействие на клетки мышечных тканей, нарушая их нормальное функционирование вплоть до полной потери жизнеспособности. Данный эффект фактически является ударом внутреннего электрического тока.

Более подробно о данном механизме воздействия ЭМП применительно к воздействию конкретных источников, а также к воздействию на конкретные ткани, органы и системы организма см. в соответствующих специальных тематических главах настоящего обзора.

нетепловые эффекты воздействия ЭМП на человека

Рис.3.4. Нетепловые эффекты воздействия ЭМП на человека

 

3.5. МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ СЛАБЫХ ПОЛЕЙ

Начиная с 50-х годов прошлого века было разработано достаточно много гипотетических моделей воздействия на живые организмы слабых электромагнитных полей. Однако часть из них была забракована на стадии теоретических оценок возможности существования при реальных параметраж объектов и электромагнмтных полей. В частности, по данному критерию были отправлены в корзину механизмы, основанные на силовом воздействии ЭМП на биологически значимые частицы, восприимчивые к электрическому или магнитному полям, механизмы, результатом которых мог бы быть разрыв внутримолекулярных связей, механизмы, основанные на различных резонансах заряженных частиц, движущихся в магнитном поле - циклотронном, ион-параметрическом, стохастическом, на ларморовской прецессии, а также на других явлениях квантовой механики.

В то же время, теоретически не запрещенные механизмы пока не нашли практического подтверждения. В первую очередь к данной категории относится механизм активации радикальных пар. В его основе - возможность образования под воздействием слабых ЭМП пар радикалов биологически значимых молекул с резким повышением их химической активности и активацией тем самым биологически значимых внутриклеточных химических реакций.

Кроме того, в качестве механизмов воздействия слабых полей могут рассматриваться все описанные выше механизмы теплового и нетеплового воздействия при их длительном, в т.ч. многолетнем, воздействии с уровнями, не превышающими нормы кратковременного воздействия. Предполагается, что в этом случае гипотетически возможен куммулятивный эффект накопления дозы облучения с появлением устойчивых биологических изменений в тканях и органах, в т.ч. за счет длительной аутоиммунной реакции организма. Такого рода механизмы рассматриваются как возможные при длительном систематическом воздействии на головной мозг излучения мобильных телефонов, а также при постоянном воздействии на организм, в первую очередь детский, низкочастотных ЭМП бытовых электросетей и приборов, в т.ч. в связи с детской лейкемией.

механизмы воздействия на человека слабых ЭМП

Рис.3.4. Механизмы воздействия на человека слабых ЭМП

 

3.6. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.С.Пресман. Электромагнитные поля и живая природа. М., Наука, 1968.
2. ICNIRP Guidelines For Limiting Exposure To Time-Varying Electric, Magnetic And Electromagnetic Fields (Up To 300 Ghz). 1998.
3. ICNIRP Guidelines For Limiting Exposure To Electromagnetic Fields (100 Khz To 300 Ghz). 2020.
4. Environmental Health Criteria 238. Extremely Low Frequency Fields. WHO 2007.

 

ВНИМАНИЕ!
Обзор в стадии публикации - следите за обновлениями!

* * * * *

 

 

Опубликовано 14.07.2021. Последнее изменение - нет.

© Janto 2021 Все права защищены