Взаимодействие полей и излучений с биологическими объектами

Общие аспекты влияния электромагнитных полей на биологические объекты

Известный принцип Лс-Шатсльс утверждает, что «если на любую систему, находящуюся в стационарном режиме, воздействует внешнее возмущение, то в ней произойдут изменения, которые уменьшат результат его действия». Очевидно, что это уменьшение произойдет за счет использования внутреннего ресурса системы (для каждой системы он индивидуален), который также уменьшится. Если принять во внимание, что каждая система имеет ограниченный ресурс, то можно сделать вывод о том, что любое воздействие, уменьшая ресурс, уменьшает возможности системы «сопротивляться» воздействиям. А значительное воздействие (или одновременное воздействие многих факторов) может привести к исчерпанию ресурса и гибели системы

[13].

В биологии считается справедливым закон Арндта-Шульца, согласно которому в биологической системе слабые воздействия дают сильные ответные реакции, средние - умеренные реакции, умеренно-сильные слегка тормозят систему, а очень сильные полностью остановят ее. Ориентируясь на этот закон, выбирают уровень воздействия на биологическую систему или ее компоненты.

Указанные представления в полной мере относятся и к проблеме воздействия физических полей и излучений на биологические объекты и их компоненты. При этом мобилизация ресурсов живого организма, направленная на его адаптацию к воздействию, сопровождается сложными биофизическими и биохимическими процессами [14].

Живые ткани отличаются совокупностью свойств как восприятия электромагнитных полей и излучений с последующим преобразованием, так и самостоятельной генерации электромагнитных сигналов (см. 2.5.1).

Высокоорганизованный живой организм получает информацию об окружающем мире и собственном внутреннем состоянии благодаря специальным структурам нервной системы, которые предназначены для восприятия определенных воздействий или раздражений. Аппаратом, непосредственно воспринимающим любые раздражения или изменения внешней и внутренней среды, являются рецепторы. В ответ на раздражение рецепторов в них возникают сигналы, поступающие по нервным волокнам в мозг. Эти сигналы представляют собой отдельные импульсы или группы импульсов, одинаковые по амплитуде и длительности, но различные по частоте и числу импульсов. Это обеспечивает передачу в мозг разнообразной информации и возникновение соответствующих ощущений: температуры, света, звука, запаха, давления, боли и т.д.

Общее свойство почти всех рецепторов - адаптация, то есть приспособление к силе раздражителя. Она проявляется в данном случае снижением чувствительности к постоянно действующему раздражителю, а субъективно - привыканием к действию постоянного раздражителя: запаха, шума, света и т.д. Это является одной из иллюстраций проявления всеобщего принципа Ле-Шателье.

Поскольку нашей задачей является анализ влияния электромагнитных полей и излучений на живые организмы прежде всего с целью применения указанных воздействий в диагностике и терапии, система органов чувств (сенсорная система) в дальнейшем рассматриваться не будет.

Спектр частот включает в себя радиоволны, видимый свет, рентгеновские и другие электромагнитные колебания. В табл. 2.1. приведены характеристики электромагнитного спектра [14].

Напомним, что к оптическому принято относить диапазон от 3-103 до 1,67-106 ГГц; к инфракрасному - 3-103-3,9-104 ГГц; видимый свет - 4-104- 7,5-105 ГГц; ультрафиолетовый - 7,5-10М,6-106 ГГц. В длинах волн это соответствует: инфракрасный - 0,77-100 мкм; видимый свет - 0,4-0,76 мкм;

ультрафиолетовый - 0,18-0,4 мкм. Человечество давно и эффективно использует электромагнитные поля для практических целей (рис. 2.1).

Таблица 2.1

Спектр электромагнитных колебаний от инфранизких до сверхвысоких частот

Диапазон частот

Диапазон волн

Частота колебаний

Длина волны

Низкие частоты (НЧ)

Инфранизкис

Низкие

Промышленные

Звуковые

0.003-0,3 Гц 0,3-3,0 Гц 3,0-300 Гц 300 Гц-30 кГц

10s-106km 106-10s км 1053 км 103-10 км

Высокие частоты (ВЧ)

Длинные

Средние

Короткие

30-300 кГц 300 кГц-3 МГц 3-30 МГц

10-1 км 1 км-100 м 100-Юм

Ультравысокие частоты (УВЧ)

Ультракороткие

30-300 МГц

10-1 м

Сверхвысокие частоты (СВЧ)

Дециметровые

Сантиметровые

300 МГц-3 ГГЦ 3-30 ГГц

100-10 см 10-1 см

Крайне высокие частоты (КВЧ)

Миллиметровые

30-300 ГГц

10-1 мм

Электромагнитное поле вокруг любого источника излучения волн условно разделяют на 3 зоны: ближнюю (зону индукции); промежуточную (зону интерференции); дальнюю (волновую зону или зону излучения). Если геометрические размеры источники излучения меньше длины волны излучения (точечный источник), границы зоны определяются следующими расстояниями

[19J:

R < - ближняя зона (зона индукции);

< R < 2пХ - промежуточная зона (зона интерференции);

R < 2пХ - дальняя зона (зона излучения).

Здесь R - максимальные габариты объекта или наибольшее расстояние от источника поля; А. - длина волны. При известной длине волны X (м) соответствующая ей частота f (Гц) определяется по формуле / = 3 • К)5 /X.

Раздельное действие электрического и магнитного полей - поля конденсатора и ноля катушки индуктивности - наблюдается при сравнительно медленном их изменении в ближней зоне (зоне индукции). В ближней зоне электромагнитная волна на сформирована, излучение не происходит, и поле быстро убывает по мерс удаления от источника.

При определенных условиях электрическая и магнитная составляющая становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно.

Поле индукции преобладает при наличии в рабочем помещении источников излучения: длинных (X. = 1 км - 100 м), коротких (X = 100-10 м) и ультракоротких (X. = 10-1 м) волн. При генерировании СВЧ преобладают промежуточная зона и поле излучения. Условные расстояния распространения от излучателя поля индукции: для длинных волн 160 - 1500 м; для средних - 16 см - 1,6 м; для коротких - 1,6-16 м; для метровых (УВЧ) - 16 см - 1,6 м; дециметровых - 1,6-16 см; для сантиметровых - 0.16-1,6 см.

История исследования влияния физических полей и излучений на живые организмы, а также практического применения в диагностике и терапии насчитывает не одно десятилетие. Результаты исследований подтверждают, что живые организмы в той или иной мере воспринимают практически весь спектр электромагнитных волн. Последствия такого воздействия на живую среду (в отличие от неживой среды с неизменными параметрами) в значительной степени определяются его активностью, нелинейностью, зависимостью от состояния и фазы развития организма - результата непрерывно происходящего обмена веществ, превращения энергии, цикличности развития и деления клеток, а также особенностей взаимодействия с внешним миром [16].

На живые организмы постоянно оказывают влияние как естественные (природные), так и искусственные электромагнитные поля.

Шкала электромагнитных волн [15]

Рис. 2.1. Шкала электромагнитных волн [15]

Периодичность и диапазоны геофизических флуктуаций в значительной степени связаны с динамикой солнечной активности. С ее повышением сопряжены увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения, усиление ионизации атмосферы, увеличение напряженности МП Земли и активизация атмосфериков. Атмосфериками называются радиоволны, излучаемые естественными атмосферными разрядами, в частности молниями.

Повышение активности атмосфериков, сопутствующее приближению грозового фронта, влияет на поведение наземных насекомых. Многие одиночно живущие насекомые укрываются перед грозой под кроной деревьев и кустарников, заползают под навесы скал и в другие укрытия, экранирующие от ЭМП атмосфериков. Социальные насекомые реагируют на приближение грозы возвращением в свои гнезда. Муравьи перед грозой обычно закрывают ходы в муравейник, а пчелы и осы прекращают полеты за кормом. Такое их поведение нс стимулируют другие метеорологические факторы, которые обычно сопутствуют или предшествуют грозе. В частности, на летную активность пчел не влияет изменение атмосферного давления, а также повышение или понижение влажности воздуха. Только приближение грозового фронта стимулирует пчел и ос укрываться в своих гнездах [14]. В табл. 2.2 приведены результаты, иллюстрирующие чувствительность живых организмов к интенсивности природных электромагнитных полей.

С суточными вариациями МП Земли совпадают изменения диастолического давления и содержания лейкоцитов в крови человека.

Экранирование ГМПЗ порождает нарушения функционирования сенсорных систем человека. Например, после длительного пребывания на подводной лодке у членов экипажа обнаруживается нарушение суточной периодичности различных функций, уменьшение общего количества лейкоцитов, угнетение пищеварительного и миогенного лейкоцитоза.

Источники ЭМП искусственного происхождения существенно отличаются по своим характеристикам в зависимости от целей и условий применения. Искусственные источники ЭМП могут производить общее воздействие на объект, либо локализовать его в ограниченном объеме, поддерживать требуемый режим мощности излучения и управлять временем воздействия.

Основными источниками электрических полей промышленной частоты являются высоковольтные линии электропередачи, открытые распределительные устройства, электробытовая техника, аппаратура и различные приборы.

Источниками электромагнитного поля высоких и сверхвысоких частот, превышающими по мощности излучения естественный электромагнитный фон окружающей среды, являются: наземные радиолокационные станции (радарные установки), телевизионные и радиостанции, электробытовая аппаратура (микроволновые печи, экраны телевизоров, видеотерминалы персональных компьютеров) и др. [14].

Биотехнические аппараты и системы, применяемые для диагностики и лечения заболеваний, также создают электроакустические и электромагнитные поля необходимой частоты и мощности излучения.

Примеры использования электромагнитного излучения для решения диагностических или терапевтических проблем можно найти в любой области электромагнитного спектра от инфранизких частот до ионизирующего излучения. Широкое применение получили также постоянные электрическое и магнитное поля.

Теоретические и экспериментальные оценки чувствительности организмов к электромагнитным полям и интенсивности естественных полей биосферы [16]

Частотный

диапазон

поля

Оценка минимальной напряженности ноля для био-логичсских эффектов*

Экспериментальные данные

Вид

организма

Характер

биологического

эффекта

Частота в опыте, Гц

Напряженность ноля в опыте, В/м

Источники

нолей

Средняя напряженность поля, В/м

Максимальная напряженность поля (возмущенного), В/м

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Высокие

частоты

ЮМО4 В/м (для частот 107-10* Гц)

Кролик

Человек

Измерение условно-рефлекторной деятельности Сосудистый условный рефлекс

(0.6-1,2)-107 7,3-105

  • 4-10
  • (2-3)-104

Атмосферики

11оля атмосферных разрядов, проникающие в водную среду (глубина 3 м)

104 103

“йр- 10 1

Низкие

частоты

10 '-105 В/м (для частот 104-102 Гц)

Рыба

Рыба

Клетки

млекопи

тающих

Пищевой условный рефлекс

Оборонительный условный рефлекс Замедление размножения

  • 103-104
  • 500-50
  • 1000-100

10“'-Ю4 10^-10'3 1-2

Атмосферики

10 --10'3

0,1-1

Инфранизкие

частоты

105-10ft В/м (для частот 10-0,1 Гц)

Человек

Кролик,

собака

Кролик,

собака

Укорочение циркадного ритма физиологических процессов

Замедление ритма сердца, снижение вольтажа ЭКГ Изменение электрической активности коры головного мозга

  • 10
  • 8
  • 2
  • 2,5
  • 0,5
  • 0.4

Короткопериодные колебания геомагнитного поля и резонансные колебания полости «ионосфера - поверхность Земли»

  • (3-6)-10'3
  • (2-3)-10° 10'7

(З-б)Ю-1 (2-3)-10'1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Бактерии (стафилококки и др.)

Ускорение размножения и морфологические изменения

0,1-1

Постоянное

электрическое

поле

106 В/м

Рыбы 11тицы

Локация по изменению градиента поля

Повышение

двигательной

активности

-

10" 0,6-103

Разность

потенциалов

электрического

поля в океанах

Горизонтальная

составляющая

геомагнитного

поля

2-10-6

3-10'5

Постоянное

магнитное

поле

106 В/м

Рыбы

Улитки

Ориентация по магнитному полю (без

геомагнитного) Изменение ориентации относительно стран света

-

0,1 но3 о,ыо3

0,3-103

0,3

*) Теоретические оценки для ЭМ полей по тепловому эффекту, а для постоянных и медленно меняющихся полей - по эффекту ориентации белковых молекул.

Глубина проникновения электромагнитного излучения в тело человека (расстояние, на котором амплитуда волны уменьшается в е раз) уменьшается с ростом частоты. В дециметровом диапазоне она составляет более десяти см, в сантиметровом - единицы см, в миллиметровом - порядка 1 мм. В более высокочастотной области спектра тенденция обратная: в инфракрасном и диапазоне видимого света она составляет от долей до нескольких десятков мм (с аномально высоким проникновением в области X = 950 нм - до 70 мм) и далее продолжает расти с увеличением частоты (диапазон рентгеновского и у- излучения). Поскольку диаметр живых клеток составляет в среднем 5 мкм, в ультрафиолетовом и видимом световом диапазонах размеры ее больше длины электромагнитной волны в свободном пространстве [16].

Вышеуказанное учитывается при разработке диагностических и терапевтических методов воздействия на живые организмы.

Современные представления о воздействии электромагнитных волн на живые организмы включают два основных понятия: энергетическое и информационное.

Эффективность воздействия, называемого энергетическим, определяется количеством энергии, выделяющимся в области воздействия, а имеющий место биологический эффект прямо зависит от уровня падающей мощности. Энергетическое воздействие часто используют для лечения заболеваний.

При информационном воздействии биоэффект не зависит от мощности облучения, т.е. зависимость носит пороговый характер, где нижний уровень определяется порогом чувствительности системы, а верхний - появлением побочных, в частности энергетических эффектов. Информационное

воздействие на живые организмы преследует, как правило, диагностические цели.

С лечебной целью применяют различные виды физических полей, передающих энергию пациенту. При этом на организм человека воздействуют механическим ультразвуковым, электромагнитным, преимущественно электрическим или магнитным полем, постоянным или переменным током различной частоты и напряжения в непрерывном или импульсном режиме. В табл. 2.3 представлена классификация методов электромагнитной терапии в соответствии с видом воздействующей энергии, режимом и другими особенностями воздействия. Отметим, что классификация не является полной, поскольку в ней, например, отсутствуют ультразвуковая (см. 2.2.) и КВЧ- терапия (см. 2.5.1.).

Рассмотрим далее эффекты, сопровождающие действие физических полей и излучений на живые организмы, а также их применение в целях диагностики и терапии.

Таблица 2.3

Классификация методов электро- и магнитотерапии [17]

Вид

энергии

Режим

действия

Характеристика

Наименование

метода

Постоянный

электрический

ток

Непрерывный

Низкое напряжение (30-80 В) и малый постоянный ток (до 50 мА)

Гальванизация

Лекарственный

электрофорез

Импульсный

Низкое напряжение (до 50 В), малый импульсный ток (до 2- 3 мА) низкой или звуковой частоты (1 -130 Гц); прямоугольный, экспоненциальный; однонаправленный синусоидальный модулированный ток (СМТ)

Электросон, электросонфорез,

электроанальгезия

Электростимуляция

Диадинамотерапия

Диадинамофорез

Элсктропунктура

Постоянное

электрическое

поле

Непрерывный

Высокое напряжение (30-40 кВ)

Франклинизация

Аэроионотерапия

Аэроионофорсз

Переменный

электрический

ток

11епрерывный и импульсный

Низкое напряжение (до 50 В), малый ток (30-80 мА) звуковой частоты (10-150 Гц)

Интерференцтерапия Амплипульстсрапия (СМТ) Амплипульсфорсз Флуктуация Флуктуофорез

Непрерывный

Высокое напряжение (3-5 кВ), высокая частота (22 кГц)

Ультратонотсрапия

Высокое напряжение (до 10 кВ), высокая частота (0,5-2 МГц)

Диатермия

Диатермохирургия

Импульсный

Высокое напряжение (10-100 кВ), малый ток (до 10-15 мА), высокая частота (110 кГц)

Дарсонвализация местная

Электромагнит ное поле

Импульсный

Индукционное поле высокой частоты (110 кГц)

Дарсонвализация

общая

Непрерывный

Индукционное поле высокой (13,56 МГц) или улыравысокой (40.68 МГц) частоты

Иидуктотсрмия Г альваноиндуктотермия Электрофорез- ипдуктотермия УВЧ-индуктотермия

Непрерывный,

импульсный

Преимущественно электрическое поле ультравысокой частоты (39 или 40,68 МГц)

УВЧ-терапия

Импульсная

УВЧ-терапия

Непрерывный

Сверхвысокой частоты: 460 МГц

2375 МГц

Дециметроволновая

терапия

Сантиметроволновая терапия

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >