15.3. Биологическое действие электромагнитных полей
В состав биосферы входят ЭМП естественного и искусственного происхождения. В спектре естественных электромагнитных полей условно выделяют несколько компонентов земного, околоземного и космического происхождения – это постоянное магнитное поле Земли (геомагнитное поле), электрическое поле Земли и переменные электромагнитные поля в диапазоне частот от 103 до 1012 Гц. Источником переменных электромагнитных полей являются атмосферные явления (атмосферное электричество), а также радиоизлучение Земли, Солнца и галактик.
Поля искусственного происхождения излучаются техническими средствами, созданными человеком. Диапазон частот излучаемых ЭМП – промышленные частоты и весь радиочастотный диапазон. Интенсивность излучения зависит от мощности технических средств, параметров излучателей, удаленности точки наблюдения и т.д. Характерная особенность этого вида излучения – высокая когерентность, то есть частотная и фазовая стабильность, а также пространственная концентрация электромагнитной энергии. Кроме этого, выделяют радиофон, как суммарный эффект всех излучающих радиосредств Земного шара и прежде всего НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов, в которых наблюдается глобальное распространение радиоволн. В настоящее время ЭМП искусственного происхождения стали намного превышать естественный электромагнитный фон. Они превратились в опасный экологический фактор.
Возможность и механизмы биологического действия ЭМП не вызывает сомнений, поскольку биологические ткани состоят из веществ, несущих электрические заряды, и сами жизненные процессы сопровождаются различными электрическими процессами.
По образному выражению Ю. Холодова все живое постоянно находится в «шестом незримом океане волн» – это четыре водных океана, воздушный, а под шестым понимается океан электромагнитных полей. ЭМП существует как в пространстве, не содержащем вещества (вакууме), так и в пространстве, заполненном веществом, в том числе и биологическими тканями. Квантовая энергия ЭМП на радиочастотах слишком мала и не способна изменить молекулярную структуру или разрушить любые молекулярные связи. Максимальная квантовая энергия ЭМП на частоте 300 ГГц составляет 1,2 МэВ, в то время как для разрыва самой слабой водородной связи требуется 80 МэВ. В связи с этим ЭМП частотой 300 ГГц и ниже часто называют неионизирующим излучением. Даже высокоинтенсивное неионизирующее излучение не может вызывать ионизацию в биологической системе. Однако оно может вызывать другие биологические эффекты, например, за счет нагревания, изменения химических реакций и наведения электрических токов в тканях.
В обосновании Международной научной программы Всемирной организации здравоохранения по биологическому действию ЭМП (1996-2005гг.) сформулировано следующее положение: «Предполагается, что медицинские последствия такие, как заболевания раком, изменения в поведении, потеря памяти, болезни Паркинсона и Альцгеймера, СПИД, синдром внезапной смерти внешне здорового ребенка и многие другие состояния, включая повышение уровня самоубийств, являются результатом воздействия электромагнитных полей».
На рис. 15.5 приведена характерная зависимость показателей жизнедеятельности организмов от абиотического фактора, в качестве которого здесь выступают электромагнитные поля.
Рис. 15.5. ЭМП – абиотический фактор окружающей среды
Медико-биологическими исследованиями доказано, что живые организмы не могут нормально функционировать без естественных ЭМП. Доказано участие естественной радиации и естественных ЭМП в образовании из неорганических веществ аминокислот, составляющих белок. Эти поля сопутствовали зарождению и развитию жизни на Земле, а также участвовали в эволюции человека. В реальных условиях естественные ЭМП изменяются в течение суток и по сезонам, зависят от географических координат и от 11-ти летнего цикла активности Солнца и других факторов. Можно выделить диапазон изменения интенсивностей естественных ЭМП, который сформировался и существует многие миллионы лет. Этот диапазон интенсивностей естественных ЭМП является «привычным» для живых организмов, его называют зоной оптимальных условий.
Гипогеоэлектромагнитные условия, то есть условия, когда уменьшено или вовсе отсутствует электрическое и/или магнитное поле Земли, приводят к стрессовому состоянию организмов и, в конце концов, к его смерти (предел устойчивости 1).
Особенно опасны гипогеомагнитные условия, однако, их весьма сложно реализовать технически. Там, в частности, сказано, что обследование ряда специализированных экранированных сооружений позволило получить новые интересные данные, раскрывающие специфические особенности сформировавшейся в них непривычной для человека электромагнитной среды, и в первую очередь, снижение геомагнитного поля, естественных переменных ЭМП, нарушение их пространственной ориентации, исключение воздействия на организм человека естественного освещения, ультрафиолетовой радиации и др. Полученные данные о степени ослабления геомагнитных полей на других объектах и установках свидетельствуют о том, что гипогеомагнитные условия могут создаваться не только в специализированных экранированных сооружениях. Показано, что в подземных сооружениях метрополитена уровни естественных геомагнитных полей могут быть снижены в 2...5 раз, в жилых зданиях, выполненными из железобетонных конструкций – в 1,3...1,5 раза, на Останкинской телебашне в служебных помещениях – в 1,5...2,3 раза, а в кабинах скоростных лифтов – в 15...19 раз, в кабинах буровых установок и экскаваторов – в 1,8...8,5 раз, в салонах легковых автомобилей – в 1,5...3 раза и т. д. Человек попадает в гипогеомагнитные условия и при осуществлении космических полетов, в самолетах, в служебных помещениях и каютах речных и морских судов, на подводных лодках и других военно-технических средствах и объектах, в банковских хранилищах и т.д. Добавим, что работа на перечисленных объектах сопровождается гипогеоэлектрическими условиями, которые, характеризуются отсутствием естественного электрического поля Земли. Эти условия менее опасны, однако тоже могут привести к тяжелым последствиям.
В связи с этим, обратим особое внимание на существующую глубоко ошибочную точку зрения на возможность защиты населения от ЭМП искусственного происхождения экранированием жилых помещений и зданий. В рекомендациях по защите населения от ЭМП часто можно видеть предложения по установке на окна решеток и металлизированного стекла, оборудование высокочастотного заземления всего здания и т.д. Все это приводит не только к экранированию от ЭМП искусственного происхождения, но и создает худшую гипогеоэлектромагнитную обстановку со всеми вытекающими последствиями.
В государственных нормативных документах введено понятие ослабления интенсивности геомагнитного поля. Это ослабление на рабочих местах не должно быть более, чем в 2 раза по сравнению с его интенсивностью на открытом пространстве на прилегающей к исследуемому месту территории.
Чрезмерное насыщение окружающей среды электромагнитным загрязнением тоже может привести к стрессовому состоянию живых организмов. Превышение предела устойчивости по ЭМП со стороны больших интенсивностей (предел устойчивости 2 на рис.15.5) ведет к смерти организма. Длительное время под пределом (порогом) устойчивости в области больших интенсивностей понимали тепловой порог. Интервал интенсивностей ЭМП, включающий оптимальные условия и зоны усиливающегося стресса, называют диапазоном устойчивости, в котором еще возможно существование организмов.
ЭМП могут вызывать биологические эффекты, которые не всегда, приводят к неблагоприятному влиянию на здоровье. Биологический эффект имеет место, если под действием ЭМП в биологической системе происходят какие-либо заметные или выявляемые физиологические изменения. Неблагоприятное влияние на здоровье имеет место, если биологический эффект выходит за пределы нормы и не может быть компенсирован организмом, приводя, таким образом, к развитию пагубных для здоровья последствий. Некоторые биологические эффекты могут быть безобидными, как, например, реакция организма на усиление кожного кровотока при слабом нагревании под действием ЭМП. Некоторые эффекты могут быть положительными, например, чувство теплоты в холодных условиях, или даже приводить к благоприятным последствиям для здоровья, например, выработка в организме под действием солнечных лучей витамина Д. Однако выявлен ряд биологических эффектов, которые приводят к отрицательным последствиям для здоровья.
Когда электромагнитные волны проходят через одну среду к другой, они могут отражаться, преломляться, передаваться или поглощаться в зависимости от электрических параметров сред, частоты поля и угла падения. Поглощенная энергия может превращаться в другие виды энергии и стать причиной вмешательства в функционирование биологических систем. Большая часть энергии превращается в тепло. В среде, характеризующейся большим поглощением электромагнитной энергии (потерями), при значительных уровнях падающих электромагнитных волн возможны различные физико-химические процессы, вплоть до обугливания, плавления и испарения вещества. Если эта среда – живой организм, то ему грозят опасные последствия и даже гибель. Однако не все биологические эффекты, возникающие под действием ЭМП, могут быть объяснены с точки зрения поглощенной энергии.
Изменяющиеся во времени внешние электрические и магнитные поля наводят электрическое поле и соответствующие электрические токи в биологических системах, подверженных воздействию этих полей.
Интенсивность и пространственное распределение наведенных токов и полей, величины поляризации тканей зависят как от параметров воздействующего поля, так и от характеристик подверженных воздействию биологических систем. Электрические свойства биологических систем различаются для различных типов тканей и определяются комплексной диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью и тангенсом угла диэлектрических потерь (табл. 15.3).
Таблица 15.3