книги из ГПНТБ / Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека

Описанию биофизики этих взаимоотношений, по воз­ можности в обобщенном виде, и посвящена гл. 2. Сюда же включены и некоторые вопросы .методологии исследо­ вания биологического действия радиоволн. Она написана с целью общего ознакомления с вопросом, на наш взгляд, достаточно хорошо рассмотренным в специаль­ ной литературе *, на основании которой и написана глава.

2.1.БИОФИЗИКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ПОЛЯ СВЧ НА ОРГАНИЗМ

Воздействие мощных электромагнитных полей на человека приводит к определенным сдвигам в нервнопсихической и физиологической деятельности, однако, как предполагают, «многоступенчатая» система защиты организма от вредных сигналов, осуществляемая на всех уровнях — от молекулярных до системного, — в зна­ чительной степени снижает вредность действия «случай­ ных» для организма потоков информации. Поэтому, ви­ димо, если и наблюдается определенная реакция на эти поля и очень часто при уроівнях, значительно ниже тех, которые необходимы для возникновения энергетического взаимодействия**, то здесь можно говорить скорее о раз­ дражающем, чем о поражающем эффекте, т. е. скорее,

о физиологическом в общем смысле, чем о патологиче­ ском аспекте воздействия электромагнитной энергии.

Итак, несмотря-на то, что нетепловые, или специфи­ ческие, эффекты воздействия радиоволн открыты относи­ тельно давно, определяющим для нормирования опас­ ности (работы в условиях воздействия ЭМП во многих странах пока принята степень их теплового действия.

2.1.1.Биофизика теплового действия радиоволн СВЧ.

Для выяснения биофизики теплового действия радио­

* Наиболее полно библиография использованных в данной главе

и даже при 0,3 мкВт/см2 — изменения эпителиальных и промежуточ­ ных клеток животных (и это вместо предполагаемых на основе теп­ ловой теории: 200 В/м, 10 мВт/ом2 для ВЧ и СВЧ соответственно!). Для клетки чувствительности оценивается величиной энергии 10~ )9 Дж/клетку.

40

волн СВЧ на живые организмы рассмотрим кратко фак­ торы, определяющие нагрев тканей при облучении их ЭМП. Вот главные из «их

1. Существование потерь на токи проводимости и смещения в тканях организма приводит к образованию тепла при облучении. Количество тепла, выделяемое в единицу времени веществом со средним удельным со­ противлением рС (Ом-см) при воздействии на него раз­ дельно электрической и магнитной составляющих на ча­ стоте / (Гц), определяется следующими зависимостями:

Qh = 8,4- 10~16 • рСр/2Я2 [Дж/мин].

Доля потерь в общей величине поглощенной телом энер­ гии возрастает с частотой; в частности, потери на релак­ сацию молекул воды в тканях возрастает с 50% на ча­ стоте 1 ГГц до 98% на частоте 30 ГГц.

2. Наличие отражения на границе «воздух — ткань» приводит к уменьшению теплового эффекта на всех ча­ стотах приблизительно одинаково; с увеличением часто­ ты от 100 МГц до 24,5 ГГц наблюдается уменьшение ко­ эффициента отражения k0 на 20. ..30% (та'бл. 2.1.1).

Т а б л и ц а 2.1.1

С учетом k20 плотность мощности, поглощаемая те­

3. Глубина проникновения энергии СВЧ ів глубь тка­ ней (для затухания в е раз) зависит от резистивных и диэлектрических свойств ткани и от частоты (табл. 2.1.2).

Жировой слой играет роль «трансформатора импедансов» между воздушной средой и мышцами, уменьшая

41

Т а б л и ц а 2.1.2

Глубина проникновения энергии СВЧ в различные ткани

отражение и увеличивая поглощенную мощность в мы­ шечной ткани [23, 167].

4. Соизмеримость размеров тела с длиной волны при­ водит к появлению существенной частотной зависимости

с увеличением объекта поглощаемая им энергия возрас­ тает пропорционально 4-й степени его радиуса. Это

42

заставляет сделать вывод о чрезвычайно высокой зави­ симости эффекта облучения тела человека от поляриза­ ции и ракурса освещения его радиополем СВЧ в реаль­ ных условиях; впрочем причина влияния поляризации может «рыться просто в изменениях доли поглощаемой энергии.

5. Существование между различными слоями тела слоев с малой диэлектрической проницаемостью приво­ дит к возникновению резонансов—стоячих волн большой амплитуды. Образование таких областей облегчается значительным (в 3. ..10 раз, см. табл. 2.1.3) уменьшени-

ем длины волны в тканях по сравнению с длиной волны в свободном пространстве (частота, однако, остается не­ изменной!). При этом уже на расстоянии R ^ X TK/(l ...

... 2) я устанавливается волна с параметрами Етк и Нтк> определяемыми свойствами ткани вне зависимости от характера падающей волны. Уменьшение длины вол­ ны уменьшает и минимальные объемы, необходимые для установления стоячих волн, которые приводят, в частности, к так называемым микронагревам. При экс­ периментальных облучениях животных замечался как отрицательный, так и положительный градиент измене­ ния температуры от поверхности внутрь тела.

6. Перераспределение тепловой энергии между сосед­ ними тканями через кровь наряду с конвекционной отда­ чей энергии теплоиепусканием в окружающее простран­ ство во многом определяет температуру нагреваемых участков тела. Именно из-за ухудшенной системы отвода

43

V

тепла от некоторых сред (глаза и ткани семенников — в них очень мало кровеносных сосудов) эти органы тела наиболее уязвимы для облучения. Например, при облу­ чении глаз кролика энергией плотностью от 0,12 до 0,6 Вт/ом2 образовывается катаракта при времени облу­ чения, соответственно, от 270 до 5 мин (рис. 2.1.2). При этом температура внутри глаза поднимается на 4. ,.16°С (критическим для глаз считается повышение температу-

Плотность нощтсти,мВт/см2

Рис. 2.1.2. Значение пороговых величин плотно­ сти мощности при разных длительностях одно­ кратного облучения на частоте 2450 МГц для глаз кролика.

вании их всего на 1°С возникает частичная или полная временная стерилизация. Минимальное пороговое зна­ чение плотности мощности облучения для семенников (при длительном воздействии) составляет 5 мВт/ем2.

2.1.2. Специфическое действие радиоволн СВЧ. Не­ смотря на то, что предположение о специфическом дей­ ствии радиоволн было высказано еще в середине соро­ ковых годов, до 1952 г. экспериментально они обнаруже­ ны не были [194]. Обнаружить и исследовать прямыми методами специфическое действие радиоволн и в настоя­ щее время оказывается задачей довольно трудной, так как оно сводится к тончайшим изменениям в организме и проявляется, как правило, лишь косвенно. Эти изме­ нения сейчас принято объяснять несколькими причина­ ми. Одной из них считается наличие в биосредах «микропроцессов», связанных с так называемым явлением

44

«жемчужной цепочки» (выстраиванием суспендирован­ ных частиц -ряда веществ, в том числе лейкоцитов и эри­ троцитов, параллельно электрическим силовым линиям), «диэлектрическим насыщением» в растворах белков и других биологических макромолекул (которое приводит к разрыву внутри- и межмолекулярных связей), участи­ ем сил Лоренца, приводящих к перемещению в электро­ лите положительных и отрицательных ионов в направ­ лении, перпендикулярном направлению магнитных сило­ вых линий.

Наибольший интерес представляют явления, связан­ ные с резонансным поглощением ЭМП белковыми моле­ кулами, которое, в частности, объясняется существова­ нием в обычных средах множества конфигураций распре­ деления в молекуле протонов, мало отличающихся по величине свободной энергии. Из-за флуктуаций распре­ деления протонов могут происходить диполь-дипольные взаимодействия, стимулированные дополнительным квантом энергии в пределах верхнего диапазона СВЧ.

Открытие явления резонансного поглощения в био­ сферах имеет большое значение для понимания процес­ сов, протекающих в живых организмах при воздействии радиоизлучений. В частности, с явлением резонансного поглощения тесно связано мутагенное действие микро­ волн.

С усложнением биологического вещества неизменно усложняется процесс его взаимодействия с электромаг­ нитным полем. Например, при объяснении чувствитель­ ности нервных клеток к ЭМП считаются вероятными сле­ дующие механизмы действия:

—детектирование ЭМП в мембране нервной клетки;

—влияние ЭМП на подвижность ионов, в частности на способность проникать через мембрану нервной клетки;

—изменение калийного градиента внутриклеточной

среды;

—«упорядочивание» колебаний ионов под воздейст­ вием поля, приводящее к изменению характера и вели­ чины чувствительности рецепторов;

—влияние на собственные частоты предполагаемого электромагнитного обмена, особенно вероятного для ан­ самбля клеток и тем более всего организма.

С развитием и усложнением организма кроме про­ стейших физико-химических механизмов все большее и

45

большее влияние на организм в целом оказывают эф­ фекты, которые принято связывать с так называемыми! физиологическими и биофизическими механизмами дей­ ствия, включающими как неразрывное целое информа­ ционный аспект радиоволн. Эти и другие, еще болеесложные, процессы, сейчас, возможно, еще не до конца: ясные, определяют вторичные эффекты воздействия по­ ля, которые происходят, как правило, на дотепловых энергиях. Это — кумуляция, стимуляция, сенсибилизация, возникающие как следствие развитой способности слож­ ных систем накапливать тепловое и информационное воздействие.

Кумуляция приводит к тому, что при воздействии пре­ рывистого облучения суммарный эффект накапливается и зависит от величины эффекта с самого начала воздей­ ствия; при перерывах в воздействии увеличивается об­ щее время облучения, необходимое для появления дан­ ного эффекта.

Сенсибилизация заключается в повышении чувстви­ тельности организма после слабого радиооблучения к по­ следующим воздействиям (в опытах на СВЧ к значи­ тельно более мощным облучениям, вблизи летального порога).

Стимуляция — улучшение под влиянием поля общего состояния организма или чувствительности отдельных: его органов. Например, на притепловых энергиях наблю­ дается стимулирующее действие микроволн: улучшение, чувствительности глаз человека, адаптированных к тем­ ноте; на более высоких интенсивностях этот эффект неотмечается [176, 184]. Некоторые реакции целостного ор­ ганизма на СВЧ воздействия можно описать следующимобразом: чувствительность организма к воздействию' энергии СВЧ начинается при средних уровнях, порядка долей микроватт на квадратный сантиметр и до единиц милливат на квадратный сантиметр продолжается фаза угнетения; далее наступает фаза стимуляции, а на плот­ ностях более 10 мВт/см2 снова наступает фаза угнетения..

Относительно недавно обнаружено дезадаптирующее действие СВЧ излучений — снижение приспособляемости организма к другим видам воздействия, в частности к шуму, рентгеновским излучениям, тепловому воздейст­ вию [119а, 147а]. К специфическим эффектам воздействия радиоволн, связанным с волновой структурой поля, мож­ но отнести и влияние поляризации и ракурса освеще-

46

Ния. Из биофизических экспериментов известно, что из­ менение расположения тела по отношению к векторам поля может привести к резкому изменению эффективно­ сти воздействия радиоволн, в частности, к изменению числа летальных исходов среди животных. Известно так­ же, что изменение направления прихода волны облучаю­ щего поля также в значительной степени влияет на эф­ фективность воздействия. Наиболее опасным считается облучение по оси грудь—спина, наименьшее — с ног. Кроме изменения площади поперечного сечения, боль­ шую роль здесь играет соотношение размеров тела с длиной волны.

Наконец, как мы увидели выше, организм животного и человека небезразличен к локализации электромаг­ нитной энергии на определенных органах. Как уже отме­ чалось, наиболее чувствительными к облучению в на­ стоящее время считаются семенники и глаза. Характер­ но, что если рассматривать поле как непосредственно раздражающий фактор центральной нервной системы, то теоретически установленной границей такого воздей­ ствия считаются 1000.. .3 000 МГц. Это же подтвержда­ ется последними экспериментальными исследованиями [168, 169]. Чувствительность органов к воздействию ра­ диоволн резко повышается, если в них имеются те или иные металлические включения, тем более если они соизмеримы с длиной волны.

Может возникнуть вопрос, почему организм сам в ходе эволю­ ционного процесса не выработал механизмы, регулирующие состоя­ ние нашего организма в оптимальных пределах. Причину этого от­ крыли совсем недавно. Вкратце идея этого открытия заключается

в следующем.

Поведение организмов, вся их деятельность подчинена не инте­ ресам особи, а интересам вида. Удалось понять, что не стимулиру­ ются и не могут стимулироваться сами собой механизмы борьбы с неблагоприятными причинами, следствия которых проявляются

после среднего в роду возраста воспроизводства: эти механизмы на­ ходились и находятся вне рамок, вне сферы действия естественного отбора. Внутри этих рамок замкнуты связи (т. е. стимулируются механизмы), направленные только на увеличение количества потом­ ства и увеличение жизнеспособности молодого организма до появле­ ния потомства (рис. 2.1.3 и 2.1.4). После среднего возраста воспро­ изводства организм предоставлен самому себе, и ни одна из причин (в том числе и воздействие СВЧ поля), следствия которых прояв­ ляются в этот период, не включена в цепь ни положительной, ни

или не повернута вопреки ему нашими разумом и волей. Или — или. Только этим можно объяснить, почему в нас находят мефго поло­

47

I

жительные мотивации некоторых наших поступков, наклонностей и вкусов, например по отношению к определенной пище, музыке и т. п., несмотря на их явно пагубное действие {33, 52, 120, 128].

Сейчас на биологическом уровне нами руководят механизмы, которые мы унаследовали от наших далеких предков, в частности, отработанные еще на этапе господства естественного отбора меха-

Рис. 2.1.3. Систему биологических механизмов, регулирую­ щих всю жизнедеятельность организма, можно представить в виде плотного жгута прямых в системе координат воз­ раст—время. Повреждения механизмов, вызывающие те или иные расстройства, изображены на рисунке в виде изги­ бов прямых (расположение относительно условное).

низмы положительных и отрицательных обратных связей, направ­

щей внимание точку зрения, согласно которой механизмы естествен­ ного отбора больше не кажутся нам безусловно полезными. Впро­ чем, в справедливости природе отказать нельзя: каждый из нас, по-видимому, одарен механизмами самоустранения ровно настолько, насколько высоко мы занимаем положение на биологической лест­ нице, получив его по наследству или завоевав своей волей.

Некоторые приемы биологического самосовершенствования были известны давно {33, 86, 195], но постепенно под давлением ряда причин они оказались забытыми или были оставлены в рудиментар­

в массе способов использования собственных защитных сил орга­ низма для профилактики вредных последействий воздействия СВЧ [23] пока более чем скромные. Они предприняты фактически заново без использования уже имеющегося богатейшего опыта борьбы за здоровье, накопленного тысячелетиями и с успехам подтвержденного в наши дни [16, 106, 107, 115а, 121 и др.].

48

На основе гигиенической оценки СВЧ облучения и описанных клинико-физиологических данных по функ­ циональным изменениям под действием радиоволн СВЧ советские исследователи еще до 1956 г. определили пре­ дельно допустимые уровни для волн 3- и 10-см диапазо­ нов. На основе этих определений в СССР установлены действующие поныне предельно допустимые интенсивно­ сти облучения микроволнами.

Американские ученые исходили из иной основы для установления предельно допустимых норм. За критерий вредности радиоволн СВЧ они (также до 1956 г.) приня-

Рис. 2.1.4. Число болезней и непоправимых повреждений организма резко возрастает после среднего в роду возраста воспроизводства.

Зона А — период почти полной стабилизации системы, господство механизмов биологического самосовершенствования. Зона Б — сред­ ний период воспроизводства в роду (по мужской линии). Зона В — дестабилизация системы. Преобладание механизмов самоустранения.

ли не функциональные сдвиги, как правило обратимые, а более заметные морфологические изменения, предло­ жив в качестве предельно допустимой интенсивность 0,01 Вт/см2 (10 мВт/см2) вне зависимости от времени воздействия. Эта величина и была принята большинст­ вом ведомств и фирм США за основную (см. рис. 1). С принятием в США в 1966 г. единого стандарта пре­ дельно допустимый уровень (10 мВт/см2) фактически остался как основа, корректируемая в зависимости от времени облучения и температурно-влажностных усло­ вий в большую и меньшую сторону (1... 100 мВт/см2). Об этих нормативах см. в гл. 3.