Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Взаимодействие полей и излучений с биологическими объектами. Учебное пособие
.pdf
1.5. Общие аспекты влияния электромагнитных полей
B
на биологические объекты
Известный принцип Ле-Шателье утверждает, что «если на любую си-
стему, 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.
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 [6, 7].
Живые ткани отличаются совокупностью свойств как восприятия
электромагнитных полей и излучений с последующим преобразованием,
так и самостоятельной генерации электромагнитных сигналов.
Электромагнитное поле характеризуется векторными функциями координат – напряженностью электрического поля E и магнитной индукцией
(часто пользуются другой векторной функцией – напряженностью маг-
21
нитного поля H). Частные случаи электромагнитного поля – чисто электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, и
чисто магнитное поле, создаваемое неподвижными проводниками с постоянными токами или постоянными магнитами.
Однако даже эти поля в других инерциальных системах отсчета, движущихся относительно той, в которой источники рассматриваемого электрического или магнитного поля неподвижны, уже не будут ни чисто электрическими, ни чисто магнитными.
Таким образом, разделение электромагнитного поля на электрическое
и магнитное поля условно. В различных инерциальных системах отсчета,
движущихся одна относительно другой, напряженности E и H электромагнитного поля в одной и той же точке пространства различны. Переменные электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны, образуя
единое переменное электромагнитное поле, описываемое в неподвижной
среде уравнениями Максвелла.
Электромагнитные волны представляют собой возмущения электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. В каждой точке поля векторы E и H напряженностей электрического и магнитного полей колеблются, оставаясь в плоскости, перпендикулярной к распространению электромагнитной волны. Кроме того, в каждой
точке векторы E и H колеблются в одной фазе и всегда взаимно перпендикулярны.
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,
22
одинаковые по амплитуде и длительности, но различные по частоте и числу
Диапазон частот
Диапазон волн
Частота колебаний
Длина волны
Низкие частоты (НЧ)
Инфранизкие
Низкие
Промышленные
Звуковые
0,003-0,3 Гц
0,3-3,0 Гц
3,0-300 Гц
0,3-30 кГц
108-106 км
106-105 км
105-103 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
100-10 м
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
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 приспо-
собление 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.
В зависимости от частоты, а также от источников излучения и способов возбуждения различают следующие виды электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение (включающее инфракрасное, видимое и
ультрафиолетовое), рентгеновские лучи и гамма-излучение. В табл. 1.2 приведены характеристики электромагнитного спектра [7].
Таблица 1.2
Спектр электромагнитных колебаний от инфранизких до сверхвысоких частот
23
Напомним, что к оптическому принято относить диапазон от 3103 до
2
R
2
2
R
2R
/1035f
1,67106 ГГц; к инфракрасному – 3103-3,9104 ГГц; видимый свет – 41047,5105 ГГц; ультрафиолетовый – 7,5105-1,6106 ГГц. В длинах волн это со-
ответствует: 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. 1.5).
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 источника излучения меньше длины волны излучения (точечный источник), границы зоны определяются следующими расстояниями [7]:
– ближняя зона (зона индукции);
– промежуточная зона (зона интерференции);
– дальняя зона (зона излучения).Здесь R – максимальные га-
бариты объекта или наибольшее расстояние от источника поля; – длина
волны. При известной длине волны , м, соответствующая ей частота , Гц,
определяется по формуле
.
Раздельное действие электрического и магнитного полей – поля кон-
денсатора и поля катушки индуктивности – наблюдается при сравнительно
медленном их изменении в ближней зоне (зоне индукции). В ближней зоне
электромагнитная волна не сформирована, излучение не происходит и поле
быстро убывает по мере удаления от источника.
При определенных условиях электрическая и магнитная составляю-
щие становятся практически независимыми и их можно рассматривать отдельно.
24
Длина
волны,
мкм
Радиоволны,
КВЧ
Инфракрасное
излучение
Видимые
лучи
Ультрафиолетовые лучи
Рентгеновские
лучи
Гамма-лучи
10
0,8
3
0,4
10
-2
10
-5
Рис. 1.5. Шкала электромагнитных волн [8]
25
Поле индукции преобладает при наличии в рабочем помещении источников излучения: длинных ( = 1 км - 100 м), коротких ( = 100-10 м) и
ультракоротких ( = 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 активностью, нелинейностью воздействия,
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 [9].
На живые организмы постоянно оказывают влияние как естественные
(природные), так и искусственные электромагнитные поля.
Земля представляет собой постоянный магнит и создает так называемое геомагнитное поле Земли (ГМПЗ) с индукцией на поверхности около 50
мкТл. ГМПЗ носит стационарный характер и является для человека в любой
точке Земли однородным и равномерным, т.к. размеры человека ничтожно
малы по сравнению с размерами источника.
Наряду с наличием стационарного ГМПЗ, на земном шаре возможно
появление нестационарных магнитных полей (МП). В первую очередь к
ним следует отнести так называемые магнитные бури, источником возникновения которых являются энергетические взаимодействия с Солнцем планет Солнечной системы, в том числе и Земли. При магнитных бурях, в основном, формируются поля вихревой структуры. Кроме них, следует учи-
26
тывать такой природный феномен, как грозовые разряды, рождающие мощные электромагнитные (ЭМ) импульсы очень широких спектров. Помимо
стационарных и нестационарных МП естественного происхождения в последние десятилетия реальными факторами воздействия стали искусственные постоянные и переменные МП, создаваемые промышленными объектами.
В обширном спектре электромагнитных полей (ЭМП), которые регистрируются вблизи поверхности Земли, наиболее представлены низкие и
сверхнизкие частоты [10]. Это собственная частота ионосферного волновода (8 – 10 Гц при напряженности электрической составляющей поля Е = 1
мВ/м и магнитной индукции В = 10 нТл), микропульсация геомагнитного
поля Земли (0,0001–5 Гц при Е = 1 мВ/м и В = 0,5 –5 нТл). Не следует также
забывать о действии других атмосферных явлений с частотными составляющими от 10 Гц до 100 кГц и о влиянии квазистатического поля с характеристиками Е = 10 мВ/м и В = 10 мкТл (указаны ориентировочные значения
интенсивностей магнитных и электрических составляющих полей). Диапазон их изменений превышает два порядка, а характер вариаций обусловлен
рядом факторов, из которых наиболее существенным является солнечная
активность.
Таким образом, общая магнитная обстановка планеты складывается
из двух компонент: постоянной составляющей, являющейся ГМПЗ, и случайной (хаотической), складывающейся из нестационарных природных полей и из всех видов искусственных полей. Взаимодействие источников, образующих хаотическую составляющую, нарушает однородность и равномерность ГМПЗ.
На рис. 1.6 представлена классификация электромагнитных полей
естественного и искусственного происхождения [10].
27
Рис. 1.6. Классификация электромагнитных полей [10]: ПМП – постоянные;
Электромагнитные поля
Естественного происхождения
Искусственного происхождения
Стационарные
Нестационарные
Геомагнитное поле
Земли
Поля солнечной си-
стемы
Грозовые ЭМ поля
Поля ионосферы
Галактические
поля
Индустриальные
Лечебные
ПМП
ПеМП
ПуМП
ВМП
ИМП
ИБМП
СлМП
ПеМП – переменные; ПуМП – пульсирующие; ВМП – вращающиеся; ИМП – импульсные; ИБМП – импульсные бегущие; СлМП – случайные магнитные поля
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 не стимулируют другие метеорологические факторы,
28
которые обычно сопутствуют или предшествуют грозе. В частности, на
летную активность пчел не влияют изменение атмосферного давления, а
также повышение или понижение влажности воздуха. Только приближение
грозового фронта стимулирует пчел и ос укрываться в своих гнездах [7]. В
табл. 1.3 приведены результаты, иллюстрирующие чувствительность живых
организмов к интенсивности природных электромагнитных полей.
С суточными вариациями МП Земли совпадают изменения диастоли-
ческого 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 обнаруживаются нарушение суточной периодичности различных функций, уменьшение общего количества лейкоцитов, угнетение пищеварительного и миогенного лейкоцитоза.
29
Частотный
Оценка
Э к с п е р и м е н т а л ь н ы е д а н н ы е
диапазон поля
минималь-
ной Напря-
жен-ности
поля для
биологиче-
ских эффек-
тов*
Вид орга-
низма
Характер
биологического эффекта
Частота в
опыте, Гц
Напряжен-
ность поля в
опыте, В/м
Источники
полей
Средняя
напряженность поля,
В/м
Максимальная
напряженность
поля (возмущен-
ного), В/м
1 2 3 4 5
6 7 8
9
Высокие
частоты
103-104 В/м
(для частот
107-108 Гц)
Кролик
Человек
Измерение условнорефлекторной деятельности
Сосудистый условный
рефлекс
(0,6-
1,2)107
7,3105
410
(2-3)104
Атмосферики
Поля атмосферных
разрядов, проникающие в водную среду
(глубина 3 м)
10-4
10-3
10
-2
10-1
Низкие
частоты
104-105 В/м
(для частот
104-102 Гц)
Рыбы
Рыбы
Клетки
млекопи-
тающих
Пищевой условный рефлекс
Оборонительный
условный рефлекс
Замедление размножения
103-10
4
500-50
1000-100
10-4-10-3
10-4-10-3
1-2
Атмосферики
10-2-10-3
0,1-1
Таблица 1.3
Теоретические и экспериментальные оценки чувствительности организмов
к электромагнитным полям и интенсивности естественных полей биосферы [9]
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]