Биологическое действие электромагнитных полей радиочастот

Взаимодействие внешних электромагнитных полей с биологическими объектами осуществляется путем наведения внутренних полей и электрических токов. Значения и распределение этих полей и токов в теле человека и животных зависят от целого ряда параметров, таких как размер, форма, анатомическое строение тела, электрические и магнитные свойства тканей (электрическая/магнитная проницаемость и электрическая проводимость), ориентация объекта относительно поляризации тела, а также от характеристик ЭМП (частота, интенсивность, модуляция и др.). Поглощение энергии ЭМП в тканях определяется главным образом двумя процессами: колебанием свободных зарядов и колебанием дипольных моментов с частотой воздействующего поля. Первый эффект приводит к возникновению токов проводимости и связанным с электрическим сопротивлением среды потерям энергии (потери ионной проводимости), тогда как второй процесс приводит к потерям энергии за счет трения дипольных молекул в вязкой среде (диэлектрические потери).

На низких частотах основной вклад в поглощение энергии ЭМП вносят потери, связанные с ионной проводимостью. Ионная проводимость возрастает с ростом частоты поля до 10⁶ — 10⁷ Гц в связи с уменьшением емкостного сопротивления мембран и со все большим участием внутриклеточной среды в общей проводимости, что ведет к увеличению поглощения энергии.

При дальнейшем увеличении частоты ионная проводимость среды остается практически постоянной, а поглощение энергии продолжает увеличиваться за счет потерь на вращение дипольных молекул среды, главным образом молекул воды и белков.

Поглощение и распределение поглощенной энергии внутри тела существенно зависят также от формы и размеров облучаемого объекта, от соотношения этих размеров с длиной волны излучения. С этих позиций в спектре ЭМП РЧ можно выделить три области:

ЭМГ1 с частотой до 30 МГц; ЭМГ1 с частотой более 10 ГГц и ЭМП с частотой 30 МГц—10 ГГц.

Для первой области характерно быстрое падение поглощения с уменьшением частоты (приблизительно пропорционально квадрату частоты).

Отличительной особенностью второй является очень быстрое затухание энергии ЭМП при проникновении внутрь ткани: практически вся энергия поглощается в поверхностных слоях биоструктур.

Для третьей, промежуточной по частоте области, характерно наличие ряда максимумов поглощения, при которых тело как бы втягивает в себя поле и поглощает энергии больше, чем приходится на его поперечное сечение. В этом случае резко проявляются интерференционные явления, приводящие к возникновению локальных максимумов поглощения, так называемых «горячих пятен». Для человека условия возникновения локальных максимумов поглощения в голове имеют место па частотах 750—2500 МГц, а максимум, обусловленный резонансом с общим размером тела, лежит в диапазоне частот 50—300 МГц.

Первичные механизмы действия поглощенной энергии на микро- молекулярном, субклеточном, клеточном уровнях изучены слабо. В литературе описаны имеющиеся данные по влиянию ЭМП на клеточные мембраны, структуру некоторых белков, электрическую активность нейронов.

Отмеченные эффекты не всегда могли быть интерпретированы как чисто тепловые.

Организмы животных и человека весьма чувствительны к воздействию ЭМП РЧ. Биологическому действию ЭМП РЧ посвящены тысячи работ отечественных и зарубежных авторов. Наиболее полное представление о влиянии ЭМП на биообъекты дают монографии и обзоры. Поскольку подробное рассмотрение имеющихся данных не представляется возможным, основное внимание в этом параграфе будет уделено установленным закономерностям биологического действия указанного фактора.

К критическим органам и системам относят центральную нервную систему, глаза, гонады. Некоторые авторы к критическим причисляют кроветворную систему. Описаны эффекты со стороны сердечно-сосудистой и нейроэндокринной систем, иммунитета, обменных процессов. В последние годы появились данные об индуцирующем влиянии ЭМП на процессы канцерогенеза.

Биологическое действие ЭМП зависит от длины волны или частоты излучения, режима генерации (непрерывный, импульсный), условий воздействия па организм (постоянное, прерывистое; общее, местное; интенсивность; длительность).

Отмечено, что биологическая активность ЭМП убывает с увеличением длины волны (или снижением частоты) излучения. В свете сказанного понятно, что наиболее активными являются санти-, деци- и метровый диапазоны радиоволн.

По данным ряда авторов, ЭМП импульсной генерации обладают большей биологической активностью, чем непрерывной генерации. При сравнительной оценке ЭМП непрерывной и импульсной генерации с частотой следования импульсов сотни герц по ряду показателей также отмечена большая выраженность биоэффектов при действии импульсного излучения. Однако в процессе хронического облучения эти различия нивелировались, что явилось основанием для установления единых значений ПДУ для ЭМП непрерывной и импульсной генерации. При анализе скорости реакции систем на эффекты сил, вызванных полем, появились данные, что импульсное поле со средней плотностью потока энергии (ППЭ), равной ППЭ непрерывного, не может быть более эффективным. По-видимому, это мнение справедливо для импульсных воздействий с достаточно высокой частотой следования импульсов, но не может быть распространено на случаи воздействия мощных одиночных или редко повторяющихся импульсов.

На практике люди часто подвергаются прерывистым воздействиям ЭМП от устройств с перемещающейся диаграммой излучения (радиолокационные станции с вращающимися или сканирующими антеннами). Экспериментальными работами было показано, что при одинаковых интенсивностно-временных параметрах прерывистые воздействия обладают меньшей биологической активностью по сравнению с непрерывными, что объясняется различиями в количестве падающей и поглощенной энергии. Отмечено, что при скважностях воздействия (0 от менее 2 до 20—30 наблюдается энергетическая обусловленность биологических эффектов. Так, не отмечено существенных различий в биоэффектах непрерывных воздействий при

• 2 2 ППЭ = 10 мВт/см“ и прерывистых с ?> = 5 при ППЭ = 50 мВт/см“ и с
• ?>=10 при ППЭ = 100 мВт/см².

Наблюдаемое в ряде случаев на определенных, как правило, ранних, стадиях развития усиление биоэффектов за счет фактора прерывистости в условиях длительного хронического опыта нивелируется в силу развития адаптационных процессов. Динамика зависимости биоэффектов от скважности позволяет полагать, что при дальнейшем увеличении Q более 20 эффекты прерывистых воздействий будут менее выражены, чем непрерывных равных энергетических характеристик. Это связано с удлинением пауз и более эффективным протеканием восстановительных процессов.

Существенными различиями в количестве падающей и поглощаемой энергии объясняется меньшая биологическая активность локальных облучений частей тела (за исключением головы) по сравнению с общим воздействием.

Вопросы сочетанного действия ЭМП с другими факторами среды изучены недостаточно. Большая часть опубликованных работ посвящена сочетанному действию ЭМП микроволнового диапазона с ионизирующей радиацией и теплом. При этом выводы авторов неоднозначны. Имеются данные, что ЭМП СВЧ усугубляет течение лучевой болезни по критерию выживаемости экспериментальных животных. В то же время американские авторы получили данные, свидетельствующие об антагонистическом характере биологического действия СВЧ-поля и ионизирующей радиации. Аналогичный результат получен в исследованиях отечественных ученых. Их данные свидетельствуют о зависимости характера биоэффектов сочетанного

воздействия ЭМП СВЧ (1, 10, 40 мВт/см ) и мягкого рентгеновского излучения (250 и 2500 Р) от уровней воздействия. В ряде работ приведены данные, свидетельствующие об аддитивном характере биоэффекта при сочетанном действии ЭМП СВЧ и тепла.

Клинические проявления неблагоприятного влияния ЭМП радиочастоты (РЧ) описаны в основном отечественными авторами.

Поражения, вызываемые ЭМП РЧ, могут быть острыми и хроническими. Острые поражения возникают при действии ЭМП значительной тепловой интенсивности. Они встречаются крайне редко — при авариях или грубых нарушениях техники безопасности. В отечественной литературе несколько случаев острых поражений описано военными медиками. При этом чаще всего речь идет о пострадавших, работавших в непосредственной близости от излучающих антенн радиолокационных станций (РЛС). Подобный случай облучения двух авиатехников от радара на Филиппинах описан в работах зарубежных авторов. Авторами указаны интенсивности, воздей-

2

ствию которых подвергались пострадавшие: 379 мВт/см в течение 2

• 20 мин и 16 Вт/см“ в течение 15—30 с. Острые поражения отличаются полисимптомностыо нарушений со стороны различных органов и систем, при этом характерны выраженная астенизация, диэпце- фальные расстройства, угнетение функции половых желез. Пострадавшие отмечают отчетливое ухудшение самочувствия во время работы с РЛС или сразу после ее прекращения, резкую головную боль, головокружение, тошноту, повторные носовые кровотечения, нарушение сна. Эти явления сопровождаются обшей слабостью, адинамией, потерей работоспособности, обморочными состояниями, неустойчивостью артериального давления и показателей белой крови; в случаях развития диэнцефальной патологии — приступами тахикардии, потливости, дрожания тела и др. Нарушения сохраняются до 1,5—2 мес. При воздействии высоких уровней ЭМП (более
• 80—100 мВт/см ) на глаза возможно развитие катаракты.

Наиболее наглядные и убедительные результаты о воздействиях СВЧ-облучения па лабораторных животных были получены советскими учеными в 80-е годы XX в. (В.В. Антипов, Б.И. Давыдов, В.С. Тихончук). В качестве конечного результата экспериментов был избран летальный эффект как феноменологический критерий экспериментальной оценки биологического действия электромагнитного излучения.

Облучению различной интенсивности подвергались мыши, крысы и собаки. На рис. 13.4 приведены кривые порогового эффекта по гибели (на уровне 0—0,1 %) в зависимости от Г1ПЭ и времени облучения для частот 2,4—2,8 ГГц.

Рис. 13.4. Зависимость времени житии лабораторных животных от длительности облучения:

/, 3 и 5 — мыши, крысы и собаки (собственные данные); 2 и 4 — крысы и собаки

Рис. 13.5. Кривые порогового эффекта гибели животных в зависимости от плотности потока энергии и времени облучения для частот 0,1—0,2 (/); 2,45 (2); 10 (2) и 24 (4) ГГц, полученные при опытах на крысах

Из рис. 13.5 следует, что у мышей и крыс значения интенсивности

2

стабилизируются при ППЭ 25—40 мВт/см , а у собак — при 80—

• 2
• 100 мВт/см . Биологическая эффективность частот ниже и выше 2,45 ГГц намного меньше, различия стираются при ППЭ, равной
• 25 мВт/см².

Для 0,1 %-ной гибели зависимость ППЭ от времени облучения может быть аппроксимирована показательной функцией: для мышей 1§ / = 2,488 - 0,71 ^ I (/>25);

для крыс 1§ / = 2,638 — 0,691 1§ / (/>40);

для собак 1?/= 3,151 - 0,82 1? / (/>80),

2

где / — ППЭ, мВт/см ; / - время облучения, мин.

Например, при облучении собак в течение 60 мин указанный

2

эффект должен наблюдаться при / = 49,3 мВт/см . Ограничения, указанные в скобках, показывают, что опыты проводились в течение сравнительно малых отрезков времени при больших значениях ППЭ.

Для профессиональных условиях характерны хронические поражения. Они выявляются, как правило, после нескольких лет работы с источниками ЭМП микроволнового диапазона при уровнях воздействия, составляющих от десятых долей до нескольких милливатт на квадратный сантиметр (мВт/см“) и превышающих периодически

10 мВт/см . Симптомы и течение хронических форм поражений от воздействия ЭМП РЧ не имеют строго специфических проявлений. В клинической картине выделяют три ведущих синдрома: астенический, астеновегетативный (или синдром нейроциркуляторпой дистонии) и гипоталамический. Астенический синдром, как правило, наблюдается на начальных стадиях заболевания и проявляется жалобами па головную боль, повышенную утомляемость, раздражительность, периодически возникающие боли в области сердца. Вегетативные сдвиги обычно характеризуются ваготонической направленностью реакций (гипотония, брадикардия и др.).