Р. Н. НИКУЛИН БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОВОЛН МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Р. Н. Никулин БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОВОЛН Учебное пособие Волгоград 2012 1 УДК 621.37 (075) Рецензенты: кафедра «Информационные системы и компьютерное моделирование» Волгоградского государственного университета, зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, профессор А. В. Хоперсков; зав. кафедрой «Общая физика» Волгоградского государственного социально-педагогического университета д-р физ.-мат. наук, профессор С. В. Крючков Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Никулин, Р. Н. Биологическое действие радиоволн : учеб. пособие / Р. Н. Никулин ; ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – 79 с. ISBN 978–5–9948–1095–8 Содержит материал, излагаемый на лекциях в рамках изучения дисциплины «Биологическое действие радиоволн». Предназначено для студентов шестого курса ВолгГТУ, обучающихся в магистратуре по направлению 011200.68 «Физика» с подготовкой к научно-исследовательской деятельности по программе «Физика радиоэлектронных технологий». Ил. 6. Табл. 12. Библиогр.: 47 назв. ISBN 978–5–9948–1095–8 © Волгоградский государственный технический университет, 2012 © Р. Н. Никулин, 2012 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение…………………………………………………………………………………. 4 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ……………………………….. 6 1.1. Определение и основные характеристики электромагнитных волн…….. 6 1.2. Классификация электромагнитных волн………………………………….. 8 1.3. Источники электромагнитных волн и их классификация………………... 13 1.4. Электрические и магнитные свойства тканей биологических объектов... 16 2. ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМИ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ……………………… 2.1. Тепловые и нетепловые эффекты электромагнитных полей…………….. 2.2. Биофизика нетепловых эффектов электромагнитных полей…………….. 2.3. Закономерности воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты………………………………………………….. 26 26 27 32 3. МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ………………………………………………... 35 3.1. Роль воды в биологических эффектах электромагнитных излучений………. 35 3.2. Подходы к построению модели воздействия СВЧ-излучения низкой интенсивности на биологические объекты……………………………. 38 4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМИ СВЧ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ……………….. 47 5. НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ РАДИОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА……………………………………………… 59 Библиографический список…………………………………………………………….. 64 Приложение 1. Некоторые установленные биологические эффекты электромагнитных полей радиочастот………………………………. 70 Приложение 2. Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия ЭМИ РЧ на человека…………………………………………………………….. 76 3 ВВЕДЕНИЕ Современная цивилизация сталкивается с постоянно возрастающим потоком действующих факторов окружающей среды антропогенного происхождения, среди которых особое место занимают электромагнитные излучения. Сами по себе электромагнитные поля естественного происхождения (появление которых не связано с хозяйственной деятельностью человека) не являются новым экологическим фактором для биологических объектов нашей планеты. Во-первых, миллионы лет Землю «пронизывают» потоки электромагнитных волн от различных объектов Вселенной; во-вторых, источниками относительно слабых электромагнитных излучений являются все организмы планеты; в-третьих, электромагнитные волны возбуждаются в атмосфере Земли при протекании в ней различных процессов. В отличие от электромагнитных полей естественного происхождения электромагнитные поля, возникшие в результате научно-технической деятельности человечества, обладают таким набором параметров (интенсивность, частота, направленность, наличие модуляции и т. п.), который не встречается у ЭМП естественного происхождения. Поэтому с этой точки зрения электромагнитные излучения антропогенного происхождения являются новым фактором окружающей среды. Наибольший интерес представляет изучение биологического действия ЭМВ радиодиапазона, т. к. именно этот диапазон используется практически для всех видов связи, кроме того подавляющее большинство бытовых и промышленных установок, а также различные средства транспорта генерируют ЭМИ именно в этом диапазоне. В ряде случаев эти излучения являются паразитными, т. е. возникают в процессе работы устройства, специально не предназначенного для генерации ЭМИ. Ярким примером может служить городской электротранспорт. 4 Сложность изучения биологического действия ЭМИ радиодиапазона заключается в том, что у человека (как и у многих животных) нет специальных рецепторов, фиксирующих такие излучения, т.е. человек не чувствует, что находится в зоне действия ЭМП. Заметная реакция организма на ЭМИ может проявиться спустя достаточно длительное время после облучения. В этом также заключается и опасность ЭМИ. Из всего вышесказанного следует, что изучение биологического действия электромагнитных излучений радиодиапазона является актуальной задачей. Исследования в этой области проводятся уже около 60 лет и к настоящему времени зафиксированы и изучены многие эффекты электромагнитных полей. С другой стороны до сих пор нет однозначного ответа, какое именно действие (положительное или отрицательное) оказывает электромагнитное поле с определенным набором параметров. Например, до сих пор не выработано четких рекомендаций по использованию сотового телефона, неясно какую суточную продолжительность разговоров можно считать безопасной. 5 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 1.1. Определение и основные характеристики электромагнитных волн Электромагнитные волны – процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве с конечной скоростью. Основными характеристиками электромагнитной волны является частота (длина волны), скорость распространения, вектор Пойнтинга, когерентность и поляризация. Частота (ν) – число колебаний, совершаемых за единицу времени ([ν]=Гц). Длина волны (λ) – расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах ([λ]=м). Скорость распространения электромагнитной волны в среде (v) определяется из соотношения υ = c , где с = 3·10 8 м/с – скорость света εμ (электромагнитной волны) в вакууме; ε и µ – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, соответственно. Длина волны, частота и скорость распространения связаны соотношением λ= υ . ν Важная особенность электромагнитного поля (ЭМП) – это деление его на так называемые «ближнюю» и «дальнюю» зоны. В «ближней» зоне или зоне индукции, на расстоянии от источника r<λ, напряженности электрического Е и магнитного Н полей изменяются не в фазе и быстро убывают с расстоянием от источника (обратно пропорционально квадрату (~r-2) и кубу (~r-3) расстояния, соответственно), а соотношения между их средними значениями могут быть любыми. В зоне 6 индукции энергия попеременно переходит то в электрическое, то в магнитное поле. В «ближней» зоне излучения электромагнитная волна еще не сформирована, поэтому для характеристики ЭМП в этой зоне используют величины напряженностей переменных электрического Е и магнитного Н полей независимо друг от друга. «Дальняя» зона (волновая зона) – это зона сформировавшейся электромагнитной волны (ЭМВ), которая начинается с расстояния r>λ. В «дальней» зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника (~r-1). В этой зоне E и H изменяются в фазе, а между их средними значениями за период существует соотношение: E= μ0 H ≈ 377 ⋅ H . ε0 (1.1) В волновой зоне происходит излучение энергии, которое оценивают величиной плотности потока электромагнитной энергии (ППЭ) S – вектора Пойнтинга ([S]=Вт/м2): S = E × H . Вектор Пойнтинга характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Так как существует однозначная связь между векторами E и H (1.1), то измеряется, как правило, только Е. В российской практике санитарно-гигиенического надзора на частотах выше 300 МГц в «дальней» зоне излучения обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии. За рубежом ППЭ обычно измеряется для частот выше 1 ГГц. Когерентность – явление согласованного протекания во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. 7 Поляризация электромагнитных волн – явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H . Для когерентного электромагнитного излучения различают линейную, круговую и эллиптическую поляризацию. Некогерентное излучение может не быть поляризованным, а может быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. Кроме обычных гармонических электромагнитных колебаний используют также модулированные, в которых амплитуда, частота или фаза дополнительно изменяются по определенному закону. Особый интерес представляет импульсная модуляция, при которой электромагнитные импульсы короткой длительности τ разделены продолжительными паузами. Полоса частот, соответствующая импульсу, имеет значение порядка 1/τ, а связь между мощностью в импульсе со средней мощностью выражается соотношением Pi = P , f ⋅τ где f – частота повторения импульсов. Величину в знаменателе f·τ называют скважностью. 1.2. Классификация электромагнитных волн Совокупность электромагнитных волн различных длин от самых длинных до коротких представляется в виде шкалы электромагнитных волн. Самый длинноволновый диапазон составляют радиоволны, затем, по мере укорочения длины волны, следуют: инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения (рис. 1.1). 8 Рис. 1.1. Шкала электромагнитных волн Границы диапазонов, указанные по длинам волн, частотам или энергиям фотонов, приняты условно и в природе не имеют четких границ. Физическая природа всех излучений, составляющих шкалу, едина: все эти излучения – электромагнитные волны. Все электромагнитные излучения в зависимости от энергии квантов подразделяются на неионизирующие и ионизирующие. Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Оно представляет собой поток заряженных и (или) незаряженных частиц. Различают непосредственно ионизирующее и косвенно ионизирующее излучение. Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества (α- и β-излучение радионуклидов, протонное излучение ускорителей и т. п.). Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных (нейтральных) частиц, взаимодействие которых со средой приводит к возникновению заряженных частиц, способных непосредственно вызывать ионизацию (нейтронное излучение, гамма-излучение). Ионизирующее излучение, состоящее из частиц одного вида одинаковой энергии, называется однородным моноэнергетическим излучением; состоящее из частиц одного вида различных энергий, – немоноэнергетическим излучением; состоящее из 9 частиц различного вида, – смешанным излучением [1]. Биологический эффект электромагнитных полей зависит, прежде всего, от двух параметров – частоты и мощности излучения [2, 3]. Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокими энергиями квантов, что определяет их специфическое взаимодействие с веществом – эти излучения являются ионизирующими [4]. В табл. 1.1 [2], представлена более подробная шкала электромагнитных волн, на которой указаны биологические эффекты и применение в медицине каждого из диапазонов ЭМИ. Таблица 1.1 Основные характеристики ЭМИ различных диапазонов Радиоволны: длинные, средние, короткие, УВЧ, СВЧ, КВЧ Инфракрасное излучение Видимый свет Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение Гаммаизлучение Ионизирующее излучение Длина волны 103 м–1 мм 1 мм– 0.76 мкм 760– 380 нм 380–10 нм 80–10-4 нм 0.1 нм и менее Энергия кванта (эВ) 1.2⋅10-9–1.2⋅10-4 1.2⋅10-4 – 1.6 1.6–3.3 3.3–120 10–0.5⋅106 0.2⋅106 и более Источники излучений Движение зарядов с ускорением Действие на вещество Поляризация диэлектриков, возникновение токов проводимости в биологических жидкостях Применение в медицине УВЧ-терапия, СВЧ-терапия, эндорадиозонды Излучение молекул и атомов Излучение атомов Излучение возбужденного ядра Когерентное Фотобиологические процессы Рассеяние АктиАктивация ФотохимиИонизация вация зритель ческие ретермоакции на ных Фото- и комптонрецепрецеп- поверхности эффекты торов кожи торов Тепловое лечение Диагностика с помощью картирования тепловых полей организма Светолечение, лазерная терапия Светолечение, УФ-терапия, синтез витамина D Люминесцентные методы диагностики 10 Рентгенотерапия Гамматерапия Рентгенодиагностика Радионуклеидная диагностика В общем случае представляются наиболее вероятными три основных вида биологической активности электромагнитного поля: • влияние на организмы электромагнитных процессов, протекающих во внешней среде; • участие внутренних электромагнитных процессов в жизнедеятельности организмов; • электромагнитные взаимосвязи между организмами [5]. Особый интерес представляют исследования механизмов действия неионизирующих излучений, принадлежащих диапазону радиоволн, в котором наблюдаемые биологические эффекты не могут быть объяснены ионизацией среды. Ширина этого диапазона частот в 105 раз превышает сумму всех диапазонов, используемых «обычной» радиотехникой и электротехникой, поэтому радиоволны принято условно делить на несколько более узких диапазонов [6]. В соответствии с международным Регламентом радиосвязи, установленным Международным консультативным комитетом по радио (МККР), принята следующая классификация радиоволн (табл. 1.2). Часто в литературе встречается термин микроволны (microwave), под которым понимаются электромагнитные волны субмиллиметрового, миллиметрового, сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов длин волн. Этот термин особенно распространен в англоязычной научной литературе. Таким образом, микроволны расположены между областью «обычных» радиоволн (с длиной волны более 10 м), и областью инфракрасных излучений [6]. Использование электромагнитных излучений диапазона радиоволн (РВ) в последние годы постоянно возрастает в связи с бурным развитием различных областей физических исследований, освоения Космоса, радиолокации, связи, телевидения, промышленной электроники, электронновычислительной техники, методов медицинских исследований и т. д. 11 Таблица 1.2 Деление радиоволн на диапазоны согласно Международному регламенту радиосвязи № полосы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Диапазон длин волн, м Полоса частот1, Гц Название полосы частот 3 – 30 Крайне низкие КНЧ 10⋅106 – 30 – 300 Сверхнизкие СНЧ 1⋅106 – Инфранизкие ИНЧ 0.1⋅106 – Очень низкие ОНЧ 10⋅103 – Низкие НЧ 1⋅103 – Средние СЧ 0.1⋅103 – 0.3⋅103 – 3⋅103 3⋅103 – 30⋅103 30⋅103 – 300⋅103 0.3⋅106 – 3⋅106 3⋅106 – 6 30⋅10 30⋅106 – 6 300⋅10 0.3⋅109 – 3⋅109 3⋅109 – 30⋅109 30⋅109 – 300⋅109 0.3⋅1012 – 3⋅1012 100⋅106 10⋅106 1⋅106 100⋅103 10⋅103 1⋅103 Название диапазона Декамегаметровые Мегаметровые Гектокилометровые Декакилометровые Километровые Гектометровые Высокие ВЧ 10 – 100 Декаметровые Очень высокие ОВЧ 1 – 10 Метровые Ультравысокие УВЧ 0.1 – 1 Дециметровые Сверхвысокие СВЧ 10⋅10-3 – Крайне высокие КВЧ 1⋅10-3 – 100⋅10-3 10⋅10-3 0.1⋅10-3 – – 1⋅10-3 1 Сантиметровые Миллиметровые Децимиллиметровые Полосы частот включают наибольшую и исключают наименьшую частоту, а диапазоны длин волн включают наименьшую длину и исключают наибольшую. 12 1.3. Источники электромагнитных волн и их классификация Все источники и ионизирующих, и неионизирующих излучений делятся на две большие группы: естественные и искусственные. Интенсивность естественного электромагнитного фона составляет в среднем примерно 10-7 Вт/м2 [2]. Таким образом, миллионы лет жизнь на Земле развивалась при наличии ЭМП естественных источников [7, 8], что, по-видимому, является необходимым условием зарождения и существования жизни на нашей планете. Являясь постоянно действующим экологическим фактором, естественные ЭМП имеют определенное значение в жизнедеятельности всех организмов, в том числе и человека. Следует при этом отметить, что с гигиенической точки зрения ЭМИ естественных источников не является чуждым организму фактором окружающей среды [8]. Быстрое развитие цивилизации в последние сто лет привело к появлению и формированию нового значимого фактора окружающей среды – электромагнитных полей искусственного (антропогенного) происхождения – полей, созданных в результате деятельности человека, и быстрому увеличению числа их источников (табл. 1.3). Все искусственные источники ЭМИ, в свою очередь, делятся на две большие группы: – изделия, которые специально создавались для излучения электромагнитной энергии (радио- и телевизионные вещательные станции, радиолокационные установки, физиотерапевтические аппараты, различные системы радиосвязи, технологические установки в промышленности); – устройства, предназначенные не для излучения электромагнитной энергии в пространство, а для выполнения какой-то иной задачи, но при работе которых протекает электрический ток, создающий паразитное излучение ЭМП. Это системы передачи и распределения электроэнергии (ЛЭП, трансформаторные подстанции) и приборы, потреб13 ляющие ее (электроплиты, электронагреватели, холодильники, телевизоры, осветительные приборы, компьютеры и т. п.). Таблица 1.3 Источники электромагнитного излучения Источники электромагнитного излучения ионизирующие естественные Космические лучи; естественно распределенные на Земле радиоактивные вещества; радиоактивные воды и т.п. искусственные неионизирующие естественные Процессы в магнитосфере Земли; процессы, происходящие в атмосфере Земли – атмосферики Ядерные реакто- (разряды молнии, ры, ядерные ма- колебания в ионотериалы, ядерное сфере); космические источники раоружие и др. диоволн – радиоизлучение Солнца, различных звезд и галактик; все живые организмы на Земле искусственные Теле- и радиопередающие центры, гражданские и военные радиолокационные установки, различные системы радиосвязи, в том числе системы сотовой и спутниковой связи, различные электробытовые приборы (телевизоры, компьютеры, холодильники, стиральные машины, микроволновые печи кондиционеры и т. д.), технологические установки в промышленности Излучаемые этими устройствами ЭМП вместе с естественными полями Земли и Космоса создают сложную и изменчивую электромагнитную обстановку. В результате суммарная напряженность ЭМП в различных точках земной поверхности увеличилась по сравнению с естественным фоном в 102–104 раз. Особенно резко она возросла вблизи ЛЭП, радио- и телевизионных станций, средств радиолокации и радиосвязи, различных энергетических и энергоемких установок, городского электротранспорта. 14 В масштабах эволюционного процесса этот колоссальный рост напряженности ЭМП можно рассматривать как одномоментный скачок с плохо предсказуемыми биологическими последствиями [7]. Такое резкое изменение условий окружающей среды не может не повлиять на живые организмы, последствия этого влияния пока непредсказуемы. Поэтому, несмотря на то, что живые организмы были окружены ЭМП естественных источников миллионы лет и в процессе эволюции адаптировались к ним, искусственно созданные ЭМП являются новым фактором окружающей среды с количественной точки зрения, т.к. обладают набором параметров (частота, мощность, поляризация), значительно отличающихся от аналогичных характеристик полей естественных источников, и воздействия таких излучений на живые организмы могут быть различными (как положительные, так и отрицательные). Таким образом, ЭМИ антропогенного происхождения являются существенным экологическим фактором, так или иначе, воздействующим на все живые организмы. Поэтому изучение вопросов, связанных с воздействием ЭМИ антропогенного происхождения на биологические системы и нормирование таких воздействий, является крупной научной проблемой. Решение такой задачи невозможно осуществить в рамках одной науки, поэтому ее решают физики, биологи, химики и экологи. Академик В.И. Вернадский писал: «Рост научного знания в 20-м веке быстро стирает грани между отдельными науками. Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам». 15 1.4. Электрические и магнитные свойства тканей биологических объектов Для понимания специфики взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами и расчета поглощенной в них энергии электромагнитного излучения необходимо знание электрических свойств тканей организма, которые во многом определяются количественным содержанием в них заряженных частиц и дипольных молекул. По содержанию воды ткани условно можно разделить на жидкие (кровь, лимфа), с высоким содержанием воды (внутренние органы, мышцы и т. п.) и содержащие мало воды (жировая ткань, кости, костный мозг) [8, 9]. Электрические свойства среды характеризуют следующими величинами: 1) относительной диэлектрической проницаемостью ε (безразмерная величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия F между зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия F0 в вакууме: ε= F0/F) и абсолютной диэлектрической проницаемостью εа ([εа]=Ф/м), котоε рые связаны соотношением ε= a ε , где ε0 = 8,85·10-12 Ф/м – электрическая 0 постоянная; 2) удельной электрической проводимостью σ ([σ]=См/м). Часто пользуются и обратной величиной – удельным электрическим сопротивлением ρ. Магнитные свойства среды характеризуют величинами: 1) относительной магнитной проницаемостью м (безразмерная величина) и абсолютной магнитной проницаемостью µа ([µа]=Гн/м), связанными соотношением μ= μа μ , где µ0 = 4π·10-7 Гн/м – магнитная постоян0 ная; 2) магнитной проводимостью gm ([gm]=Вб/А) или магнитным сопротивлением rm – величиной, обратной gm. 16 Отметим, что для воздуха ε≈ μ ≈ 1. При наличии внешнего электростатического поля в рассматриваемой среде происходит: 1) перемещение «свободных» электрических зарядов (электронов, ионов и других заряженных частиц); 2) поляризация, т. е. смещение «связанных» зарядов (электронов в атомах, атомов в молекулах); 3) ориентация молекул, обладающих постоянным дипольным мо- ментом (молекул воды и белковых молекул). Постоянное магнитное поле вызывает ориентацию диамагнитных и парамагнитных молекул, а также действует на движущиеся заряды с силой Лоренца, изменяя траекторию их движения. Под действием переменных ЭМП в рассматриваемой среде будут происходить процессы двух основных типов: 1) колебания свободных зарядов; 2) повороты дипольных молекул в соответствии с частотой ЭМП. Электрическое сопротивление и вязкость среды приводят к тому, что оба указанных процесса протекают с потерями энергии ЭМП. В первом случае говорят о потерях проводимости, а во втором – о диэлектрических потерях. Величины указанных потерь и их доля в общем поглощении энергии ЭМП в среде зависят от ее электрических параметров (удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости) – и от частоты воздействующих ЭМП [10]. Итак, рассеяние электромагнитной энергии в ткани в основном связано с колебаниями зарядов (потери проводимости) и релаксацией дипольных молекул (диэлектрические потери), соотношения между которыми выражают через tgδ, называемым тангенсом угла потерь. Для биологических тканей с высоким содержанием воды тангенс угла потерь в СВЧ-диапазоне близок к единице. 17 Используя систему уравнений Максвелла можно записать ɶ a Eɺ + J st , rotHɺ = iωε σ ɶa = ε где величина ε a − i ω представляет собой комплексную диэлектриче- скую проницаемость данного вещества; σ – удельная проводимость; ω – частота электромагнитного поля. Видно, что вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости является абсолютной диэлектрической постоянной данного вещества, а мнимая прямо пропорциональна удельной проводимости этого вещества и обратно пропорциональна частоте ЭМП [11]. Комплексная диэлектрическая проницаемость позволяет одновременно учесть как поляризационные, так и проводящие свойства вещества. Значение действительной части комплексной диэлектрической проницаемости описывает интенсивность процесса поляризации, а мнимая часть учитывает плотность токов проводимости. ɶ a в виде вектора на комплексной плоскости, Изображая число ε можно описывать соотношение между действительной и мнимой частями комплексной проницаемости при помощи угла δ, который называют углом диэлектрических потерь. Чем больше этот угол, тем значительнее доля электромагнитной энергии, рассеиваемой в виде теплоты при протекании токов проводимости. В справочных таблицах обычно приводят значения тангенса этого угла [12]: tgδ= σ σ = . ωεa ωε0 ε В зависимости от величины tgδ судят о проводящих свойствах среды. Рассматривают три возможных случая: 1) tg δ≫ 1 – среда проводящая (потери проводимости среды значительно превышают диэлектрические потери), 18 2) tg δ≈ 1 – среда полупроводящая (оба вида потерь примерно одинаковы), 3) tgδ≪ 1 – среда диэлектрическая (диэлектрические потери значительно превышают потери проводимости). Значение тангенса угла потерь хороших диэлектриков на частотах СВЧ-диапазона лежит в пределах от 10–5 до 10–4, если tgδ>10–3, то такой диэлектрик принято считать плохим [12]. Как видно из последнего уравнения, величина tgδ зависит от частоты. Поэтому, одна и та же среда, в зависимости от частотного диапазона ЭМП, в котором она находится, может проявлять свойства проводящей, полупроводящей и диэлектрической. Для биологических тканей с высоким содержанием воды тангенс угла потерь в СВЧ-диапазоне близок к единице. Мощность ЭМП, рассеиваемая в проводящей среде на единицу объема, не зависит от частоты и определяется соотношением: Pcond . = σ E 2 . Мощность, рассеиваемая в единице объема диэлектрической среды, зависит от частоты, что видно из следующего выражения: Pdiel . = ωεε0 tgδE 2 . Диэлектрическая проницаемость и электропроводность биообъектов меняется с частотой электромагнитного поля (ЭМП), т. е. имеет место дисперсия электропроводности. На рис. 1.2 изображена кривая дисперсии диэлектрической проницаемости в области от низких до СВЧ частот [8]. На ней видны три основные области релаксации: до 103, 105–107 и 1010 Гц, которые соответственно называются областями α-, β-, γ- дисперсии. В СВЧ – диапазоне дополнительный вклад в дисперсию е′ вносит область δ-дисперсии (0.3–2 ГГц). 19 Рис. 1.2. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости и проводимости биологических тканей с высоким содержанием воды от частоты ЭМП (ε1 и ε2 – вещественная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости, т. е. ε*=ε1–jε2) Дисперсия ε* обусловлена тем, что любая поляризация связана с переходными релаксационными процессами, т.е. процессы заряда и разряда происходят не мгновенно, а за некоторое конечное время, называемое временем релаксации τ, которое зависит от структуры поляризующихся элементов, вязкости и температуры среды. Возникающая частотная зависимость ε* выражается следующим образом: ε= ε∞ + εs − ε∞ 1 + ( ωτ ) 2 , ( ε − ε∞ ) ωτ, ′ = s ε 2 1+ ( ωτ ) ( σ − σs )( ωτ) , σ = σs + ∞ 2 1+ ( ωτ ) 2 (1.2) где индекс «s» характеризует значения при очень низкой частоте, а индекс «∞» – при очень высоких частотах [10, 13]. Эти уравнения справедливы для трех типов релаксационных процессов. 1. Релаксация молекул, обладающих постоянным дипольным моментом, когда уравнения (1.2) называются уравнениями Дебая, а τ определяется вязкостью среды η, радиусом молекулы r и абсолютной температурой Т: 20 4πr 3η τ= , kT где k – постоянная Больцмана. 2. Релаксация неоднородной структуры – суспензии сферических ′ι и проводимостью σi, заничастиц с диэлектрической проницаемостью ε ′r и σr) долю объема, равную ρ. В этом случае уравмающих в растворе ( ε нения (1.2) называют уравнениями Максвелла – Вагнера при следующем значении τ: τ= ε 0 εi + 2εr . σi + 2σr 3. Релаксация, связанная с поляризацией на границах раздела при наличии в окружающей среде, содержащей ионы, частиц различного размера с поверхностными электрическими зарядами. Этому случаю соответствует уже ряд уравнений типа (1.2) для различных значений τ. Доля поглощенной СВЧ-энергии, и ее относительное распределение в различных тканях и органах зависят от формы и размеров объекта, его ориентации в поле, длины волны, а также электрических свойств тканей. В микроволновом диапазоне линейные размеры облучаемого объекта сравнимы с длиной волны λ или превышают ее. В случае плоской электромагнитной волны количественной мерой поглощения может служить отношение поглощенной в объекте мощности к общей мощности, падающей на его поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Это отношение называют сечением относительного эффективного поглощения и обозначают через Sэф. Величина Sэф зависит от параметра kR, связывающего размеры объекта и длину волны. В случае приближения формы объекта к сферической kR = 2πR , где R – радиус сфеλ ры. В зависимости от соотношения Sэф и kR можно выделить три случая: Sэф<<kR, Sэф≈kR и Sэф> >kR. 21 В первом случае длина волны меньше размеров объекта и часть излучения отражается от его поверхности. Коэффициент отражения Kотр определяется значением комплексной диэлектрической проницаемости среды. При падении излучения по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации пучка ЭМП и равен K отр = ( εk -1) 2 ( εk +1) 2 . Общую величину поглощенной мощности Pп при этом рассчитывают из соотношения Pn = (1 − K отр ) П0 S , где П0 – значение ППМ у поверхности объекта; S – площадь его сечения. Раздельную оценку мощности, рассеиваемой в электрическом E и магнитном H полях СВЧ ЭМП можно произвести ′′ E 2 , Pм =ω μ0 μ2 H 2 . Для объектов, сравс помощью равенств Pэ = ωε0 ε нимых с телом человека, на частотах выше 1 ГГц Kотр слабо зависит от их электрических свойств в широком диапазоне частот остается примерно равным 0.5. При kR<<1 длина волны больше размеров объекта и с увеличением частоты Sэф возрастает. Если значение kR приближается к единице, Sэф проходит через несколько максимумов, число и величина которых зависят от размеров объекта и слоистости его структуры. В области максимумов Sэф превышает уровень энергии, падающей на поперечное сечение, т.е. облучаемый объект как бы втягивает в себя электромагнитное поле. Для человека и лабораторных животных эта область частот лежит в пределах 0.4–4 ГГц. В связи с тем, что различные ткани организма обладают разной толщиной, диэлектрической проницаемостью и проводимостью, максимумы поглощения могут возникать и внутри тела. Так, на частоте 918 МГц максимум поглощения для головы человека (R=7 см) локализован в центральной области головы и составляет 22 0.458 мВт см 3 при ППМ облучения 1 мВт чение УПМ равно 0.117 мВт см 3 см 2 , в то время как среднее зна- . От частоты излучения зависит глубина проникновения энергии электромагнитной волны в организм δ, т.е. глубина, на которой энергия проникающего излучения уменьшается в e раз: δ= ( πfμσ ) −1 2 , где f – частота излучения; µ – величина относительной магнитной проницаемости среды; σ – электрическая проводимость [14, 15]. Например, волны метрового диапазона (ОВЧ) слабее поглощаются в биологических тканях, чем волны дециметрового диапазона (УВЧ), а излучение сантиметрового диапазона (СВЧ) может полностью поглотиться в живой ткани на глубине, равной нескольким миллиметрам или сантиметрам. На организм в значительной степени влияют и излучения миллиметрового диапазона, называемого диапазоном крайне высоких частот (КВЧ), несмотря на то, что излучения КВЧ диапазона проникают на еще меньшую глубину, чем излучения СВЧ. В гомогенной ткани поглощенная мощность P с глубиной убывает по экспоненциальному закону P = σ 2 2r E exp − , где r – расстояние от по2 δ верхности; δ – глубина проникновения. В табл. 1.4 [10] приведены данные по глубине проникновения СВЧ – энергии в различные ткани. В сплошной среде часть энергии ЭМП отражается от внутренних границ раздела тканей. Например, на границах кожа – жир и жир – мышцы на частоте 1 ГГц коэффициенты отражения составляют 0.231 и 0.261, соответственно. В результате таких отражений в тканях могут возникать стоячие волны и связанные с ними максимумы поглощения. 23 Из этой таблицы видно, что глубина проникновения ЭМВ СВЧ достигает для некоторых тканей величину порядка всего 1 см, поэтому реакция объекта должна быть обусловлена возбуждением рецепторов на этой глубине с последующей передачей воздействия на другие клетки. Таким образом, при изучении механизмов непосредственного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на биологические системы особое внимание необходимо уделить процессам, происходящим в организме на молекулярном и клеточном уровнях. Таблица 1.4 Глубина проникновения СВЧ ЭМП с частотой 10 ГГц в различные ткани Вид ткани Костный мозг Головной мозг Хрусталик глаза Стекловидное тело Глубина проникновения, см 0.340 0.168 0.174 0.195 Вид ткани Жир Мышцы Цельная кровь Кожа Глубина проникновения, см 1.100 0.314 0.148 0.189 Существенную роль в поглощении СВЧ-энергии тканями организма играет толщина подкожного жирового слоя. Значения ε и µ биологических тканей, как правило, больше 1. Поэтому длина волны в ткани меньше, чем в воздухе (табл. 1.5 [10]). Таблица 1.5 Длина волны СВЧ ЭМП в тканях, соответствующая частоте 10 ГГц Вид ткани Костный мозг Головной мозг Хрусталик глаза Стекловидное тело Длина волны, см 1.250 0.595 0.575 0.395 Вид ткани Жир Мышцы Цельная кровь Кожа Длина волны, см 1.450 0.616 0.449 0.506 Магнитные свойства клеток и тканей выражены слабо, так как вода и многие органические вещества являются диамагнитными. Однако некото24 рые важные составные компоненты биообъектов являются парамагнитными (молекулярный кислород, растворы электролитов, свободные радикалы) и даже ферромагнитными (Fe, Co, соединения Mn). [5] Растворы электролитов, которые содержат белковые молекулы и обладают слабыми диамагнитными или парамагнитными свойствами, а также электрической полярностью, характеризующейся дипольным моментом по своим электрическим и магнитным свойствам являются хорошим приближением к тканям живых организмов [10]. 25 2. ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМИ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ 2.1. Тепловые и нетепловые эффекты электромагнитных полей Тепловые эффекты электромагнитных волн изучались во многих странах. Наиболее хорошо изучены и описаны в литературе именно тепловые эффекты СВЧ излучения [9, 16]. Ранее считалось, что биологическая эффективность ЭМП определяется только его термическим действием, достаточно хорошо изученным и широко применяемым как в технологических процессах, так и в биологии и медицине. Однако оказалось, что биологические эффекты электромагнитного излучения проявляются и при сверхмалых интенсивностях (ниже пороговой величины теплового эффекта), когда нагрев тканей не является определяющим или вообще становится невозможным [4, 7, 17, 18–21]. При воздействии ЭМИ на организмы следует различать, по крайней мере, три уровня взаимодействия электромагнитной энергии с биологическими системами [8]. 1. Слабые энергетические воздействия (иногда их называют информационными). Предполагают, что они вносят очень незначительные возмущения в термодинамику организма и сравнимы с тепловым шумом биологической системы. 2. Средние энергетические воздействия. По уровню они сопоставимы с уровнем основного обмена того или иного вида животного. Повидимому, такие воздействия могут вносить возмущение в термодинамическую систему организма лишь при очень длительном воздействии или при возникновении локальных «горячих точек». 3. Сильные энергетические воздействия. На этом уровне четко определяются количественные зависимости эффекта от дозы. 26 В отличие от слабых энергетических воздействий, средние и сильные энергетические воздействия приводят к тепловым феноменам ЭМП, которые основаны на термодинамике биологического объекта и патофизиологии терморегуляции. Таким образом, в зависимости от мощности излучения, различают тепловое и нетепловое (иногда его называют специфическим) действие. Условной границей между этими областями принята величина плотности потока мощности в 10 мВт/см2, поскольку считается, что при уровнях потока мощности, превышающих эту величину температура биологического объекта повышается более, чем на 0,1 оС [4, 17, 22, 23]. Некоторые органы и ткани тела человека, обладающие (за счет сравнительно небольшого числа находящихся в них кровеносных сосудов или вследствие менее интенсивного кровообращения) слабо выраженным механизмом терморегуляции, более чувствительны к облучению. Сюда относятся: мозг, глаза, почки, кишки, желчный и мочевой пузыри и семенники. Последние наиболее подвержены воздействию сантиметровых волн: для них тепловой порог составляет 5 мВт/см2. 2.2. Биофизика нетепловых эффектов электромагнитных полей С проблемой нетепловых уровней мощности воздействия электромагнитных волн на биологические объекты тесно связана проблема энергетических и информационных воздействий. При энергетическом (тепловом) воздействии происходит превращение электромагнитной энергии в тепловую, вызывающую какие-либо биологические эффекты. При малых или сверхмалых плотностях мощности электромагнитной волны естественно возникает микронагрев тканей, при котором увеличение температуры облучаемого участка биологического объекта не превышает величину 0.10 [4, 17–22, 24], который имеет место при воздействии любой электромагнитной волны. Этот микронагрев не считается физиологически значи27 мым [22, 23, 25], а механизм воздействия на биологический объект определяется другими физическими процессами. В данном случае уместно говорить об информационном действии электромагнитных полей на биологические объекты [4, 17]. В этом случае ответная реакция организма не может быть объяснена термическим эффектом. Среди эффектов, наблюдаемых при воздействии ЭМИ низких интенсивностей, выделяют кумуляцию, стимуляцию и сенсибилизацию, возникающие как следствие способности сложных систем накапливать тепловое и информационное воздействие [26]. Кумуляция приводит к тому, что при воздействии прерывистого облучения суммарный эффект накапливается и зависит от величины эффекта с самого начала воздействия; при перерывах в воздействии увеличивается общее время облучения, необходимое для появления данного эффекта. Сенсибилизация заключается в повышении чувствительности организма после слабого радиооблучения к последующим воздействиям (в опытах на СВЧ к значительно более мощным облучениям, вблизи летального порога). Стимуляция – улучшение под влиянием поля общего состояния организма или чувствительности отдельных его органов. Например, на притепловых энергиях наблюдается стимулирующее действие микроволн: улучшение чувствительности глаз человека, адаптированных к темноте; на более высоких интенсивностях этот эффект не отмечается [26]. Биологические эффекты электромагнитных полей при интенсивностях ниже тепловых порогов проявляются на высоких и особенно сверхвысоких частотах, т.е. в области микроволн. Перечислим основные физические особенности и свойства микроволн, которые отличают их от колебаний смежных участков спектра [6]. 1. На сверхвысоких частотах длина волны соизмерима с линейными размерами физических тел. Геометрические размеры аппаратуры, в том 28 числе и антенн, также оказываются соизмеримыми с длиной волны и могут значительно превышать ее. Поэтому волны диапазона СВЧ обладают квазиоптическими свойствами, т. е. по характеру распространения приближаются к волнам оптического (видимого) диапазона. Наряду с этим принципы работы СВЧ устройств в значительной мере определяются явлениями дифракции и не могут быть описаны непосредственно законами геометрической оптики, а также законами обычных электрических цепей. Квазиоптические свойства особенно ценны для направленной передачи сигналов, а также для определения координат объектов. Именно это обстоятельство дало первый толчок к широкому применению сверхвысоких частот в радиолокационной технике. 2. В отличие от более длинных радиоволн и инфракрасных излучений, волны СВЧ, особенно на участке между 100 МГц и 10 ГГц, почти беспрепятственно проникают сквозь ионизированные слои, окружающие Землю, а также сквозь атмосферу. Существование широкого окна прозрачности в диапазоне сверхвысоких частот дает возможность, с одной стороны, исследовать мировое пространство радиоастрономическими методами, используя СВЧ излучение Солнца, звезд и других космических тел. С другой стороны, это свойство, в сочетании с острой направленностью излучения, делает диапазон СВЧ незаменимым для развития космических исследований, в том числе для обмена информацией между Землей и космическими устройствами. 3. Величина кванта энергии, соответствующая диапазону СВЧ, соизмерима с разностью энергий близко расположенных энергетических уровней атомов и молекул. Поэтому сверхвысокочастотные электромагнитные колебания, в особенности колебания, лежащие в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, обладают способностью резонансного энергетического взаимодействия с веществом. Это обстоятельство широко используется при анализе строения вещества методами 29 СВЧ-радиоспектроскопии. Помимо решения специфических научных проблем, это направление, в свою очередь, оказывает сильное влияние на развитие техники СВЧ. Использование резонансного взаимодействия СВЧ колебаний с атомами и молекулами привело к разработке принципиально новых устройств – квантовых молекулярных усилителей и генераторов и к развитию квантовой электроники. 4. Период сверхвысокочастотных колебаний соизмерим со временем пролета электронов в междуэлектродном пространстве электровакуумных приборов, имеющим порядок 10-8–10-9 с, и часто оказывается значительно меньше времени пролета. Связанные с этим пролетные явления делают, как правило, невозможной работу «обычных» электровакуумных приборов на СВЧ. Вместо «классических» электронных ламп в диапазоне сверхвысоких частот разработаны и непрерывно совершенствуются специальные типы приборов, основанные на полезном использовании инерции электронов, – клистроны, магнетроны, лампы бегущей и обратной волны, платинотроны и др. Стремительное развитие электроники СВЧ лежит в основе успехов, достигнутых во всех отраслях техники сверхвысоких частот. 5. В диапазоне СВЧ можно разместить значительно большее число каналов связи, чем на более низких частотах. Например, нетрудно видеть, что даже узкая полоса частот в 1 % при средней частоте 10 ГГц (длина волны 3 см) позволяет в принципе разместить столько же независимых каналов, сколько их имеется во всем диапазоне от сверхдлинных до ультракоротких волн длиною 3 м. Большая информационная емкость СВЧ диапазона позволяет осуществлять многоканальную телефонную и телевизионную связь, в особенности на сантиметровых, миллиметровых и, возможно, на субмиллиметровых волнах. Создание квантовых генераторов и усилителей оптического диапазона (лазеров) дает возможность еще более повысить информационную емкость каналов связи с непосредственным использованием методов и аппаратуры СВЧ-диапазона. 30 Специфические свойства микроволн особенно сильно проявляются на волнах короче 1 м. Поэтому к микроволнам часто относят только дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые волны [6]. Предполагается, что при воздействии микроволн низкой интенсивности на биологические системы протекают следующие микропроцессы. Первый такой процесс состоит в том, что частицы тканей, например эритроциты и лейкоциты крови, выстраиваются в цепочки, вытянутые параллельно электрическим силовым линиям, вследствие чего структура и функции тканей изменяются. Второй процесс определяется как поляризация боковых цепей макромолекул тканей и ориентация их параллельно электрическим силовым линиям, что может приводить к разрыву внутри- и межмолекулярных связей, к коагуляции молекул и изменению их свойств. Третий процесс, обусловленный действием сил Лоренца, состоит в том, что положительные и отрицательные ионы в тканях – электролитах перемещаются перпендикулярно электрическим линия, в результате этого нарушаются химический состав и электрическое равновесие тканей. Четвертый процесс – резонансное поглощение энергии поля. Отмечено, что нетепловое действие проявляется при весьма незначительных интенсивностях облучения и с возрастанием интенсивности биологический эффект не увеличивается. Нетепловое действие электромагнитных полей проявляется и при интенсивности, выше тепловых порогов. Об этом говорит, в частности, тот факт, что при одинаковом количестве тепла, образуемого в поверхностных тканях животного, сантиметровые и миллиметровые волны действуют значительно сильнее, чем инфракрасное излучение: температура облучаемого участка тела в целом повышается на большую величину. 31 2.3. Закономерности воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты В [21] приведен ряд основных экспериментально установленных закономерностей и особенностей биологических эффектов ЭМИ КВЧдиапазона нетепловой интенсивности на организмы. 1. Биологические эффекты электромагнитного излучения практически не зависят от его интенсивности, начиная с некоторой, обычно небольшой пороговой величины и вплоть до интенсивностей, когда становится заметным нагрев тканей. 2. Характерной особенностью воздействия ЭМИ на организмы является его «резонансный» характер – биологический эффект наблюдается в узких интервалах частот ЭМИ, причем нередко существует несколько близкорасположенных, но не перекрывающихся интервалов (полос), которым соответствует одинаковый или близкий биологический эффект. 3. Относительная ширина этих активных частотных полос весьма мала – не превышает единиц процентов, а чаще составляет десятые и сотые доли процента. Не исключено, что при повышении разрешающей способности аппаратуры удастся надежно разрешить и еще более узкие полосы. 4. Резонансные частоты весьма устойчивы – если используется один и тот же биологический тест воздействия на определенный объект, находящийся в определенной фазе своего развития, резонансные частоты заметно не меняются ни от экземпляра к экземпляру, ни от опыта к опыту. 5. Биологический эффект, не исчезающий после прекращения облучения, проявляется лишь при достаточно длительном воздействии ЭМИ, например, в миллиметровом диапазоне необходимая длительность облучения для организмов с любой сложностью организации составляет 32 около 1 часа. В некоторых случаях для повышения существенного эффекта требуется проведение нескольких сеансов облучения или нескольких циклов, состоящих из нескольких сеансов. 6. При амплитудной и частотной модуляции электромагнитного излучения биологический эффект может сохраняться (а в некоторых режимах при частотной модуляции – даже несколько возрастать), хотя средняя мощность электромагнитного излучения снижается значительно ниже того уровня, когда еще наблюдается биологическая реакция при непрерывном облучении. 7. Наблюдается «запоминание» организмом воздействий ЭМИ на более или менее длительное время. 8. В ряде случаев воздействие ЭМИ непосредственно не проявляется (по крайней мере, на выбранном биологическом тесте), но сказывается на чувствительности организма к какому-либо иному фактору (химическим препаратам, ионизирующим излучениям и др.), причем эти воздействия могут быть разнесены во времени. 9. При облучении животного достаточно большого размера, когда ЭМИ может быть сосредоточено на отдельных участках поверхности его тела, приблизительно одинаковый эффект может быть получен при облучении различных участков, причем сами эти участки не обязательно должны быть расположены в окрестности органа, в деятельности которого это воздействие проявляется. 10. В тех случаях, когда воздействие ЭМИ на организм являются положительными (содействующими жизнедеятельности, в противоположность отрицательным воздействиям, приводящим к ее подавлению), они эффективно противодействуют процессам, нарушающим нормальную работу организма, однако вызвать с помощью этих воздействий значительное усиление общей активности тех или иных систем сверх 33 предельных возможностей, характерных для их нормальной работы, как правило, не удается [21]. В последние годы основное внимание исследователей было уделено крайне высокочастотному диапазону (исследования биологических эффектов ЭМП КВЧ диапазона были начаты академиком Н. Д. Девятковым и профессором М. Б. Голантом, в настоящее время исследования продолжаются под руководством профессора О. В. Бецкого) как наиболее перспективному для терапевтических и диагностических целей [17, 23, 27–29]. Однако синхронизация колебаний и связанное с ней информационное взаимодействие ЭМИ с биосистемами возможны также в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. При этом следует учитывать наличие определенного энергетического порога информационного воздействия ЭМИ на организм [5]. В прил. 1 приведены наиболее важные с точки зрения биологии и медицины эффекты электромагнитного излучения на молекулярном и клеточном уровнях, а также на уровне целого организма. 34 3. МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 3.1. Роль воды в реализации биологических эффектов электромагнитных излучений В [30–32] представлены основные свойства молекулы воды: 1. Электроны в молекуле Н2O распределены не сферически симметрично, что определяет форму молекулы, большую величину дипольного момента и квадрупольный момент молекулы. 2. Дипольный момент у молекулы Н2O оказывается наибольшим среди гомологических2 молекул. 3. Электронная поляризуемость молекулы Н2O велика и анизотропна. 4. Размеры и форма молекулы Н2O сильно зависят от состояния колебательного, вращательного и электронного возбуждения молекулы. 5. Одновременная деформация угла и длины связи молекулы оказывается энергетически более выгодной, чем деформация только угла или только длины связи молекулы. 6. Молекула Н2O обладает максимальной энергией связи среди гомологичных молекул, наименьшим размером, наибольшим дипольным моментом, наиболее высокими нормальными частотами колебаний, частотами вращений и частотами электронных возбуждений. 7. На атомах молекулы Н2O сосредоточен наибольший среди гомологов эффективный заряд. 8. Амплитуды атомных колебаний свободной молекулы Н2O велики и не зависят от температуры. ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД в химии – последовательность органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, каждый член которой отличается от соседнего на постоянную структурную единицу (гомологическая разность), обычно метиленовую группу CН2. Члены гомологического ряда называются гомологами. 35 2 Несмотря на то, что вода – вещество, принятое в качестве эталона меры плотности, объема и т. д. для других веществ, однако сама вода является наиболее аномальным среди них [30]. Перечисленные выше свойства молекулы воды приводят к тому, что поведение воды (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение схоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. Итак, у свойств воды много аномалий: вода Н2O – жидкость, несмотря на то, что сходные (и более тяжелые) соединения (например, Н2S и Н2Se) – газы; плотности; сжимаемости; теплоемкости; дисперсии; рассеяния световых волн; зависимости точки кипения и замерзания (плавления) от температуры и давления и др. Перечисленные аномалии воды объясняются квантовомеханическими свойствами ее молекулы [30–32]. Вода – основа жизни: именно в водной среде макромолекулы благодаря существованию пространственно направленных сил взаимодействия (водородных связей) обретает необходимую конформацию и способность выполнять свои строго дифференцированные биологические функции [32]. Вода и водные растворы играют ключевую роль в биофизических механизмах воздействия низкоинтенсивных электромагнитных полей на биологические системы [30]. Кратко остановимся на описании некоторых установленных эффектах при воздействии ЭМИ на воду и водные растворы. При исследовании эффекта возбуждения объемных молекулярных волн миллиметровыми волнами в воде и водосодержащих средах (СПЕэффект) эксперимент заключался в следующем: водосодержащая среда облучалась ЭМИ миллиметрового диапазона с помощью рупорной антенны. Отклик системы на воздействие миллиметровых волн регистрировался в дециметровом диапазоне с помощью радиометра. Для исключения влияния 36 внешних помех экспериментальная установка помещалась в экранированную камеру. В отсутствие зондирующего сигнала радиометр надежно регистрировал собственный тепловой шум системы. Превышение излучения системы над тепловым шумом наблюдалось только в узких полосах частот. Важно то, что появление квазирезонансных откликов имело место только при очень малых значениях плотности мощности зондирующего сигнала (~0,01–10 мкВт/см2). При меньших значениях мощности эффект отсутствовал, а при больших значениях спектрограмма размывалась и имела шумоподобный характер. Установлено, что в основе СПЕ-эффекта лежит собственное излучение некоторых молекулярных осцилляторов в водной среде [30]. Вода обладает «памятью» при воздействии на нее миллиметровыми волнами. Вода «помнит» факт облучения и после выключения генератора выполняет функцию генератора ММ-волн в течение продолжительного времени (до нескольких недель). Эффект «памяти» воды возникает при облучении ММ-волнами слабой интенсивности порядка единиц – десятков мкВт/см2 [30]. Существуют экспериментальные данные о том, что воздействие теплового излучения руки оператора на микроорганизмы в водной среде приводит к значимым биологическим эффектам. Установлено, что электрическая проводимость воды при ее нагреве до одной и той же температуры значительно выше при воздействии ладони оператора, чем в случае нагрева электроприбором. Кроме этого, показано, что охлаждение воды до первоначальной температуры после воздействия оператора не приводит к исходному значению электропроводности. Динамика изменения электропроводности свидетельствует о наличии эффекта «памяти» воды. Эта «память» исчезает, если воду нагреть электроприбором [30]. 37 3.2. Подходы к построению модели воздействия СВЧ-излучения низкой интенсивности на биологические объекты Существуют разные гипотезы, предположения и модели, описывающие взаимодействие ЭМИ с биологическими объектами. Но большинство из них представляют собой качественное описание наблюдаемого в эксперименте явления с попыткой словесно объяснить это явление без определения физических механизмов воздействия. Есть и модели, которые пользуются математическим аппаратом, но они, как правило, не учитывают большое количество параметров внешней окружающей среды. Резонансный характер отклика биологического объекта на электромагнитное излучение низкой интенсивности затрудняет объяснение наблюдаемых в экспериментах эффектов. Эта трудность обусловлена, в частности, наличием в биологических объектах различных механизмов диссипации энергии; немаловажное значение имеет также то обстоятельство, что квант излучения в этом диапазоне hν<<kT. Один из физических механизмов, объясняющий резонансное запасание энергии при облучении электромагнитными волнами миллиметрового диапазона при высоких значениях добротности, принадлежит Г. Фрелиху [4, 17, 18, 20]. Сущность этого механизма заключается в следующем. Многие биологические системы имеют спектр поляризационных (дипольных) колебаний в диапазоне 1011–1012 Гц (λ= 3–0,3 мм). Различные процессы жизнедеятельности в биологических клетках сообщают энергию локально-возбужденным дипольным колебаниям (биологическая накачка). Благодаря существованию дальнодействующих кулоновских взаимодействий эта энергия передается и другим диполям. Нелинейные эффекты взаимодействия поляризационных колебаний и нелинейная связь этих колебаний с упругими колебаниями могут переводить систему в метастабильное состояние, в котором энергия трансформируется в энергию одного вида колебания. Под действием внешнего электромагнитного излучения мета38 стабильное состояние переходит в основное состояние, соответствующее сильному возбуждению одного вида дипольного колебания [18, 20]. Возникает так называемый «гигантский диполь», который является частным случаем когерентного состояния биологического объекта, характеризующегося согласованным направлением векторов дипольных моментов. Модель предполагает, что подобные колебания охватывают участки биологических мембран или части биомакромолекул (белок, ДНК и др.). Такое состояние является одноквантовым и оно напоминает низкотемпературную конденсацию Бозе – газа [4, 17, 18, 20]. Когерентное возбуждение подобного состояния может, в соответствии с представлениями Г. Фрелиха, привести к значительным биологическим последствиям (конформационные изменения, избирательное притяжение молекул, раскрытые секции комплексов ДНК и др.). Такое когерентное состояние реализуется при превышении энергии внешнего электромагнитного поля Eν некоторого критического значения Eкр; при Eν>Eкр имеет место избирательное резонансное поглощение излучения (т.е. энергия запасается в упорядоченной форме, причем количество энергии на этом виде колебаний становится выше, чем в состоянии теплового равновесия); при Eν<Eкр поглощение вызывает нагрев образца (поглощение энергии происходит с участием многих видов поляризационных колебаний) [20]. В соответствии с гипотезой «белок-машина» российских физиков Д. С. Чернавского, Ю. И. Хургина и С. Э. Шноля, возможно запасание электромагнитной энергии в форме напряженного механического метастабильного состояния биомакромолекулы, которое является частным случаем когерентного состояния. Этими учеными доказано, что в глобулярных белках «когерентное возбуждение» по модели Фрелиха маловероятно [4, 17]. Описанные модели отличаются друг от друга в основном формой запасания энергии. Главное, что их объединяет, – это положение о сущест39 вовании в биологических структурах выделенной степени свободы, которая имеет механический характер и на которой может запасаться энергия, а сама выделенная степень свободы выполняет важную функциональную роль в биологических процессах. Этим, в частности, живые (термодинамически неравновесные) системы отличаются от неживых. Энергия излучения может трансформироваться в энергию полярных молекул, связанную с вращательными степенями свободы. Роль таких аккумуляторов энергии могут играть полярные молекулы воды [17]. Вода выполняет исключительно важные функции в жизнедеятельности биологических объектов. Например, плоский слой воды толщиной всего 1 мм ослабляет излучение при длине волны λ = 8 мм в 100 раз (на 20 дБ), а при λ=2 мм – уже в 104 раз (40 дБ) [4, 17, 18, 20, 32]. Поэтому излучение миллиметрового диапазона нагревает различные вещества практически лишь в тонком приповерхностном слое с большим градиентом температур. В водных растворах различных веществ поглощение энергии также будет определяться молекулами воды, и иметь локальный характер, определяемый как количеством молекул воды в растворе, так и взаимодействием их с другими молекулами. Такой избирательный микронагрев вещества может приводить к биологически значимым эффектам даже при малых мощностях излучения, когда интегральный нагрев незначителен и несущественен [17]. Существует еще одна идея о возможном механизме воздействия миллиметрового излучения низкой интенсивности на биологические среды, сформулированная Н. Д. Девятковым, М. Б. Голантом, А. С. Тагером и изложенная в [21]. Сущность этой идеи заключается в синхронизации электромеханических автоколебаний клеточных субструктур внешним излучением, что ведет к появлению информационных сигналов, воздействующих на регуляторные системы организма. Исходным является предположение о том, что в организме и при от40 сутствии внешнего воздействия все или некоторая часть колебательных степеней свободы определенных биоструктур находятся в режиме автоколебаний, поддерживаемом энергией метаболизма. Действие внешнего электромагнитного излучения связано не с возбуждением автоколебаний в биоструктурах, а с изменением тех или иных характеристик уже существующих в организме автоколебаний, в частности, с изменением их спектра. Любая биоструктура (молекулы белка, участки клеточных мембран и т.п.) представляет собой с колебательной точки зрения нелинейную систему с большим числом степеней свободы. Временные и спектральные характеристики автоколебаний в таких системах, как и их реакции на внешнее воздействие, могут быть весьма сложными и разнообразными. Чтобы разобраться в закономерностях такого воздействия, целесообразно, по возможности, исходить из простых моделей. Допустим, например, что автоколебания на СВЧ возникают в участках липидного остова мембраны, отделенных друг от друга крупными белковыми молекулами. Таких участков на всей поверхности мембраны, площадь которой для одной клетки составляет несколько квадратных микрон, может быть множество. Близким по структуре участкам мембран данной клетки или соседних с ней идентичных клеток соответствуют наборы нормальных колебаний с почти идентичным спектром. Поскольку различные участки мембран взаимодействуют между собой (в частности, благодаря значительным дипольным электрическим моментам), между нормальными колебаниями с близкими частотами существует слабая связь. Простейшей моделью такой структуры может служить совокупность большого числа элементарных автогенераторов (осцилляторов), слабо связанных между собой. Всю совокупность можно разбить на несколько групп, в каждой из которых, соответствующей одному из нормальных колебаний, автогенераторы почти идентичны. Взаимодействие между автогенераторами различных групп, если их частоты не находятся в 41 рациональном отношении друг к другу, пренебрежимо мало. В пределах каждой группы отдельные автогенераторы либо колеблются независимо друг от друга, если связь между ними слаба, а расстройка их собственных частот слишком велика, либо при достаточно близких частотах автоколебаний имеет место их взаимная синхронизация. В первом случае фазы колебаний различных осцилляторов распределены хаотически между –π и +π, так, что среднее значение суммы фаз всех автоколебаний близко к нулю. Во втором случае можно выделить два основных режима – синфазный, при котором все взаимно синхронизированные автогенераторы колеблются с одной частотой синфазно, и противофазный, при котором частоты автоколебаний также одинаковы, а фазы колебаний большинства автогенераторов распределены между –π и +π более или менее равномерно, так что сумма всех фаз близка к нулю. Установление того или иного из этих режимов зависит от степени идентичности автогенераторов, их нелинейных характеристик и типа связи между ними. Как правило, при взаимной синхронизации большого числа слегка различающихся между собой автогенераторов устанавливается противофазный режим. С другой стороны, взаимной синхронизации автоколебаний отдельных элементов структуры препятствует быстрое ослабление с расстоянием связей между элементами, что приводит к локализации синхронных режимов в небольших участках структуры (так называемых «кластерах»), между которыми синхронизация отсутствует. Таким образом, как в отсутствии, так и при наличии взаимной синхронизации, автоколебания в различных участках структуры происходят так, что среднее значение суммы фаз всех автоколебаний близко к нулю. Соответственно близок к нулю и макроскопический – средний по большому числу однотипных участков эффект таких колебаний – они оказывают минимальное воздействие на другие клеточные структуры и не загружают информационную систему организма. 42 Ситуация, однако, может существенно измениться при воздействии на клетки внешнего электромагнитного поля. Если частота внешнего воздействия приблизится достаточно близко к частоте автоколебаний одной из упомянутых групп почти идентичных осцилляторов (или к гармоникам и субгармоникам этой частоты), произойдет «захват» (синхронизация) автоколебаний внешним сигналом. Центр полосы синхронизации определяется средневзвешенной величиной парциальных частот осцилляторов данной группы и мало зависит от отклонений парциальных частот отдельных осцилляторов. Если система связанных осцилляторов имеет несколько устойчивых автоколебательных состояний с различными частотами, то слабый внешний сигнал может синхронизировать автоколебания на нескольких близких частотах. Синхронизация сопровождается фазировкой колебаний всех элементарных автогенераторов – фазы этих колебаний будут совпадать с фазой внешнего сигнала в данном участке структуры. Такие синфазные колебания идентичных участков клеточных мембран могут приводить к различным макроскопическим эффектам (например, к возбуждению электромагнитных или электроакустических волн в окружающей среде) и служить информационным сигналом для регуляторных систем организма. Для любой из упомянутых выше групп автогенераторов может существовать целый набор резонансных частот, на которых воздействие внешнего сигнала приводит к одному и тому же или близким биологическим эффектам. Поскольку другие биоструктуры или структурно отличные участки мембран имеют свой спектр автоколебаний, могут наблюдаться и другие наборы частот, на которых внешний сигнал вызывает иные биологические эффекты. Аналогичная ситуация может иметь место при синхронизации на гармониках или субгармониках частот автоколебаний. Характерной особенностью явления синхронизации автоколебаний является малая мощность требуемого для синхронизации внешнего сигна43 ла, пороговое значение которого зависит от уровня шумов в системе и разброса парциальных частот отдельных автогенераторов. Для реальных биологических объектов величина порога, естественно, зависит и от глубины расположения резонирующих структур относительно поверхности, подвергаемой электромагнитному облучению, и от интенсивности поглощения электромагнитных волн в приповерхностно расположенных тканях. Увеличение мощности внешнего сигнала над порогом не вносит качественных изменений в характер синхронизированных колебаний. Хотя синхронизация – отнюдь не единственный эффект, которым может сопровождаться воздействие внешнего гармонического сигнала на сложную автоколебательную систему, представляется, что именно синхронизация наиболее естественно объясняет резонансное действие СВЧизлучения на живые объекты. При этом считают, что необходимость в возбуждении информационных сигналов, вызывающих изменение работы тех или иных систем организма появляется лишь в случае, когда требуется приспособление организма к изменившимся условиям (например, к внешним воздействиям). В обычном состоянии автоколебательные (или автоволновые) процессы в различных участках живой структуры расфазированы и создают лишь некоторый шумовой фон. При изменении условий существования или при резонансном воздействии внешнего излучения происходит фазировка этих автоколебаний, вызывающая появление информационного сигнала, воздействующего на информационные или регулирующие системы организма. Фазировка колебаний при синхронизации может, по-видимому, сопровождаться конформационными перестройками клеточных структур, например отдельных участков мембран, так как, автоколебания могут влиять на устойчивость конформаций последних подобно тому, как это имеет место для механических систем. Эквивалентность (по биологическому эффекту) прерывистого ЭМИ непрерывному можно понять, если допустить, 44 что новая конформация, вызванная ЭМИ, метастабильна. При частоте пульсаций ЭМИ, превышающей обратное время релаксации этой метастабильной конформации, его биологический эффект будет таким же, как при непрерывном ЭМИ, хотя «чистое» время воздействия ЭМИ в первом случае может быть значительно меньшим. Фиксация новых конформаций, происходящая с участием метаболических процессов в клетках, может объяснить эффект запоминания организмом длительного воздействия ЭМИ. Устойчивое изменение клеточных структур может, в свою очередь, определить и изменение характера реакции организма на внешние воздействия. Можно предположить, что автоколебания участков мембран в клетках организма являются не только средством передачи информации, но что их роль значительно шире. В частности, автоколебания, даже не синхронные, могут оказывать существенное влияние на ионный и молекулярный транспорт через мембраны. Колеблющийся участок мембраны играет при этом роль насоса, механизм действия которого основан на вибрационном перемещении частиц (в среднем в определенном направлении) под действием периодических (в среднем ненаправленных) сил. На разных участках мембраны, в зависимости от их структуры, одни и те же колебания могут способствовать перемещению одних молекул внутрь клетки, а других – наружу. Синхронизация автоколебаний элементов мембран может существенно повлиять на процессы мембранного транспорта и, следовательно, на свойства и жизнедеятельность клеток [21]. Обсуждая вопрос о механизмах диссипации энергии в биологических объектах, необходимо упомянуть о распространении солитонов. Применительно к биологическим объектам солитонный механизм передачи энергии плодотворно развивает А. С. Давыдов. Он обратил внимание на то, что в белковых молекулах можно выделить структуры, вдоль которых энергия может распространяться практически без потерь в виде солитонов. Инте45 ресно отметить, что возбуждению солитонов сопутствует появление когерентных состояний по Фрелиху. Такое неожиданное сопоставление (отождествление) различных, казалось бы, теоретических представлений о солитонах и когерентном состоянии в биологических объектах может способствовать дальнейшему прогрессу в объяснении физических механизмов, лежащих в основе биологических эффектов [20]. Исходя из всего вышесказанного, а также из анализа литературы, посвященной описанию исследований воздействия ЭМИ на биологические объекты, можно сделать вывод, что процесс воздействия неионизирующего излучения на организмы является многофакторным и включает в себя различные явления, происходящие на всех уровнях организации живых систем (клеточном, тканевом и т. д.). Полностью изучить и описать проблему воздействия ЭМП на биологическое вещество – значит, предложить механизмы и построить модели воздействия поля на каждом уровне организации. Моделирование воздействия СВЧ-излучения на биологические объекты представляет собой весьма сложную задачу. Это связано как с трудностями, связанными с описанием самого процесса передачи информации о низкоинтенсивном воздействии электромагнитного излучения (ЭМИ) на объект, так и с точным описанием реакции биообъекта на это воздействие. Очень сложно объективно оценить описание реакции организма на ЭМИ, поскольку имеется в наличии много сопутствующих факторов, искажающих картину. Из них, прежде всего, следует отметить невозможность экранировки объекта от окружающей среды, наличие в которой электромагнитных волн данного диапазона вполне вероятно. И, наконец, отсутствуют достоверные результаты эксперимента (даже при статистической обработке) о том, что же, прежде всего, реагирует на ЭМИ. Поэтому приходится предполагать, пользуясь известными сведениями [33], что основную нагрузку несут клетки, и, исходя из этого, и конструировать модель воздей46 ствия СВЧ-излучения. Многие исследователи [34, 35], например, занимались в свое время изучением изменения проницаемости мембран для различных веществ и ионного транспорта под действием внешнего электромагнитного излучения, а также исследованием биологических эффектов постоянных и переменных магнитных полей [36]. Если рассматривать влияние ЭМП на организм в целом, то наиболее приемлемым для этого представляется подход, заключающийся в описании наблюдаемых явлений с помощью положений неравновесной термодинамики [16, 37–39], не требующий знаний о структуре объекта и рассматривающий его как некий «черный макропараметрами. 47 ящик» с заданными 4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМИ СВЧ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Исследования процессов взаимодействия электромагнитного излучения с биологическими системами подтвердили надежность основных закономерностей, полученных ранее и впервые сформулированных академиком РАН Н. Д. Девятковым. Одной их этих зависимостей является пороговый (скачкообразный) характер начала процесса при достижении определенного значения величины мощности поглощенного излучения и быстрый выход на насыщение. Одним из оправданных подходов, используемых для описания процесса воздействия электромагнитного поля на биологические системы без учета структуры последних, является подход, основывающийся на принципах неравновесной термодинамики, развиваемый Ю. П. Чуковой в работах [16, 37–39]. Данная модель позволяет на основании заданных параметров вычислить пороговый уровень мощности (потока мощности), при котором начинает фиксироваться ответная реакция биологического объекта. • S i ;T • • • W L; S L • W a;S a • • U p;S p • • Открытая U r;Sr система • • Q; Q T Рис. 4.1. Схематическое представление открытой системы 48 В термодинамической модели, описывающей процесс взаимодействия радиоизлучения с веществом методом Ландау – Вайнштейна, биологический объект рассматривается как термодинамически открытая система (рис. 4.1), которая обменивается с окружающей средой энергией и массой. Здесь Ur – внутренняя энергия подводимых к системе реагентов; Up – энергия отводимых продуктов; Wa – поглощенная энергия электромагнитного излучения; Wl – переизлученная объектом энергия; Q – количество теплоты, отдаваемое объектом в окружающую среду. Соответствующие потоки энергии будем обозначать с помощью точки над буквенным обозначением соответствующей энергии. Поглощая и отдавая все вышеперечисленные потоки энергии, система поглощает и отдает соответствующие им потоки энтропии, которые мы обозначим в соответствии с последовательностью введенных выше пото• • • • • ков энергии S r , S p , S a , S L , Q T . Как показывают эксперименты, при воздействии на биологическую систему СВЧ-излучения, величина измеряемого эффекта сначала возрастает со временем, а затем выходит на некоторый уровень постоянства, что является индикатором стационарного состояния системы. Для системы, находящейся в стационарном состоянии, кроме закона сохранения энергии (I закон термодинамики) • • • • • U r −U p + W a −W L − Q = 0 , (4.1) может быть записано еще и уравнение баланса энтропии системы • • • • • • Sr − S p + Sa − SL − Q T + Si = 0 . (4.2) Видно, что в уравнении (4.2) по сравнению с уравнением (4.1) имеется до• полнительный положительный член S i , который был впервые введен в рассмотрение И. Пригожиным и назван скоростью генерации (производства) энтропии в системе вследствие необратимости протекающих процессов. Следует подчеркнуть, что соотношение (4.2) не является вторым зако49 ном термодинамики. Второй закон термодинамики в формулировке Пригожина дается соотношением • (4.3) Si ≥ 0 со знаком равенства для обратимых и знаком неравенства для необрати• мых процессов. Следует отметить, что случай S i = 0 на практике не встречается. Выразив Q из (4.1) и подставив его в (4.2), получаем • • • • • • • • • U p −U r + W L −W a = T S L + S p − S a − S r − S i . (4.4) Это уравнение может быть проанализировано с нескольких позиций. В соответствии с экспериментами, в которых температура биосистем при взаимодействии с СВЧ-излучением сохраняется постоянной, интересно рассмотреть характеристики (4.4) для изотермического процесса. Как известно, для изотермических процессов наибольший интерес представляет термодинамический потенциал свободной энергии F, которая может быть выражена через внутреннюю энергию U и связанную энергию TS: F=U – TS. (4.5) С учетом (4.5) соотношение (4.4) может быть преобразовано к виду • • • • • • • F p − F r +W L = W a + T S L − Sa − Si . (4.6) Любая система, в которой происходит преобразование энергии, может быть охарактеризована коэффициентами полезного действия (КПД). В данном случае полезно ввести два КПД: η и ηL . КПД з преобразования энергии электромагнитного излучения в свободную энергию Гельмгольца вводится как отношение изменения свободной энергии продуктов по сравнению со свободной энергией реагентов к энергии поглощенного излучения, вызвавшего это изменение, т. е. 50 • • • • U p − T S p − U r − T S r F p− F r η≡ = • • Wa Wa • • (4.7) и характеризует производство свободной энергии системой. КПД люминесценции, который часто называют энергетическим выходом люминесценции, определяется согласно выражению • • ηL ≡ W L W a . (4.8) • Разделив все члены уравнения (4.6) на W a , получаем соотношение • • • T S L − Sа − Si , η+ ηL = 1+ • Wa (4.9) которое наиболее полным образом характеризует изотермические процессы в открытой системе, взаимодействующей с электромагнитным излучением. Люминесцентное излучение является спутником далеко не всех • взаимодействий, поэтому положим S L = 0 и η L = 0 , тогда • • T Sа + Si . η= 1− • Wa (4.10) Как отмечено в [16], любое рассмотрение КПД процесса преобразования энергии в термодинамике начинается с рассмотрения термодинамического предела КПД, при котором необратимостью процесса пренебрегают. Такой КПД называется предельным КПД и обозначается η∗ . Для • предельного КПД (т. е. S i = 0 ) имеем • η = 1− * T Sa • Wa 51 . (4.11) Поскольку для большинства процессов взаимодействия СВЧ- излучения с веществом характерны узкие резонансы, то можно использовать квазимонохроматическое приближение, тогда • W a = ΕΔ , ν ν (4.12) где Eν – спектральная плотность поглощенного излучения. Для того чтобы иметь возможность получать численные значения предельного КПД, необходимо уметь вычислять энтропию электромагнитного излучения. М. Планком была получена следующая формула для расчета энтропии равновесного излучения Sν,T = 2k (1 + ρ) ln (1 + ρ ) − ρ ln ρ , c2 где ρ – функция распределения или среднее число квантов в квантовом состоянии, определяемая выражением ρ= 2πhν3 где ε ν,T = c2 1 e hν kT c 2 εν,T 2πhν3 , – закон, описывающий равновесное излучение во −1 всем диапазоне частот, предложенный М. Планком исходя их гипотезы квантов излучения. В области Вина (видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и γ-излучение) hν>>kT, а в области Рэлея – Джинса (все диапазоны радиочастотного излучения и крайне низкие частоты) соотношение обратное hν<<kT. При термодинамическом рассмотрении это деление соответствует разному значению ρ. В области Вина ρ<<1, а в области Рэлея-Джинса ρ>>1. Таким образом, формула (4.11) имеет разный вид для области Вина и области Рэлея – Джинса. Для области Вина 52 kT (1− lnρ) , hν (4.13а) 2πkTν2 η = 1− (1+ lnρ) . c 2 Eν (4.13б) η* = 1− а для области Рэлея – Джинса * Так как для данной работы интерес представляют электромагнитные излучения, принадлежащие области Рэлея – Джинса, то в дальнейшем будем рассматривать только выражение (4.13б). Таким образом, для квази• монохроматического неполяризованного излучения радиодиапазона S a может быть рассчитана по следующей формуле [39]: • Sa = 2πk 1 + ln ρν ) 2 ∆ν 2 ( c (4.14) * Теоретический вид зависимости η = fT ,ν=const ( Eν) , рассчитанной для частоты ν = 15.7 ГГц при температуре T= 293K, представлен на рис 3.2. Аналогичный вид имеет зависимость и для частоты 15.4 ГГц. Таким образом, если правильно определить понятие предельного коэффициента полезного действия по результатам эксперимента, можно произвести сопоставление теоретических данных и экспериментальных результатов. Для этого необходимо найти некоторую численно фиксируемую величину, характеризующую ответную реакцию биологического объекта на воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты. 53 Рис. 4.2. Зависимость предельного электронного КПД от спектральной плотности поглощенного излучения При определении зависимости ответной реакции семян злаковых культур от энергетической характеристики воздействующего электромагнитного излучения сантиметрового диапазона (Gν) численно фиксируемой величиной является число взошедших семян. Величиной, для которой приводятся все функциональные зависимости, является отношение N/N0, где N0 – число посаженых семян; N – число взошедших семян. Величина ∆N=N/N0 хотя и не является КПД в прямом смысле, но может рассматриваться как его характеристика. На рис. 4.3 приведены усредненные результаты исследования всхожести семян яровой пшеницы при различных величинах энергии облучения на частоте 15,7 ГГц, когда увеличение энергии, воздействующей на зерно, связано с изменением величины потока мощности при неизменном времени облучения семян. Сплошная линия показывает среднюю величину количества семян (в процентах), взошедших в контрольной партии (без облучения). 54 Рис. 4.3. Зависимость всхожести семян яровой пшеницы от потока энергии облучения ЭМП частотой 15,7 ГГц Для сравнения теории с экспериментом из графика, представленного на рис. 4.3, выбирается только та его часть, которая соответствует области, в которой число взошедших семян после облучения больше числа взошедших семян в контроле при тех же условиях, т.е. соответствует положительному (стимулирующему всхожесть) воздействию сверхвысокочастотного облучения (лежит в области выше сплошной линии). Поток электромагнитной энергии Π, при облучении которым число взошедших семян равно числу семян взошедших без облучения, определяется как аргумент точки пересечения горизонтальной прямой, выражающей среднее значение величины всхожести в контроле, и кривой, представляющей собой экспериментальную зависимость η* = fT ,ν=const (Gν) . Эта точка для данного эксперимента соответствует величине П ≈ 0.23 Дж см 2 . Считая в идеальном случае, что весь поток энергии поглощается объектом и что при облучении весь объем рабочей камеры плотно заполнен зерном, можно найти величину энергии W, поглощенную каждым отдельным зерном, и среднюю величину Wɺ мощности СВЧ-излучения, приходящуюся 55 на одно зерно. Эти величины равны W ≈ 2,3⋅10−2 Дж и Wɺ ≈ 1.28 ⋅ 10-5 Вт, соответственно. Из теоретического расчета следует, что на данной частоте величина спектральной плотности Gн = W ∆н составляет Gнтеор ≈ 6.40 ⋅10−12 Вт Гц , в то время как экспериментальные данные дают результат Gн ≈ 1.63 ⋅10−13 Вт Гц . По сдвигу между Gнтеор и Gн можно оценить величину, характеризующую скорость генерации энтропии вследствие необратимости процесса взаимодействия СВЧ - излучения с семенами злаковых культур, которая определяет степень отличия КПД реального преобразования энергии в исследуемом процессе от КПД идеального преобразователя, иначе говоря, характеризует потери энергии. В данном случае она составляет величину ∆Gн ≈ 6.24 ⋅10−12 Вт Гц . На рис. 4.4. приведены результаты исследования всхожести семян яровой пшеницы при различных величинах энергии облучения на частоте 15,4 ГГц. В отличие от предыдущего примера, в данном эксперименте изменение величины энергии облучения связано с увеличением времени облучения семян при неизменной величине потока мощности облучения. Произведя расчеты по данным этого эксперимента так же, как и в предыдущем случае, получаем следующие результаты: – поток электромагнитной энергии, при облучении которым число взошедших семян равно числу семян взошедших без облучения Π ≈ 0.59 Дж см 2 ; – энергия и мощность, приходящиеся на одно зерно W ≈ 5.9 ⋅10 −2 Дж и Wɺ ≈ 3,3 ⋅ 10−5 Вт, соответственно; – расчетная и экспериментальная величины спектральной плотности теор Gν ≈ 6.17 ⋅10−12 Вт Гц и Gν = W ≈ 4.29 ⋅10−13 Вт Гц ; ∆ν 56 – величина, характеризующая скорость генерации энтропии, равна ∆Gν≈ 5.74 ⋅10−12 Вт Гц . Рис. 4.4. Зависимость всхожести семян яровой пшеницы от потока энергии облучения ЭМП частотой 15,4 ГГц Из приведенных данных следует, что независимо от того, каким образом происходит увеличение количества поглощенной энергии – увеличением времени воздействия при неизменной величине потока мощности или путем возрастания величины потока мощности при неизменном времени облучения, результаты экспериментальных и теоретических исследований находятся в достаточно хорошем соответствии. Хотя, зависимости, приведенные на рис. 4.3 и 4.4, и имеют различные числовые значения, что можно объяснить невозможностью создания абсолютно одинаковых условий при проведении эксперимента, произвольностью выбора зерен и вероятностью неоднородного облучения их сверхвысокочастотной энергией, характер хода кривых в целом соответствует один другому, как и виду теоретических кривых (рис. 4.2), а числовые значения отличаются в разумных пределах. Таким образом, скорость генерации энтропии может выступать как один из важных критериев качества воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты (в данном случае – на зерно). 57 Следует отметить при этом, что в сверхвысокочастотном диапазоне, как и для диапазона крайне высоких частот, существует порог значений потока мощности, ниже которого даже при длительном времени воздействия, количество проросших семян находится в пределах данных контроля. Но при этом существует и порог по величине потока энергии, меньше которого даже при достаточно больших значениях потока мощности эффект повышения всхожести семян не наблюдается [40]. Данная теоретическая модель, очевидно, не является наилучшей с точки зрения предсказания тех энергетических характеристик сверхвысокочастотного электромагнитного поля, которые позволили бы на практике получать заданные значения всхожести семян, интенсивности роста и жизнестойкости сельскохозяйственных культур, поскольку она ориентирована на некоторую среднюю обобщенную термодинамическую систему, не учитывающую, например, таких факторов, как изменение окружающей среды (температуры, влажности, освещенности и т.п.) в процессе эксперимента, оказывающих достаточно большое влияние на прорастание зерна и рост растений, и ее можно применять лишь для общей оценки характера изменения поведения объекта. Однако даже такое ограниченное ее использование при наличии уверенных данных о среднестатистическом значении величины сдвига ∆Gν для каждого вида семян той или иной сельскохозяйственной культуры, когда ∆Gν будет выступать в роли поправки при определении энергетической характеристики электромагнитного СВЧ поля, позволит с определенной степенью вероятности предсказывать ряд результатов (всхожесть, интенсивность роста и жизнестойкость), которые могут быть достигнуты для семян конкретного растения при облучении сверхвысокочастотной энергией. 58 5. НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ РАДИОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА Проблема биологического действия и гигиенического нормирования электромагнитных полей (ЭМП) приобрела в последние годы особую актуальность. Это вызвано быстро расширяющимися сферами применения электромагнитной энергии, значительным увеличением числа лиц, систематически подвергающихся ее воздействию и возрастающими уровнями ЭМП, создающими все большую потенциальную опасность для здоровья широких слоев населения [41]. Исследования биологического действия ЭМП в СССР были впервые начаты в 50-е годы. Результаты этих исследований позволили впервые в мире разработать гигиенические нормативы для ЭМП. Установленные в этих нормативах предельно допустимые уровни (ПДУ) для населения были в несколько тысяч раз ниже, чем введенные впоследствии в США и странах Европы [42]. Различия в предельно допустимых уровнях ЭМП, установленных в СССР и других странах обусловлены различным методологическим подходом к его определению и критериями оценки биологического действия. В России (ранее – СССР) в качестве основного критерия определения ПДУ ЭМП принято положение о том, что воздействие ЭМП не должно вызывать у человека даже временного нарушения гомеостаза (включая репродуктивную функцию), а также напряжения защитных и адаптационнокомпенсаторных механизмов ни в ближайшем, ни в отдаленном периоде времени. При этом в качестве ПДУ принимается дробная величина от минимального уровня ЭМП, вызывающего какую-либо реакцию организма в определенных условиях облучения. В США и большинстве западноевропейских стран при обосновании ПДУ исходят из концепции о чисто тепловом механизме действия ЭМП (на этом механизме основан принцип рабо59 ты СВЧ-печей), основываясь при этом на порогах повреждающего действия наиболее чувствительных к повышению температуры органов. Таким образом, в зарубежных стандартах в качестве ПДУ, устанавливается уровень ЭМП превышение которого, вызывает регистрируемые неблагоприятные последствия для организма, умноженный на коэффициент надежности (разный для профессионалов и населения) [41, 42]. Например, в США в качестве безопасной плотности потока СВЧэнергии для человека в условиях постоянного облучения принята величина 10 мВт/см2, а в России эта величина составляет 10 мкВт/см2, т. е. в 1000 раз меньше того, что нормировалось в США. В других странах стандарты лежали в промежутке между этими двумя крайними стандартами. В такой ситуации возникают трудности непосредственного сравнения ПДУ ЭМП разных стран. Несоответствие национальных и международных норм безопасности приводит к тому, что сертифицированные в одной стране промышленные изделия часто не соответствуют санитарногигиеническим требованиям других стран [42]. В период с 1975 по 1985 гг. была сформирована советскоамериканская группа ученых, которая провела совместные биологические исследования, подтвердившие правильность концепции советских ученых. В результате нормативы в США были снижены. В 70-80-е годы в целях усовершенствования гигиенических нормативов в России был проведен комплекс экспериментальных исследований по влиянию ЭМИ в широком частотном диапазоне на различные системы организма и, прежде всего, нервную, иммунную, эндокринную и др. В последние годы, с широким внедрением бытовой электронной техники, в целях проведения профилактических мероприятий среди населения России и разработки средств защиты были начаты исследования с использованием реальных условий контакта населения с этими источниками ЭМП [42]. 60 Экспериментальные данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах. При относительно высоких уровнях облучающего ЭМП современная теория признает тепловой механизм воздействия. Поглощение ЭМП в тканях организма связано с преобразованием электромагнитной энергии в тепловую. Но заметный нагрев тканей возможен лишь при достаточно высоких напряженностях ЭМП – более 10 мВт/см2. Однако реакция живых организмов регистрируется при более низких интенсивностях ЭМП, которую нельзя объяснить с энергетических позиций. При относительно низком уровне ЭМП принято говорить об информационном воздействии. Понятие информационное воздействие означает формирование биологического эффекта за счет энергии самого организма, внешнее воздействие дает только толчок «информацию» для развития реакции организма [42]. Сложность в нормировании ЭМП связана с большим многообразием реакций организма на воздействие ЭМП. Биологические эффекты при этом могут проявляться в самой различной форме, начиная от еле заметных функциональных сдвигов и кончая ярко выраженными нарушениями, свидетельствующими о развитии патологии. Характерной особенностью возникающих при этом реакций организма является их быстрое восстановление после прекращения действия ЭМП. Этот диапазон интенсивностей можно отнести к 1-й зоне биологических эффектов. Ко 2-й зоне относятся интенсивности ЭМП, вызывающие развитие адаптивных (приспособительных) и кумулятивных (накопительных) процессов. Последние свидетельствуют о выраженной стадии нарушений в функционировании физиологических систем организма. Для 3-й зоны характерны такие интенсивности ЭМП, которые способны приводить к стойким патологическим изменениям [41]. Национальные системы стандартов являются основой для реализации принципов электромагнитной безопасности. Как правило, системы 61 стандартов включают в себя нормативы ограничивающие уровни электрических полей (ЭП), магнитных полей (МП) и электромагнитных полей (ЭМП) различных частотных диапазонов путем введения предельно допустимых уровней воздействия (ПДУ) для различных условий облучения и различных контингентов. В России система стандартов по электромагнитной безопасности складывается из Государственных стандартов (ГОСТ) и Санитарных правил и норм (СанПиН). Это взаимосвязанные документы, являющиеся обязательными для исполнения на всей территории России. Санитарные правила и нормы регламентируют гигиенические требования более подробно и в более конкретных ситуациях облучения. Как правило, санитарные нормы сопровождаются Методическими указаниями по проведению контроля электромагнитной обстановки и проведению защитных мероприятий. В зависимости от отношения подвергающегося воздействию ЭМП человека к источнику излучения в условиях производства в стандартах России различаются два вида воздействия: профессиональное и непрофессиональное. Для условий профессионального воздействия характерно многообразие режимов генерации и вариантов воздействия. ПДУ для профессионального и непрофессионального воздействия различны. В основе установления ПДУ лежит принцип пороговости вредного действия ЭМП. В качестве ПДУ ЭМП принимаются такие значения, которые при ежедневном облучении в свойственном для данного источника излучения режимах не вызывает у населения без ограничения пола и возраста заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в период облучения или в отдаленные сроки после его прекращения [43]. В зависимости от места нахождения человека относительно источника ЭМП он может подвергаться воздействию электрической или маг62 нитной составляющей поля или их сочетанию, а в случае пребывания в волновой зоне – воздействию сформированной ЭМВ. По этому признаку определяется необходимый критерий контроля безопасности. В связи с этим, в части требований ГОСТов и СанПиН по проведению контроля записано, что контроль уровней ЭП осуществляется по значению напряженности ЭП – Е, В/м; контроль уровней МП осуществляется по значению напряженности МП – Н, А/м или значению магнитной индукции – В, Тл; в зоне сформировавшейся волны контроль осуществляется по плотности потока энергии (ППЭ), Вт/м2 [42]. В настоящее время в России установлены самые жесткие в мире предельно допустимые уровни облучения населения ЭМИ радиочастотного диапазона, регламентируемые СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)» [44], СанПиН 2.2.4/2.1.8.989–00 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)». Изменение №1 к СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96 [45], а также СанПиН 2.2.4.1191–03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» [46]. 63 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Российская энциклопедия по охране труда : В 3 т. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2007. 2. Антонов, В. Ф. Биофизика : Учебник для вузов / под ред. проф. В. Ф. Антонова. – М. : Владос, 2000. – 288 с. 3. Терлецкий, Н. А. О пользе и вреде излучения для жизни (воздействие слабых высокочастотных электромагнитных полей на живые организмы в очерках о механизмах и возможных последствиях) / Н. А. Терлецкий. – М. : Эдиториал УРСС, 2001. – 68 с (Relata Refero). 4. Бецкий, О. В. Миллиметровые волны в биологии / О. В. Бецкий, М. Б. Голант, Н. Д. Девятков. – М. : Знание, 1988. – 64 с. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. Физика ; № 6). 5. Исмаилов, Э. Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений / Э. Ш. Исмаилов. – М. : Энергоатомиздат, 1987. – 143 с. 6. Лебедев, И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. I. Техника сверхвысоких частот : / учеб. для студентов вузов по специальности «Электронные приборы». – И. В. Лебедев ; под ред. акад. Н. Д. Девяткова. – М. : Высш. школа, 1970. – 440 с. 7. Григорьев, О. А. Электромагнитные поля и здоровье человека. Состояние проблемы / О. А. Григорьев // Энергия. – 1999. – № 5. 8. Давыдов, Б. И. Биологическое действие, нормирование и защита от электромагнитных излучений / Б. И. Давыдов, В. С. Тихончук, В. В. Антипов ; под ред. Ю. Г. Григорьева. – М. : Энергоатомиздат, 1984. – 176 с. 9. СВЧ-энергетика / под ред. Э. Окресса ; пер. с англ. В. Г. Алыбина [и др.] ; под. ред. Э. Д. Шлифера. – М. : Мир, 1971. – Т. 3. – 145 с. 10. Пресман, А. С. Электромагнитные поля и живая природа / А. С. Пресман. – М. : Наука, 1968. – 256 с. 64 11. Вайнштейн, Л. А. Электромагнитные волны / Л. А. Вайнштейн. – М. : Радио и связь, 1988. – 442 с. 12. Баскаков, С. И. Электродинамика и распространение радиоволн : учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника» / С. И. Баскаков. – М. : Высшая школа, 1992. – 416 с. 13. Виноградова, М. Б. Теория волн : учеб. пособие / М.Б. Виноградова, О. В. Руденко, А. П. Сухоруков. – М., Наука, 1990. – 432 с. 14. Григорьев, А. Д. Электродинамика и техника СВЧ : учеб. для вузов по спец. «Электронные приборы и устройства» / А. Д. Григорьев. – М. : Высш. шк., 1990. – 335 с. 15. Диденко, А. Н. СВЧ-энергетика / А. Н. Диденко, Б. В. Зверев. – М. : Наука, 2000. – 264 с. 16. Чукова, Ю. П. Эффекты слабых воздействий. Термодинамический, экспериментальный (биологический и медицинский), социальный, законодательный, международный и философский аспекты проблемы / Ю. П. Чукова. – М. : Алес, 2002. – 426 с. 17. Бецкий О. В., Девятков Н. Д., Кислов В. В. Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии // Вопросы физической метрологии. Вестн. Поволжск. отдел. Метрол. акад. России. Вып. 1. 1999. – С. 44–81. 18. Бецкий, О. В. Биологические эффекты миллиметрового излучения низкой интенсивности / О. В. Бецкий, А. В. Путвинский // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. – 1986. – № 10. – Т. 29. – С. 4–10. 19. Голант, М. Б. Биологические и физические факторы, обусловливающие влияние монохроматических электромагнитных излучений миллиметрового диапазона малой мощности на жизнедеятельность // Применение миллиметрового излучения низкой интенсивности в биологии и медицине / под. ред. академика Н. Д. Девяткова. – М., ИРЭ АН СССР, 1985. – С. 21–36. 65 20. Девятков, Н. Д. Особенности взаимодействия миллиметрового излучения низкой интенсивности с биологическими объектами / Н. Д. Девятков, О. В. Бецкий ; под. ред. Н. Д. Девяткова // Применение миллиметрового излучения низкой интенсивности в биологии и медицине. – М. : ИРЭ АН СССР, 1985. – С. 6–20. 21. Девятков Н. Д., Голант М. Б., Тагер А. С. Роль синхронизации в воздействии слабых сигналов миллиметрового диапазона волн на живые организмы // Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты / под. ред. акад. Н. Д. Девяткова. – М.: ИРЭ АН СССР, 1983. – С. 7–17. 22. Бецкий, О. В. Введение в проблему // Информационный сборник. Избранные вопросы КВЧ-терапии в клинической практике. – 1991. – № 4. – Вып. 61. – С. 5–14. 23. Betskii O. V. Electromagnetic millimeter waves and living organisms // Biological aspects of low intensity millimeter waves / Edited by academician Devyatkov N. D. and professor Betskii O. V. – Moscow, 1994. – P. 8 – 38. 24. Чернавский, Д. С. Механизм КВЧ-пунктурной терапии // Информационный сборник. Избранные вопросы КВЧ-терапии в клинической практике. – 1991. – № 4. – Вып. 61. – С. 46–66. 25. Бецкий, О. В. Проблемы и перспективы КВЧ-терапии // Информационный сборник. Избранные вопросы КВЧ-терапии в клинической практике. – 1991. – № 4. – Вып. 61. – С. 166–180. 26. Минин, Б. А. СВЧ и безопасность человека / Б. А. Минин. – М. : Сов. радио, 1974. – 256 c. 27. Бецкий О. В., Девятков Н. Д., Лебедева Н. Н. Лечение электромагнитными полями. Часть 2. // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2000. – № 10. – С. 3–13. 66 28. Бецкий О. В., Девятков Н. Д., Лебедева Н. Н. Лечение электромагнитными полями. Часть 3. // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2000. – № 12. – С. 11–30. 29. Lebedeva N. N. The Responses of the human central nervous system to the peripheral influence of low-intensity mm-waves // Biological aspects of low intensity millimeter waves / Edited by academician Devyatkov N. D. and professor Betskii O. V. – Moscow, 1994. – P. 39–85. 30. Бецкий, О. В. Миллиметровые волны и живые системы / О. В. Бецкий, В. В. Кислов, Н. Н. Лебедева. – М.: САЙНС-ПРЕСС, 2004. – 272 с. 31. Зацепина, Г. Н. Свойства и структура воды / Г. Н. Зацепина. – М.: Издво МГУ, 1974. – 168 с. 32. Гайдук, В. И. Вода, излучение, жизнь / В. И. Гайдук. – М. : Знание, 1991. – 64 с. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. Физика; № 7). 33. Голант, М. Б. К вопросу о механизме возбуждения колебаний в клеточных мембранах слабыми электромагнитными полями / М. Б. Голант, В. А. Шашлов ; под. ред. акад. Н. Д. Девяткова // Применение миллиметрового излучения низкой интенсивности в биологии и медицине. – М. : ИРЭ АН СССР, 1985. – С. 127–131. 34. Бецкий, О. В. Конвективный перенос растворенных в воде веществ как возможный механизм ускорения мембранных процессов под действием миллиметрового излучения / О. В. Бецкий, К. Д. Казаринов, А. В. Путвинский, В. С. Шаров ; под. ред. акад. Н. Д. Девяткова // Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты. – М. : ИРЭ АН СССР, 1983. – С. 97–114. 35. Девятков, Н. Д. Влияние миллиметрового излучения низкой интенсивности на ионную проницаемость мембран эритроцитов / Н. Д. Девятков, О. В. Бецкий, С. А. Ильина, А. В. Путвинский ; под. ред. акад. Н. Д. Девяткова // Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового 67 излучения на биологические объекты. – М. : ИРЭ АН СССР, 1983. – С. 78–96. 36. Леднев, В. В. Биоэффекты слабых комбинированных, постоянных и переменных магнитных полей / В. В. Леднев // Биофизика. – 1996. – Т. 41. – № 1. – С. 224–232. 37. Чукова, Ю. П. Нетепловые биоэффекты ММ-излучения в свете законов термодинамики и люминесценции / Ю. П. Чукова // Миллиметровые волны в биологии и медицине. – 2001. – № 4. – С. 13–32. 38. Чукова, Ю. П. Скорость генерации энтропии как показатель взаимодействия электромагнитных полей с биосистемами и термодинамические запреты на протекание эндоэргических реакций / Ю. П. Чукова ; под. ред. акад. Н. Д. Девяткова // Медико-биологические аспекты миллиметрового излучения. – М. : ИРЭ АН СССР, 1987. – С. 202–206. 39. Чукова, Ю. П. Термодинамические ограничения на процессы нетеплового преобразования электромагнитного излучения миллиметрового диапазона, полученные методом Ландау – Вайнштейна / Ю. П. Чукова ; под. ред. акад. Н. Д. Девяткова // Применение миллиметрового излучения низкой интенсивности в биологии и медицине. – М. : ИРЭ АН СССР, 1985. – С. 147–156. 40. Шеин, А. Г. Выбор критериев по степени воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты / А. Г. Шеин, Р. Н. Никулин // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2001. – № 4. – С. 19–23. 41. Смолина, О. А. Электромагнитные поля: биологическое действие и гигиеническое нормирование [Электронный ресурс] / О. А. Смолина. – Режим доступа : http://www.certline.ru/library/doc_38.htm 42. Вредное воздействие сотовой связи: общие сведения о биологическом действии ЭМП [Электронный http://www.vrednost.ru/vred1.php#12 68 ресурс]. – Режим доступа : 43. Новиков, С. Г. Безопасность жизнедеятельности [Электронный ресурс] / С. Г. Новиков, Т. Н. Маслова, Л. Н. Копылова. – Режим доступа : http://bgd.alpud.ru/ 44. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ) [Текст] : санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. – М. : Госкомсанэпиднадзор России. – 1996. 45. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ) [Текст] : санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.989–00. – Изменение №1 к СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96 ; введ. 01.01.01. – М. : Минздрав России. – 2001. 46. Электромагнитные поля в производственных условиях [Текст] : санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4.1191-03. – М. : Минздрав России. – 2003. 47. Перельмутер, В. М. Медико-биологические аспекты взаимодействия электромагнитных волн с организмом : учеб. пособие / В. М. Перельмутер, В. А. Ча, Е. М. Чупринова. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 100 с. 69 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 НЕКОТОРЫЕ УСТАНОВЛЕННЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ РАДИОЧАСТОТ Таблица П1.1 Биологические эффекты электромагнитного излучения на молекулярном и клеточном уровнях Биомакромолекулы Диапазон частот 1–150 ГГц Мембраны 1–150 ГГц Клетки 0,1–2·1011 Гц Объект воздействия Последствия воздействия электромагнитного излучения 1. Конформационные переходы в белковых молекулах. 2. Изменение функциональной активности: а) ферментов; б) транспортных белков; в) ионных каналов. 3. Разрыв цепей ДНК. 4. Изменение третичной структуры хромосом. 5. Модификация траскрибирования генетической информации 1. Изменение распределения зарядов на поверхности мембран. 2. Модуляция устойчивости к внешним факторам. 3. Изменение сродства к биомолекулам. 4. Изменение проницаемости для ионов и биомолекул 1. Изменение метаболизма. 2. Модуляция роста и деления 3. Модификация функциональной активности. 4. Инициация апоптоза 70 Таблица П1.2 Биологические эффекты электромагнитного излучения на уровне целого организма Система Кожные покровы, ткани Место воздействия Область раны Кожа бедра Кожа в области шва Кожа ЦНС ЦНС Параметры излучения ν0=42,96 ГГц + модуляция с частотой ν=200 МГц ν0=42,96 ГГц + модуляция с частотой ν=200 МГц ν=53,57 ГГц, P=4 мВт/см2 ν=42,25 ГГц Область головы ν=58,0– 59,6 ГГц, ν=61,5 ГГц 71 Результаты воздействия Ускорение заживления ран (стимуляция процесса грануляции) Асимметрия местных эффектов: изменения кровенаполнения, числа тучных клеток, лимфоцитов Ускорение регенерации нерва Разрушение цитоплазмы миелинизированных и немиелинизированных нервных волокон Изменение параметров электроэнцефалограммы: 1) синхронизация (увеличение числа веретенообразных осцилляций и медленных волн; 2) изменение биопотенциалов подкорковых структур (гиппокамп, гипоталамус, ядра таламуса, ретикулярные ядра среднего мозга) Десинхронизация α-ритма, активация фоновой активности. Сенсорные ощущения, положительная эмоциональная окраска, сонливость Продолжение табл. П1.2 ЦНС ЦНС ν=42,2 ГГц Точка 9.9 канал перикарда ЦНС Вегетативная нервная система ν0=53,596– 53,613 ГГц, модуляция с частотой ν=0,05 Гц P<5 мВт/см2 λ=7,1 мм P=10 мВт/см2 Тыльная сторона кисти Общее облучение Миллиметровые волны, P=5 мВт/см2 Хроническое облучение, несущая частота ν0=1 ГГц, пачечная частота ν=32 Гц в пачке 250 Гц 72 Бодрствующие животные – синхронизация Наркотизированные животные – увеличение высокочастотных αи β-ритмов, увеличение динамичности цнс. Эпилептоморфная активность, появление редких (2–4 Гц) высокоамплитудных (>300 мкВ) пиков Увеличение мощности спектральной составляющей в диапазоне α- и β-ритмов, увеличение частоты следования потенциалов действия афферентных волокон срединного нерва. Сенсорные ощущения Антистрессорное воздействие: Нормализация процессов торможения и активации (таламус и гипоталамус) Изменение сердечного ритма (0,05 Гц, 0,08–0,12 Гц, 0,15– 0,5 Гц) Вегетативные дисфункции Продолжение табл. П1.2 Точка дженджан + средняя линия носа Нейроэндокринная система Симпатоадреналовая система Поведение (лабораторные животные) ν=53,52 ГГц Снижение повышенного артериального давления Миллиметровые волны Резкое повышение уровня серотонина и катехоламинов в лимфатических узлах Коррекция адаптивных изменений (изменение обмена катехоламинов и других медиаторов, цитохимических показателей лимфоцитов, морфологическому состоянию крови, реакция адекватная). Поведенческие реакции – антистрессорное воздействие при нежестком стрессе Снижение порога чувствительности к ультразвуковому воздействию Область λ=5,6 мм большо- λ=7,1 мм го заты- P=10 мВт/см2 лочного бугра UWB пульс. 5 кВ/м, пиковое время 300 пс, длит. 1,8 нс Метровые, дециметровые, сантиметровые волны 10 мВт/см2 ν0=30 МГц синусоидальная модуляция с частотой ν=2–5 Гц, E=30–120 В/м 73 Замедление формирование условных рефлексов Блокировка выработки условных рефлексов Продолжение табл. П1.2 ν0=0,25–2,5 ГГц, длительность импульсов τ=5–10 нс, частота повторений ν=60 Гц Область ν=53,57 ГГц Операторы большо- ν=42,25 ГГц го бугра P=10 мВт/см2 задней поверхности головы Точка Т Миллиметротеменвые волны ной канал Коррекция физиологического состояния Общее облучение In vitro ν=53,57 ГГц ν=42,25 ГГц конечности Миллиметровые волны ν=42,25 ГГц ν=38,96 – 42,31 ГГц P=10 мВт/см2 74 Улучшение обучаемости и памяти Поведенческие реакции: антистрессорное действие при нежестком стрессе Увеличение работоспособности, улучшение функционального состояния, увеличение подвижности основных нервных процессов в коре головного мозга Повышение выживаемости при инфицировании летальным гриппом Коррекция антиоксидантной и антитоксической систем крови Стойкое улучшение, положительная динамика иммунных (IgE, IgM, IgG) и нейроэндокринных (T3, T 4, кортизол, эстрадиол) показателей Изменение в эритроидном ростке: увеличение количества эритроцитов и лейкоцитов в периферической крови Окончание табл. П1.2 Модификация действия ионизирующ его излучения Общее облучение ν=42,19 ГГц ν=42,19± 0,19 ГГц 75 Снижение смертности при γ-облучении. Коррекция статуса иммунной системы ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ (ПДУ) ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМИ РЧ НА ЧЕЛОВЕКА Таблица П2.1 Предельно допустимые значения энергетической экспозиции Предельно допустимая энергетическая экспозиция Диапазоны По электрической По магнитной По плотности 3 частот составляющей, составляющей, потока энергии 2 2 (В/м) × ч (А/м) × ч (мкВт/см2) × ч 30 кГц–3 МГц 20000,0 200,0 3–30 МГц 7000,0 Не разработаны 30–50 МГц 800,0 0,72 50–300 МГц 800,0 Не разработаны 300 МГц–300 200,0 ГГЦ Таблица П2.2 Предельно допустимые уровни напряженности электрической и магнитной составляющих в диапазоне частот 30 кГц–300 МГц в зависимости от продолжительности воздействия Продолжительность воздействия, Т, ч 8,0 и более 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 0,03–3 МГц 50 52 53 55 58 60 63 67 71 76 82 Епду, В/м 3–30 МГц 30 31 32 33 34 36 37 39 42 45 48 3–300 МГц 10 10 11 11 12 12 13 13 14 15 16 Нпду, А/м 0,03–3 30–50 МГц МГц 5,0 0,30 5,0 0,31 5,3 0,32 5,5 0,33 5,8 0,34 6,0 0,36 6,3 0,38 6,7 0,40 7,1 0,42 7,6 0,45 8,2 0,49 Здесь и далее во всех случаях при указании диапазонов частот каждый диапазон исключает нижний и включает верхний предел частоты. 76 3 Окончание табл. П2.2 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,25 0,125 0,08 и менее4 89 100 115 141 200 283 400 500 52 59 68 84 118 168 236 296 18 20 23 28 40 57 80 80 8,9 10,0 11,5 14,2 20,0 28,3 40,0 50,0 0,54 0,60 0,69 0,85 1,20 1,70 2,40 3,00 Таблица П2.3 Предельно допустимые уровни плотности потока энергии в диапазоне частот 300 МГц–300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия Продолжительность воздействия Т, ч 8,0 и более 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,25 0,20 и менее5 ППЭпду, мкВт/см2 25 27 29 31 33 36 40 44 50 57 67 80 100 133 200 400 800 1000 При продолжительности воздействия менее 0,08 ч дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается. 5 При продолжительности воздействия менее 0,2 ч дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается. 77 4 Таблица П2.4 Предельно допустимые уровни ЭМИ РЧ для населения, лиц, не достигших 18 лет, и женщин в состоянии беременности Диапазон частот Назначение помещений или территории Территория жилой застройки и мест массового отдыха. Помещения жилых, общественных и производственных зданий (внешнее ЭМИ РЧ, включая вторичное излучение). Рабочие места лиц, не достигших 18 лет, и женщин в состоянии беременности 30 30– 300 МГЦ кГц– 0,3–3 3–30 300 –300 ГГц 300 МГц МГц МГц кГц Предельно допустимые уровни ЭМИ РЧ В/м В/м В/м В/м мкВт/см2 10,0 25,0 15,0 10,0 3,06 100,0 Таблица П2.5 Предельно допустимые уровни ЭМИ РЧ, создаваемые телевизионными станциями №№ пп 1 2 3 4 Частота, МГц ПДУ, В/м 48,4 88,4 192,0 300,0 5,0 4,0 3,0 2,5 Кроме телевизионных станций и радиолокационных станций, работающих в режиме кругового обзора или сканирования. 78 6 Учебное издание Роман Николаевич Никулин БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОВОЛН Учебное пособие Редактор Л. Н. Рыжих Темплан 2012 г. (учебники и учебные пособия). Поз. № 30. Подписано в печать 11.12.2012. Формат 60×84 1/16. Бумага газетная. Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 4,65. Уч.-изд. л. 3,48. Тираж 30 экз. Заказ Волгоградский государственный технический университет. 400005, г. Волгоград, пр. им. В. И. Ленина, 28, корп. 1. Отпечатано в типографии ИУНЛ ВолгГТУ. 400005, г. Волгоград, пр. им. В. И. Ленина, 28, корп. 7. 79