生物体内电学特性及其在电磁场中的变化

生物体内电学特性及其在电磁场中的变化 刘豪 （哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院 材料科学与工程系，哈尔滨 150001）摘要：随着电气工业以及通讯业的日益快速发展，电磁技术的应用给人类创造了巨大的物质文明的同时也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。电磁场生物效应的发生与发展与电磁场本身的特性以及生物组织的电磁学性质密切相关，而生物组织的电磁学性质又随着电磁场频率的变化而变化。我们将探讨不同电磁辐射作用下生物组织的电磁学特性变化，分析不同类型电磁场对于生物体产生的一些具体的影响，并对于电磁辐射影响健康的机理及其防护策略进行初步的研究。关键词：电磁辐射；生物效应；生物组织；电磁特性人们生活的空间中交织着大量的电磁波，有环境中本来就具有的宇宙辐射、地磁场等，也有人为制造的各类电磁波如广播电磁波，无线通信电磁波以及工频电磁波等。电磁场与生物体相互作用的本质是电磁场与构成生物体的各个层次的物质之间的相互作用，生物组织处于不同频率的外加电磁场中其表现的电磁特性会发生变化，不同场强、频率、振幅的电磁场所作用的对象也有所不同，同时电磁场与生物作用的时间长短不同所产生的生物效应也不同。研究生物组织的电磁特性是研究电磁场与生物体之间相互作用的基础，对于电磁辐射影响生物组织的电磁特性的研究可以明确电磁场生物效应产生的微观机理，从而可以进行有效的防止或者减少电磁场对生物体的负面影响。从电磁学角度来看，生物体是由大量细胞构成的具有复杂电磁性质的容积导体，对于生物体在电磁环境下其电磁性质的改变的研究可以揭示电磁场中生物体对于电磁能量的吸收及其与电磁场之间的耦合特性。电磁场对于生物体电磁特性的影响在诸多领域都将得到具体应用。11 电磁辐射作用于人体的原理 在电磁场中，生物分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而是电介质。由交变的电场、磁场产生的电磁波在空间传播时与生物体作用可以被生物体物质吸收。生物体在交变磁场中受到电磁辐射的作用一般会发生以下的生物效应：1.1热效应电磁辐射作用于人体后，一部分被反射，另一部分被吸收。人体组织主要是由水分子和蛋白分子组成，它们是一种极性分子，在没有外电磁场的作用时由于热运动使之处于不规则的随机状态。因此整个组织不显电性，当受到外加交变电磁场的作用时，极性分子就会被极化由杂乱无章的排列开始重新排队。在交变电磁波不断作用的情况下，极性分子间摩擦生热从而使机体产生热量，从使蛋白变形酶失活，进而影响机体各项生命活动。当辐射功能密度较大时，人体吸收的辐射能转化的热量超过人体温度调节能力，会引起局部体温明显升高从而引起生理紊乱。热效应将损伤对热比较敏感的器官，比如眼睛、大脑等。21.2 非热效应在电磁场的辐射下，人体的有些组织不易显示出热效应，但是会造成一些非热效应。这是因为人体具有保持恒温的自我调节能力。当电磁辐射产生的比吸收率小于某一数值时，人体的温度不会升高，故不会有电磁辐射热效应。当人体吸收电磁辐射的功率超过一定数值时，人体温度才会升高，即电磁辐射的阈值效应。通常静电场、恒定磁场、低频磁场引起非热效应。非热效应也会对人体产生一些影响，比如常见的人体失衡、头晕、失眠、疲劳、恶心等症状。22 电磁场对生物细胞的影响电磁辐射严重影响着人体的健康。电磁场生物效应的发生机制与电磁场本身的特性相关，同时也与生物组织在电磁场作用下电磁特性的改变密切相关。生物体内的信号分子、自由基以及磁颗粒等处于外加电磁场中时其电磁特性会发生变化，尤其是不同频率电磁场曝露作用下生物组织的导电、介电以及磁学等特性会有非常显著的区别。32.1电磁场对生物膜电磁特性的影响 电磁场对生物体的作用是生物学效应，其大多是通过对细胞的作用来实现的。细胞膜具有低漏电特性，在电磁场的作用下，细胞膜表面会产生极化现象。学术界通常认为细胞膜的电阻率在0.11 cm2，细胞膜容性成分的阻抗为(2f C)-1，因此随着频率的升高，膜阻抗的值会下降。当外场频率大于100 MHz 的时候，细胞膜的阻抗特性与细胞液阻抗特性相近，此时细胞膜的充电效应会随着频率的升高而快速地下降。 研究结果显示，细胞膜的介电常数随着外场频率的升高而降低，当细胞膜处于高频( f 105 Hz)电磁场中其介电常数趋近于0。因而在高频范围内，细胞膜的组成成分随着外加电磁的变化不会发生明显的响应，也说明了在高频电磁场对于细胞不会产生明显的生物学效应。能够对于生物细胞产生生物学效应的主要是低频电磁场，且频率越低的电磁场的生物效应越明显。2.2脉冲电磁场对于血脑屏障通透特性的影响 宽频脉冲电磁场通过对细胞的强烈极化进而能够引起细胞膜产生一定程度的电穿孔，即改变细胞膜的通透性，在细胞膜上出现的孔洞形成了可以让大分子通过的穿膜通道。研究表明脉冲电磁照射作用于大脑组织时并没有使分子的结构和构象发生变化。因此，脉冲电磁场对大鼠脑部组织产生的损伤是非常小的，从而使BBB开放的技术得到了发展，为脑肿瘤等脑部疾患的直接施药治疗提供一个新的方法。2.3电磁场对细胞间信号分子的影响电磁场可使分子产生扭曲、离子或电子错位、震动、旋转或改变分子极性的方向。在生物体的信息转导过程中，尤其是在细胞间的信号转导过程中，只有少部分信号可以直接引起细胞的生理反应，多数信号必须先被细胞膜上的受体识别，然后通过膜上的信号转换系统，转变为细胞内信号，进而实现细胞间的信号转导功能，实现调节细胞的代谢活动和生理功能。 目前一般认为，电磁场与细胞作用的初始位点是细胞膜，随后触发的一切反应都由细胞膜介导，细胞膜上的细胞信号系统在介导电磁场作用中扮演着重要角色。2.4电磁场对自由基的影响自由基的寿命非常短暂，并且具有较高的活性，可以在生物分子之间高速碰撞直至和周围环境重新组合。磁场可以改变自由基的旋转状态，进而可能会改变其重新组合的可能性，同时也可能会改变自由基与周围生物分子之间高速碰撞的特点。研究发现，微波频率可以通过施加极化松弛机制对于自由基进行作用，进而改变自由基可能的化学反应。因为自由基具有极短的寿命，在高频( f105Hz)电磁场作用下自由基所受的影响较小，而在低频电磁场作用下，自由基对于外加电磁场的应答特性表现得非常明显，这与自由基的荷质比以及外加电磁场的特性密切相关。3 电磁场对生物组织的影响43,1电磁场对生物组织介电特性的影响生物组织也具有介电色散的特性，其色散的特性是指由于电偶极子或者偶电层介电弛豫所造成的介电损耗特性。生物组织电磁特性的测量技术与方法在近年来取得了重大进展。在静电场的情况下，生物组织的介电常数是固定的，而实际环境中存在的电磁场大都是时变场，所以需要进一步考察在时变场环境下生物组织的介电特性。随着外场频率的增加，人体皮肤的电导率呈现下降的趋势当然。人体不同部位皮肤的电磁特性也有所不同，例如手掌部位由于存在着丰富的汗腺而具有较高的介电率。3.2电磁场对生物组织导电特性的影响人体组织的导电特性是其重要的电磁性质之一，对于皮肤组织导电特性的研究较多，但是对生物体内部组织导电特性的研究比较困难，尤其是开展在体测量更为困难。研究发现，恶性肿瘤组织的介电常数较高，但是随着频率变化，其变化范围较小，同时也发现良性肿瘤乳腺组织的介电常数与含水量较高的正常乳腺组织的介电特性相似。众多的研究结论均表明，随着外加电磁场频率的升高，生物组织的导电特性发生较大的变化，尤其在高频范围内( f105Hz)，生物组织的电导率随着频率的升高而迅速升高。3.3电磁场对生物组织磁特性的影响生物组织的磁性可通过外加电磁场使之磁化来进行测量。绝大部分生物组织会表现出微弱的抗磁性，组成生物的分子或者原子都有多个电子轨道，电子在围绕电子轨道绕核运动的同时会作自旋运动，这种自旋运动将会产生相应的磁矩。当生物分子处于外加电磁场中时，磁矩就会受到电磁场的作用，进而会由于发生取向的改变而表现出磁特性，但有些含有过渡族金属(Fe Co Cu等)离子或颗粒的生物组织处于电磁场中会表现出顺磁性。与电学特性相比，生物组织的磁学特性更为复杂。较多生物，如家鸽鲑鱼趋磁细菌以及人等，体内都含有磁颗粒，其中家鸽体内的磁颗粒可用于辨别方向。另外，人体内由于外界入侵的磁颗粒也会使组织表现出磁性(如铁矿石粉末通过呼吸道进入肺部可以产生肺磁，神经、肌肉等组织活动时电传导也可以产生磁场) 。探测生物组织磁特性一般使用超导量子干涉仪(superconductivity quantum interference device, SQUID)在磁屏蔽良好的情况下才能有效地进行，SQUID可用于颅脑手术前病灶的精确定位，也可用于神经药物作用的测定等方面。研究认为，许多鸟类可以感受地磁场并被无线电波干扰，另外还发现鸟类可能是利用眼睛系统的感光色素来感应地磁场，进而实现其辨别方向的功能。因而磁感受的生物学发生机制及其信号传导通路是当前电磁学研究的一个热点问题。4 电磁辐射危害举例4.1电脑辐射 调查表明长期操作电脑的职业女性患乳腺癌的危险性比其他职业女性的概率高出43%。研究人员用雌性白鼠在电磁场中进行模拟实验，不久发现白鼠的乳腺发出肿癌，其成长的速度与磁场强度有关。其原因是高强度的电磁场射线辐射会减少女性大脑松果体内激素的产生，迫使体内雌性激素排放速度加快，最终导致乳房组织细胞发生分裂，从而诱发乳腺癌。此外电脑显示器辐射会对眼睛造成很大的伤害。这是因为眼睛水分多，血管少，不易散热，在长时间的电磁辐射下易产生浑浊，严重可能导致白内障。4.2手机辐射 人们在接听手机时，手机天线直接对着人的脑部辐射电磁波，20%以上的辐射功率都将被大脑吸收。研究表明，长期的辐射会引起神经系统疾病，对大脑造成危害，甚至可形成癌变。利用电磁场对人体的影响，目前产生新式杀伤性武器，当电子束以光速或者接近光速通过等离子体时会产生出定向微波能量，比大功率雷达用的微波功率高几个等级。如果对波束加以会聚，研制出杀伤性武器，可造成人心颤心力衰竭神经系统混乱直至死亡。5 针对常见辐射的防护措施55.1针对电脑辐射在电路设计上，减少数字电路、环路面积，使相互引线尽可能短，使用线路滤波器保持良好接地；在结构设计，上要解决通风、散热、操作和显示器的需要而留的缝隙问题；经常在机房工作的人员可以穿电磁波辐射屏蔽服。电脑的摆放位置很重要。尽量别让屏幕的背面朝着有人的地方，因为电脑辐射最强的是背面，其次为左右侧面，屏幕的正面辐射最弱。减少电脑的使用和待机时间以减少辐射累积。电脑屏幕表面存在大量的静电，其聚集的灰尘可转射到脸部和手部皮肤裸露处，时间久了易发生斑疹、色素沉着。因此使用电脑后应及时洗脸洗手。5.2针对手机辐射 在接听手机时尽可能使用免提或者用话筒和耳机将手机远离头部。手机的电磁波辐射强度随手机离开人脑的距离呈指数递减，即稍离辐射源远点，辐射就能降低很多。 对于生产手机的厂家，可以探索在手机上贴上手机防护材料，比如铁氧体以降低手机表面电流或者在手机外壳侧面喷涂具有吸收功能的滤波材料，吸收电磁波以减少辐射。亦可以给手机装上一种防护罩借以改变电磁辐射的方向以减轻对人体的危害。5.3针对家用电器辐射不要把家用电器摆放的过于集中或经常一起使用，特别是电视、电脑、电冰箱不宜集中摆放在卧室里，以免使自己暴露在超剂量辐射的危险中。此外在使用家用电器时尽可能保持安全距离。安全距离的测试方法如下：利用可以接收调幅频道的收音机，打开后将频道调在没有广播的地方，并且靠近所要测量的电视、冰箱、微波炉或电脑等家电用品。当发现收音机所传出的噪声突然变大，走出一段距离后才会恢复原来较小的噪声量，这样就可以测出安全距离。 参考文献1 李滚，生物体内电学特性及其在电磁场中暴露后的变化研究D.成都：电子科技大学，2012.2 周兴旺，施英，生物电磁学D.杭州:杭州大学,2005.3 李滚，庞小峰，电磁场曝露对生物组织电磁特性的影响J .生物化学与生物物理进展,2011, 38(7): 604-610 .4 习岗，宋清，杨初平，异常环境电磁场对生物影响的研究进展J. 应用与环境生物学报: 2003 . 9(2):203-206.5 孙云娟，电磁辐射的原理及危害J .科技情报开发与经济，2008,18(32):136-140.4