Биофизические механизмы взаимодействия ЭМП с биологическими объектами
Основываясь на общих принципах закона Grotthus-Draper, эффект взаимодействия ЭМП с биологической средой зависит от поглощенной за определенное время энергии поля, т.е. от дозы облучения. В его основе лежит преобразование энергии поля в тепло, которое происходит по двум классическим механизмам, определяемым диэлектрическими характеристиками биологического материала: индуцирование токов и вращение/перемещение молекул.
Вопросы дозиметрии ЭМП очень сложны, т. к. величина поглощенной энергии определяется не только интенсивностью и частотой поля, но и размерами, формой объекта, его расположением относительно Е и Н векторов, внутренней структурой, окружающим пространством и многими другими трудно учитываемыми факторами. В упрощенной форме дозиметрия биологических объектов в ЭМП сводится к двум вопросам: какое количество энергии поглощено и где оно сосредоточено. В качестве этой характеристики используется параметр SAR (Specie Absorbed Rate), применяемый в зарубежных исследованиях, или УПМ (Удельная поглощенная мощность) — в отечественных. УПМ представляет собой поглощенную единицей массы объекта часть энергии ЭМП и измеряется в Вт/кг или мВт/г.
В дозиметрии ЭМП используются как теоретические, так и экспериментальные методы, взаимно дополняющие друг друга.
Теоретическая дозиметрия состоит в решении уравнений Maxwell, с помощью которых с определенной степенью приближения оценивается структура распределения энергии поля вне и внутри реального объекта.
Экспериментальная дозиметрия заключается в инструментальном определении общей УПМ и структуры ее распределения в самом объекте, включая и локальные величины в отдельных точках. Для этой цели в последние годы стали широко использоваться повторяющие оригинал модели (фантомы) человека или животных. Они изготавливаются из материалов, по своим диэлектрическим свойствам имитирующих: кожу, мышцы, кости, мозг, кровь и пр. После или в процессе воздействия ЭМП с помощью различных методов регистрируются температура в определенных точках модели или величины электрического и магнитного поля.
Интенсивность воздействия, а следовательно, и характер ответной реакции любой биологической системы определяется величиной температуры или внутреннего поля, индуцированного внешним облучением. Глубина проникновения электромагнитной волны в ткани человека и животных зависит от частоты поля и содержания в них воды. В самом общем виде можно констатировать, что величина УПМ зависит от частоты ЭМП, ориентации облучаемого объекта относительно векторов Е и Н, падающей электромагнитной волны и имеет максимальное значение на определенных (резонансных) частотах. Условно кривую частотной зависимости УПМ для человека можно разделить на несколько областей: дорезонансную (от крайне низких частот до 30 МГц), собственно резонансную (30-300 МГц, с резонансным максимумом около 70 МГц), резонанс отдельных частей тела: голова, шея (300-400 МГц), образования "горячих пятен" (400-2000 МГц) и сверхрезонансную (2000 МГц).
Благодаря введению понятия и разработке практических методов определения УПМ стало возможным сопоставление результатов биологических экспериментов, проведенных с использованием различных методов, условий и объектов облучения, частотных диапазонов, видов модуляции и пр.
Как мы уже отмечали, нагрев биологического объекта является основным механизмом преобразования энергии ЭМП высокой интенсивности. Изменение температуры тела может служить пусковым механизмом для различных реакций, уровень изменения которых зависит от терморегуляторных и метаболических характеристик конкретной функциональной системы организма.
На Международном симпозиуме в Варшаве в 1973 г. впервые была принята классификация ЭМП в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц в соответствии с наблюдающимися биологическими эффектами:
- Высокие интенсивности (ППЭ более 10 мВт/см ), при которых преобладают четкие тепловые эффекты.
- Средние интенсивности (ППЭ от 1 до 10 мВт/см ), при которых отмечаются слабые, но различимые тепловые эффекты.
- Низкие интенсивности (ППЭ ниже 1 мВт/см ), при которых отсутствуют или явно не выражены тепловые эффекты.
Ориентация на чисто тепловые механизмы действия ЭПМ, поддерживаемая долгое время специалистами США, значительно затормозила изучение альтернативных механизмов.
В настоящее время общепризнанно, что биологические эффекты могут проявляться и при воздействии нетепловых интенсивностей ЭМП. Большинство исследователей связывают их с изменением биофизических процессов в тканях организма (возникновение ионных потоков и электропотенциалов в молекулах клеток, изменение проницаемости клеточных мембран и реактивности рецепторного аппарата), что вызывает трансформацию электрических свойств тканей и окислительных процессов, смещение равновесия рН, изменение проницаемости гистогематических барьеров и рефлекторные изменения в различных органах и системах организма, являющиеся основой развития донозологических состояний.
Кумуляция указанных биоэффектов проявляется в виде комплекса изменений функции органов и систем организма — радиоволновой болезни, характеризующейся поражением центральной нервной, эндокринной, иммунной и сердечно-сосудистой систем.
По-видимому, более правильно рассматривать четыре уровня интенсивностей ЭМП (Г. Ф. Плеханов) с общебиологических позиций:
- Низкий — ниже наблюдаемого в естественных условиях.
- Средний — близкий к обычному естественному фону.
- Высокий — при превышении естественного уровня на 1-2 порядка.
- Крайне высокий — превышающий на 3 и более порядка естественный уровень.
В соответствии с этим общие механизмы действия ЭМП следует рассматривать как сигнальные, дестабилизирующие, регулирующие и энергетические.
