生物體內(nèi)電學(xué)特性及其在電磁場(chǎng)中的變化

1、1生物體內(nèi)電學(xué)特性及其在電磁場(chǎng)中的變化劉豪（哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系，哈爾濱150001）摘要：摘要：隨著電氣工業(yè)以及通訊業(yè)的日益快速發(fā)展，電磁技術(shù)的應(yīng)用給人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)文明的同時(shí)也把人們帶進(jìn)一個(gè)充滿人造電磁輻射的環(huán)境里。電磁場(chǎng)生物效應(yīng)的發(fā)生與發(fā)展與電磁場(chǎng)本身的特性以及生物組織的電磁學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，而生物組織的電磁學(xué)性質(zhì)又隨著電磁場(chǎng)頻率的變化而變化。我們將探討不同電磁輻射作用下生物組織的電磁學(xué)特性變化，分析

2、不同類型電磁場(chǎng)對(duì)于生物體產(chǎn)生的一些具體的影響，并對(duì)于電磁輻射影響健康的機(jī)理及其防護(hù)策略進(jìn)行初步的研究。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電磁輻射；生物效應(yīng)；生物組織；電磁特性人們生活的空間中交織著大量的電磁波，有環(huán)境中本來(lái)就具有的宇宙輻射、地磁場(chǎng)等，也有人為制造的各類電磁波如廣播電磁波，無(wú)線通信電磁波以及工頻電磁波等。電磁場(chǎng)與生物體相互作用的本質(zhì)是電磁場(chǎng)與構(gòu)成生物體的各個(gè)層次的物質(zhì)之間的相互作用，生物組織處于不同頻率的外加電磁場(chǎng)中其表現(xiàn)的電磁特性會(huì)發(fā)生變

3、化，不同場(chǎng)強(qiáng)、頻率、振幅的電磁場(chǎng)所作用的對(duì)象也有所不同，同時(shí)電磁場(chǎng)與生物作用的時(shí)間長(zhǎng)短不同所產(chǎn)生的生物效應(yīng)也不同。研究生物組織的電磁特性是研究電磁場(chǎng)與生物體之間相互作用的基礎(chǔ)，對(duì)于電磁輻射影響生物組織的電磁特性的研究可以明確電磁場(chǎng)生物效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)理，從而可以進(jìn)行有效的防止或者減少電磁場(chǎng)對(duì)生物體的負(fù)面影響。從電磁學(xué)角度來(lái)看，生物體是由大量細(xì)胞構(gòu)成的具有復(fù)雜電磁性質(zhì)的容積導(dǎo)體，對(duì)于生物體在電磁環(huán)境下其電磁性質(zhì)的改變的研究可以揭示電磁場(chǎng)中

4、生物體對(duì)于電磁能量的吸收及其與電磁場(chǎng)之間的耦合特性。電磁場(chǎng)對(duì)于生物體電磁特性的影響在諸多領(lǐng)域都將得到具體應(yīng)用。[1]1電磁輻射作用于人體的原理在電磁場(chǎng)中，生物分子既不是純粹的導(dǎo)體，也不是純粹的絕緣體，而是電介質(zhì)。由交變的電場(chǎng)、磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁波在空間傳播時(shí)與生物體作用可以被生物體物質(zhì)吸收。生物體在交變磁場(chǎng)中受到電磁輻射的作用一般會(huì)發(fā)生以下的生物效應(yīng)：1.1熱效應(yīng)電磁輻射作用于人體后，一部分被反射，另一部分被吸收。人體組織主要是由水分子和蛋

5、白分子組成，它們是一種極性分子，在沒(méi)有外電磁場(chǎng)的作用時(shí)由于熱運(yùn)動(dòng)使之處于不規(guī)則的隨機(jī)狀態(tài)。因此整個(gè)組織不顯電性，當(dāng)受到外加交變電磁場(chǎng)的作用時(shí)，極性分子就會(huì)被極化由雜亂無(wú)章的排列開(kāi)始重新排隊(duì)。在交變電磁波不斷作用的情況下，極性分子間摩擦生熱從而使機(jī)體產(chǎn)生熱量，從使蛋白變形酶失活，進(jìn)而影響機(jī)體各項(xiàng)生命活動(dòng)。當(dāng)輻射功能密度較大時(shí)，人體吸收的輻射能轉(zhuǎn)化的熱量超過(guò)人體溫度調(diào)節(jié)能力，會(huì)引起局部體溫明顯升高從而引起生理紊亂。熱效應(yīng)將損傷對(duì)熱比較敏感的

6、器官，比如眼睛、大腦等。[2]1.2非熱效應(yīng)在電磁場(chǎng)的輻射下，人體的有些組織不易顯示出熱效應(yīng)，但是會(huì)造成一些非熱效應(yīng)。這是因?yàn)槿梭w具有保持恒溫的自我調(diào)節(jié)能力。當(dāng)電磁輻射產(chǎn)生的比吸收率小于某一數(shù)值時(shí)，人體的溫度不會(huì)升高，故不會(huì)有電磁輻射熱效應(yīng)。當(dāng)人體吸收電磁輻射的功率超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，人體溫度才會(huì)升高，即電磁輻射的閾值效應(yīng)。通常靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、低頻磁3生物組織也具有介電色散的特性，其色散的特性是指由于電偶極子或者偶電層介電弛豫所造成的介電

7、損耗特性。生物組織電磁特性的測(cè)量技術(shù)與方法在近年來(lái)取得了重大進(jìn)展。在靜電場(chǎng)的情況下，生物組織的介電常數(shù)是固定的，而實(shí)際環(huán)境中存在的電磁場(chǎng)大都是時(shí)變場(chǎng)，所以需要進(jìn)一步考察在時(shí)變場(chǎng)環(huán)境下生物組織的介電特性。隨著外場(chǎng)頻率的增加，人體皮膚的電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)當(dāng)然。人體不同部位皮膚的電磁特性也有所不同，例如手掌部位由于存在著豐富的汗腺而具有較高的介電率。3.2電磁場(chǎng)對(duì)生物組織導(dǎo)電特性的影響人體組織的導(dǎo)電特性是其重要的電磁性質(zhì)之一，對(duì)于皮膚組織導(dǎo)

8、電特性的研究較多，但是對(duì)生物體內(nèi)部組織導(dǎo)電特性的研究比較困難，尤其是開(kāi)展在體測(cè)量更為困難。研究發(fā)現(xiàn)，惡性腫瘤組織的介電常數(shù)較高，但是隨著頻率變化，其變化范圍較小，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)良性腫瘤乳腺組織的介電常數(shù)與含水量較高的正常乳腺組織的介電特性相似。眾多的研究結(jié)論均表明，隨著外加電磁場(chǎng)頻率的升高，生物組織的導(dǎo)電特性發(fā)生較大的變化，尤其在高頻范圍內(nèi)(f105Hz)，生物組織的電導(dǎo)率隨著頻率的升高而迅速升高。3.3電磁場(chǎng)對(duì)生物組織磁特性的影響生物組織

9、的磁性可通過(guò)外加電磁場(chǎng)使之磁化來(lái)進(jìn)行測(cè)量。絕大部分生物組織會(huì)表現(xiàn)出微弱的抗磁性，組成生物的分子或者原子都有多個(gè)電子軌道，電子在圍繞電子軌道繞核運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)作自旋運(yùn)動(dòng)，這種自旋運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁矩。當(dāng)生物分子處于外加電磁場(chǎng)中時(shí)，磁矩就會(huì)受到電磁場(chǎng)的作用，進(jìn)而會(huì)由于發(fā)生取向的改變而表現(xiàn)出磁特性，但有些含有過(guò)渡族金屬(FeCoCu等)離子或顆粒的生物組織處于電磁場(chǎng)中會(huì)表現(xiàn)出順磁性。與電學(xué)特性相比，生物組織的磁學(xué)特性更為復(fù)雜。較多生物，如家鴿

10、鮭魚(yú)趨磁細(xì)菌以及人等，體內(nèi)都含有磁顆粒，其中家鴿體內(nèi)的磁顆?？捎糜诒鎰e方向。另外，人體內(nèi)由于外界入侵的磁顆粒也會(huì)使組織表現(xiàn)出磁性(如鐵礦石粉末通過(guò)呼吸道進(jìn)入肺部可以產(chǎn)生肺磁，神經(jīng)、肌肉等組織活動(dòng)時(shí)電傳導(dǎo)也可以產(chǎn)生磁場(chǎng))。探測(cè)生物組織磁特性一般使用超導(dǎo)量子干涉儀(superconductivityquantuminterferencedeviceSQUID)在磁屏蔽良好的情況下才能有效地進(jìn)行，SQUID可用于顱腦手術(shù)前病灶的精確定位，也可

11、用于神經(jīng)藥物作用的測(cè)定等方面。研究認(rèn)為，許多鳥(niǎo)類可以感受地磁場(chǎng)并被無(wú)線電波干擾，另外還發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類可能是利用眼睛系統(tǒng)的感光色素來(lái)感應(yīng)地磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其辨別方向的功能。因而磁感受的生物學(xué)發(fā)生機(jī)制及其信號(hào)傳導(dǎo)通路是當(dāng)前電磁學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。4電磁輻射危害舉例4.1電腦輻射調(diào)查表明長(zhǎng)期操作電腦的職業(yè)女性患乳腺癌的危險(xiǎn)性比其他職業(yè)女性的概率高出43%。研究人員用雌性白鼠在電磁場(chǎng)中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，不久發(fā)現(xiàn)白鼠的乳腺發(fā)出腫癌，其成長(zhǎng)的速度與磁場(chǎng)強(qiáng)度有

12、關(guān)。其原因是高強(qiáng)度的電磁場(chǎng)射線輻射會(huì)減少女性大腦松果體內(nèi)激素的產(chǎn)生，迫使體內(nèi)雌性激素排放速度加快，最終導(dǎo)致乳房組織細(xì)胞發(fā)生分裂，從而誘發(fā)乳腺癌。此外電腦顯示器輻射會(huì)對(duì)眼睛造成很大的傷害。這是因?yàn)檠劬λ侄?，血管少，不易散熱，在長(zhǎng)時(shí)間的電磁輻射下易產(chǎn)生渾濁，嚴(yán)重可能導(dǎo)致白內(nèi)障。4.2手機(jī)輻射人們?cè)诮勇?tīng)手機(jī)時(shí)，手機(jī)天線直接對(duì)著人的腦部輻射電磁波，20%以上的輻射功率都將被大腦吸收。研究表明，長(zhǎng)期的輻射會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)疾病，對(duì)大腦造成危害，甚至