В основе всех биологических реакций при действии неионизирующих ЭМИ лежат два типа взаимодействий — тепловое и нетепловое, которое иногда называют информационным.

Таблица 4.1 Классификация величин ППЭ для ЭМИ в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц, исходя из наблюдающихся биологических эффектов

 

Интенсивность ЭМИ	ППЭ, мВт/см2	Выраженность теплового эффекта
Высокие	> 10	Отчетливая выраженность
Средние	1-10	Слабая, но различимая
Низкие	< 1	Отсутствие или не явная выраженность

 

В последнее время на основании рекомендации Международной комиссии по защите от неионизирующих излучений в некоторых странах Евросоюза и США принята классификация, основанная на величине поглощенной энергии ЭМИ — SAR. Так в качестве порога отчетливо выраженных биологических эффектов или теплового действия принято значение SAR, равное 4,0 Вт/кг, при 0,4 Вт/кг тепловые эффекты считаются маловероятными, а при 0,08 Вт/кг—полностью отсутствуют. В классификации рекомендуется использовать величины SAR, усредненные на весь облучаемый объект.

SAR, Вт/кг	Тепловые эффекты
> 4	Отчетливо выражены
4 - 0,08	Маловероятны
< 0,08	Отсутствие или не явная выраженность

Тепловая концепция. Одним из механизмов действия ЭМИ высоких интенсивностей на биологические объекты является преобразование энергии излучения в тепло. Тепловое действие является наиболее изученным первичным механизмом. Исходя из принципов тепловых механизмов для возникновения биологического эффекта энергия действующего ЭМИ должна быть больше или, по крайней мере, соизмерима с величиной тепловой энергией броуновского движения молекул, равной кТ, где к~ постоянная Больцмана, а Т — абсолютная температура.

Чаще всего при облучении ЭМИ происходит неравномерное образование тепла, которое при невысоких интенсивностях излучения не приводит к изменению средней температуры тела. Для приближенных расчетов температуры тканей при облучении ЭМИ могут быть использованы типичные значения теплофизических характеристик некоторых тканей человека

Таким образом, процесс повышения температуры при поглощении энергии ЭМИ ворганизме будет определяться не только параметрами и интенсивностью ЭМИ или продолжительностью облучения, но и теплофизическими характеристиками тканей, наличием систем терморегуляции и процессами метаболического теплообразования. Если в объекте неживой природы поглощенное тепло выводится только путем пассивных процессов: теплопроводности, конвекции и излучения, то в биологическом объекте присутствует еще и система активной терморегуляции. Активная терморегуляция использует перенос тепла при помощи циркулирующей крови и лимфы из внутренних структур организма к внешним областям, где конвекция и излучение осуществляются более эффективно.

Локальные повышения температуры в отдельных частях или зонах организма в виде единичных или множественных «горячих пятен» играют определенную роль в наблюдаемых ответных реакциях.

Исследования в области теоретической дозиметрии показали возможность резонансного поглощения энергии ЭМИ в теле животных и человека в зависимости от частоты, ориентации относительно векторов электромагнитной волны, контакта с землей, которые были подтверждены экспериментально.

Помимо этого существуют максимумы поглощения энергии ЭМИ как в отдельных частях тела человека (голове, шее, верхних, нижних конечностях), так и в локальных областях внутри них, например, голове, которые также имеют резонансный характер Повышение температуры в местах с повышенной чувствительностью к теплу, например, внутри головы человека (гипоталамус) в результате резонансного поглощения энергии ЭМИ при облучении в диапазоне частот 750МГц-2,5ГГц может существенным образом повлиять на все процессы терморегуляции. Непредсказуемость возникновения «горячих пятен» в различных частях тела животного или человека в зависимости от параметров ЭМИ и условий облучения значительно затрудняет оценку и интерпретацию регистрируемых биологических эффектов.

Повышение температуры в биологическом объекте может явиться пусковым механизмом для различных реакций, уровень изменений которых, как уже упоминалось, зависит от терморегуляторных и метаболических характеристик. Структурно-функциональные особенности некоторых органов, обладающих слабой терморегуляторной системой, не способной достаточно эффективно отводить тепло, или характеризующихся повышенной чувствительностью к изменению температуры (например, хрусталик глаза) ставят их в разряд критических. Ускорение многих физиологических и биохимических процессов в организме в два и более раз в результате повышения температуры может привести к возникновению отчетливо выраженных, с одной стороны, ответных реакций. С другой стороны, проявление таких реакций может быть скрыто за счет работы системы температурного гомеостаза, в результате чего возможно формирование многих вторичных эффектов, различных по величине, направленности и характеру развития во времени.

Механические составляющие теплового действия. Впервые на роль механических явлений в биологическом действии ЭМИ, возникающих в процессе облучения, обратил внимание Э. Мут. В 1927 г. им была обнаружена способность коллоидных частиц под действием ЭМИ выстраиваться в цепочку в виде нити бус. Впоследствии это явление получило название эффекта образования «жемчужных нитей» («pearl-chain»).

Сам эффект образования «жемчужных нитей» заключается в следующем. Если взвешенные в водной среде и произвольно располагающиеся в ней микроскопические частицы (диаметр > 1 мкм) подвергнуть воздействию ЭМИ в диапазоне частот до 100МГц, то они будут выстраиваться по направлению вектора Е, образуя длинные одиночные или множественные цепи, состоящие из многих частиц в каждой цепи. При снижении интенсивности ЭМИ ниже пороговой или прекращении облучения, тепловое броуновское движение разрывает образовавшиеся цепи, ориентация нарушается, и частицы в среде вновь располагаются произвольно.

Механизм образования подобной структуры в электрическом поле, заключается в возникновении на одной стороне частицы между ее поверхностью и окружающей средой зарядов одного знака, а на противоположной стороне — другого. Такое распределение и ориентация по направлению зарядов приводит к образованию своего рода «индуцированного диполя» состоящего из частиц Способность зарядов следовать за изменениями электрического поля определяет ориентацию этого диполя, в результате чего две близко расположенные частицы притягиваются друг к другу, выстраиваясь в итоге по направлению силовых линий т.е. в основе лежат диполь-дипольные взаимодействия.

Шван, а также С. Такашима, обобщили различные виды механических эффектов, проявляющихся в результате воздействия ЭМИ на находящиеся в растворе клетки.

К механическим эффектам помимо образования «жемчужных нитей», также относятся: ориентация, движение (диэлектрофорез), деформация, разрушение, слияние, вращение, образование везикул и выпячиваний, течение протоплазмы клетки. Все эти явления возникают и наблюдаются только в условиях in vitro и при достаточно высоких интенсивностях ЭМИ, уровень которых не позволяет полностью избежать появления тепловых явлений, носящих локальный характер.

Нетепловая концепция.

Нетепловое действие для ЭМИ РЧ- и МКВ-диапазонов начинается с величин, являющихся минимальным порогом чувствительности для организма, который составляет около 10^-12Вт/м², максимальный порог находится в пределах от 10^-2 до 10^-1 Вт/м², а оптимальное значение — в области 10^-7-10^-бВт/м².

Основные особенности нетеплового действия заключаются в том, что конечный результат не находится в прямой зависимости от энергии действующего фактора — интенсивности ЭМИ. В таком действии ЭМИ различают несколько основных типов, среди которых можно выделить сигнальное, регулирующее и дестабилизирующее.

Сигнальное действие происходит при величинах ЭМИ, сопоставимых с уровнем естественных источников излучений, и воспринимается организмом как сигнал, несущий определенную информацию. Сигнальное действие ЭМИ наблюдается только у целостных организмов, причем преимущественно в поведенческих реакциях; оно характеризуется рядом особенностей.

Таким образом, сигнальное действие ЭМИ проявляется в изменении поведения животных (двигательная активность, ориентация в пространстве и времени), а у человека оно может проявляться в различных субъективных ощущениях. Это определяет способность организма воспринимать слабые сигналы ЭМИ из окружающей среды и, в соответствии с их значимостью, изменять регуляцию процессов жизнедеятельности. Наконец, само ЭМИ может служить раздражителем для выработки условных рефлексов как у животных, так и у человека.

Регулирующее действие наблюдается у биологических объектов различных уровней организации и характеризуется способностью изменять их функциональное состояние. Отличительная особенность регулирующего действия состоит в зависимости наличия самой ответной реакции, ее направленности (знака) и величины только от параметров действующего ЭМИ (вид модуляции и ее частота) и отсутствия прямой зависимости от интенсивности излучения.

Регулирующим действием объясняются отмечаемые во многих исследованиях зависимость некоторых биологических реакций от частоты модуляции ЭМИ. Этот тип действия ЭМИ является достаточно ограниченным по величине ответных реакций на облучение и может оказывать обратимое влияние на протекающие в организме процессы регуляции.

Дестабилизирующее действие заключается в увеличении среднестатистического отклонения (дисперсии) любого исследуемого показателя биологической реакции по сравнению с неподвергаемым облучению ЭМИ интактным объектом. Это является причиной часто встречающейся невоспроизводимости ответных реакций биологических объектов, которые наблюдаются при облучении ЭМИ низких (нетепловых) интенсивностей.

Список литературы

1. Кудряшов Ю.Б., Радиационная биофизика. Неионизирующие излучения, М., 2008