生物體內(nèi)電學(xué)特性及其在電磁場中的變化

1、1生物體內(nèi)電學(xué)特性及其在電磁場中的變化劉豪（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)文明的同時也把人們帶進一個充滿人造電磁輻射的環(huán)境里。電磁場生物效應(yīng)的發(fā)生與發(fā)展與電磁場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、不同類型電磁場對于生物體產(chǎn)生的一些具體的影響，并對于電磁輻射影響健康的機理及其防護策略進行初步的研究。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)境中本來就具有的宇宙輻射、地磁場等，也有人為制造的各類電磁波如廣播電磁波，無線通信電磁波以及工頻電磁波等。電磁場與生物體相互作用的本質(zhì)是電磁場與構(gòu)成生物體的各個層次的物質(zhì)之間的相互作用，生物組織處于不同頻率的外加電磁場中其表現(xiàn)的電磁特性會發(fā)生變

3、化，不同場強、頻率、振幅的電磁場所作用的對象也有所不同，同時電磁場與生物作用的時間長短不同所產(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與生物體之間相互作用的基礎(chǔ)，對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生物效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機理，從而可以進行有效的防止或者減少電磁場對生物體的負面影響。從電磁學(xué)角度來看，生物體是由大量細胞構(gòu)成的具有復(fù)雜電磁性質(zhì)的容積導(dǎo)體，對于生物體在電磁環(huán)境下其電磁性質(zhì)的改變的研究可以揭示電磁場中

4、生物體對于電磁能量的吸收及其與電磁場之間的耦合特性。電磁場對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、磁場產(chǎn)生的電磁波在空間傳播時與生物體作用可以被生物體物質(zhì)吸收。生物體在交變磁場中受到電磁輻射的作用一般會發(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，在沒有外電磁場的作用時由于熱運動使之處于不規(guī)則的隨機狀態(tài)。因此整個組織不顯電性，當受到外加交變電磁場的作用時，極性分子就會被極化由雜亂無章的排列開始重新排隊。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體產(chǎn)生熱量，從使蛋白變形酶失活，進而影響機體各項生命活動。當輻射功能密度較大時，人體吸收的輻射能轉(zhuǎn)化的熱量超過人體溫度調(diào)節(jié)能力，會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)在電磁場的輻射下，人體的有些組織不易顯示出熱效應(yīng)，但是會造成一些非熱效應(yīng)。這是因為人體具有保持恒溫的自我調(diào)節(jié)能力。當電磁輻射產(chǎn)生的比吸收率小于某一數(shù)值時，人體的溫度不會升高，故不會有電磁輻射熱效應(yīng)。當人體吸收電磁輻射的功率超過一定數(shù)值時，人體溫度才會升高，即電磁輻射的閾值效應(yīng)。通常靜電場、恒定磁場、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量技術(shù)與方法在近年來取得了重大進展。在靜電場的情況下，生物組織的介電常數(shù)是固定的，而實際環(huán)境中存在的電磁場大都是時變場，所以需要進一步考察在時變場環(huán)境下生物組織的介電特性。隨著外場頻率的增加，人體皮膚的電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降的趨勢當然。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電磁場對生物組織導(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，對于皮膚組織導(dǎo)

8、電特性的研究較多，但是對生物體內(nèi)部組織導(dǎo)電特性的研究比較困難，尤其是開展在體測量更為困難。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電磁場對生物組織磁特性的影響生物組織

9、的磁性可通過外加電磁場使之磁化來進行測量。絕大部分生物組織會表現(xiàn)出微弱的抗磁性，組成生物的分子或者原子都有多個電子軌道，電子在圍繞電子軌道繞核運動的同時會作自旋運動，這種自旋運動將會產(chǎn)生相應(yīng)的磁矩。當生物分子處于外加電磁場中時，磁矩就會受到電磁場的作用，進而會由于發(fā)生取向的改變而表現(xiàn)出磁特性，但有些含有過渡族金屬(FeCoCu等)離子或顆粒的生物組織處于電磁場中會表現(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、鮭魚趨磁細菌以及人等，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使組織表現(xiàn)出磁性(如鐵礦石粉末通過呼吸道進入肺部可以產(chǎn)生肺磁，神經(jīng)、肌肉等組織活動時電傳導(dǎo)也可以產(chǎn)生磁場)。探測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)藥物作用的測定等方面。研究認為，許多鳥類可以感受地磁場并被無線電波干擾，另外還發(fā)現(xiàn)鳥類可能是利用眼睛系統(tǒng)的感光色素來感應(yīng)地磁場，進而實現(xiàn)其辨別方向的功能。因而磁感受的生物學(xué)發(fā)生機制及其信號傳導(dǎo)通路是當前電磁學(xué)研究的一個熱點問題。4電磁輻射危害舉例4.1電腦輻射調(diào)查表明長期操作電腦的職業(yè)女性患乳腺癌的危險性比其他職業(yè)女性的概率高出43%。研究人員用雌性白鼠在電磁場中進行模擬實驗，不久發(fā)現(xiàn)白鼠的乳腺發(fā)出腫癌，其成長的速度與磁場強度有

12、關(guān)。其原因是高強度的電磁場射線輻射會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)致乳房組織細胞發(fā)生分裂，從而誘發(fā)乳腺癌。此外電腦顯示器輻射會對眼睛造成很大的傷害。這是因為眼睛水分多，血管少，不易散熱，在長時間的電磁輻射下易產(chǎn)生渾濁，嚴重可能導(dǎo)致白內(nèi)障。4.2手機輻射人們在接聽手機時，手機天線直接對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，長期的輻射會引起神經(jīng)系統(tǒng)疾病，對大腦造成危害，甚至