電磁波的生物效應(yīng)與人體健康

吳石增

(1中國科學(xué)院電工研究所,北京100190;2中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,武漢430074)

電磁波是客觀存在的一種物質(zhì)形式,通過專門設(shè)備可以感覺到它的存在.事實(shí)上,我們周圍充滿了各種類型的電磁波,它與人們的生活緊密相關(guān).例如,我們用收音機(jī)可以聽到電臺的廣播節(jié)目,用電視機(jī)可以收看到電視臺的電視節(jié)目,人們天天都在使用手機(jī)打電話、發(fā)短信,這些事實(shí)都表明在我們周圍存在著各種臺站所發(fā)射的電磁波.與此同時(shí),在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域基于電磁波的疾病診斷儀器和治療儀器也得到廣泛應(yīng)用.也就是說當(dāng)今人們的生產(chǎn)和生活活動中一刻也離不開電磁波,它在人們的生產(chǎn)和生活活動中起著不可估量的作用.當(dāng)它為人們謀福利的同時(shí),也為人們的生活和健康帶來一定的負(fù)面影響.當(dāng)其作用到人體時(shí),不同波段的電磁波會產(chǎn)生不同的生物效應(yīng).但從大的方面來說,電磁波的生物效應(yīng)分兩種:即電離輻射效應(yīng)和非電離輻射效應(yīng)[1-3].電離輻射對人體有較強(qiáng)的傷害作用,人們在日常生產(chǎn)和生活中,需要特意的對它們進(jìn)行防護(hù);非電離輻射雖然對人體沒有明顯的傷害作用,但長時(shí)間作用所產(chǎn)生的累積效應(yīng)也會產(chǎn)生潛移默化的傷害作用.也就是說電磁波是人類健康的“雙刃劍”,人們在廣泛接觸電磁波的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,有必要認(rèn)識和了解電磁波“雙刃劍”的特性,以便趨利避害,充分利用它對人類生活和健康有益的一面,而對其對人體傷害的一面進(jìn)行防護(hù),使其更好地為人類的生產(chǎn)和生活活動以及人類的健康服務(wù).

1 電磁波譜

根據(jù)物理學(xué)可知,電磁波就是隨時(shí)間變化的電磁場,它具有波動的性質(zhì).在自由空間中,電磁波的波長λ和振蕩頻率f之間有如下關(guān)系:

式中,c是電磁波在自由空間的傳播速度,它等于光速,即約為3×108m/s.這一速度大致相當(dāng)于電磁波在一秒內(nèi)沿赤道繞地球傳播7周半.

從式(1)可以看出,不同波長的電磁波對應(yīng)不同的頻率和不同的能量,這些不同的參數(shù)變化形成電磁波譜[1-3],如表1所示.根據(jù)電磁波譜,電磁波劃分為7個(gè)波段,依次是無線電波(又稱射頻)、微波、紅外線、可見光、紫外線、X-射線、射線.它們的特點(diǎn)和規(guī)律是:波長依次從長變短,頻率依次由低變高,能量依次由小變大.

人類是世界上最高級的生物,要了解電磁波對人體作用的影響,首先應(yīng)該了解電磁波的生物效應(yīng).電磁波對生物的影響很復(fù)雜,每種電磁波由于它們的波長、頻率和能量的不同,其對生物體的影響程度也各不相同.高能量波段的電磁波產(chǎn)生電離輻射效應(yīng),低能量波段則產(chǎn)生非電離輻射效應(yīng).

表1 電磁波譜Tab.1 Spectrum o f electrom agneticw ave

2 電離輻射效應(yīng)

2.1 電離輻射的定義

由生物學(xué)可知,人體的軟組織是由細(xì)胞購成,而細(xì)胞的結(jié)構(gòu)又主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成,蛋白質(zhì)又由大量的分子所構(gòu)成.當(dāng)具有極高能量的電磁波或粒子流對生物體進(jìn)行輻射作用時(shí),分子內(nèi)的原子在高能量的激發(fā)下就會失去電子,一旦原子失去電荷,分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化,形成離子,這種現(xiàn)象稱為電離輻射效應(yīng).

2.2 電離輻射對人體健康的影響

人體軟組織的細(xì)胞核中有DNA和RNA等基因物質(zhì),它們是由四種不同的堿基的各種排列控制著細(xì)胞的生存和分裂方式,這些排列就是遺傳密碼.在電離輻射的作用下,由于分子結(jié)構(gòu)的變化,細(xì)胞的遺傳密碼往往就要被打亂,遺傳密碼一旦被打亂,細(xì)胞就有可能向著無法預(yù)計(jì)的方向發(fā)展,對生物體造成損害,使其產(chǎn)生不同程度的病變.

電離輻射在人體組織內(nèi)釋放能量,導(dǎo)致細(xì)胞死亡或損傷.在少量劑量下,它并不能對人體造成傷害.在某些情況下,細(xì)胞并不死亡,但是變成非正常細(xì)胞,有些為暫時(shí),有些為永久的,那些非正常細(xì)胞甚至發(fā)展為癌變細(xì)胞.大劑量的輻射將引起大范圍的細(xì)胞死亡.在小劑量的輻射下,人體或部分被輻射器官能存活下來,但是最終導(dǎo)致癌癥發(fā)病的幾率大大增加.受輻射損傷范圍依賴于輻射源的大小,受輻射時(shí)間以及受輻射組織的面積和特性.受低劑量或中等劑量的輻射的傷害并不能在幾個(gè)月甚至是1年中顯示出來.例如,因輻射引起的白血病,受輻射發(fā)病的潛伏期為2年,腫瘤潛伏期為5年.輻射后產(chǎn)生的病變與發(fā)病的幾率依賴于受輻射的類型(慢性輻射,急性輻射).但是并不是所有受輻射后產(chǎn)生的病因都由輻射引起.同時(shí),因輻射誘發(fā)的癌癥及人體基因的損傷與其他因素?zé)o顯著差別.其中,慢性輻射在長時(shí)間內(nèi)斷斷續(xù)續(xù)的暴露在低水平劑量的輻射環(huán)境下,慢性輻射產(chǎn)生的作用,只有在輻射后的一段時(shí)間后,才可能被察覺.這種作用包括:DNA變異、誘發(fā)癌癥、良性腫瘤、白內(nèi)障、皮膚癌、先天性缺陷等.急性輻射是在很短的時(shí)間內(nèi)受到大劑量的輻射,大劑量的輻射一般由放射事故或是特殊的醫(yī)療過程產(chǎn)生的.在大多數(shù)情況下,大劑量的急性輻射能引起立即損傷,并產(chǎn)生慢性損害.對于人體,大劑量能引起急性放射病,如大面積出血,細(xì)菌感染,貧血,內(nèi)分泌失調(diào)等,后期效應(yīng)可能引起白內(nèi)障,癌癥,DNA變異等,極端劑量能在很短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致死亡.

2.3 具有電離輻射作用的電磁波段

如前所述,生物體的電離輻射是具有極高能量的電磁波或粒子流對生物體輻射時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象.具體到電磁波具有的能量達(dá)到多高時(shí)才能產(chǎn)生電離輻射效應(yīng)呢?研究表明,電磁波的能量大于124 eV時(shí)就可以產(chǎn)生電離輻射效應(yīng)[1],也就是124 eV是電磁波電離輻射的閾值.根據(jù)表1所列出的電磁波各波段的特征參數(shù),其中X射線和γ射線所具有的能量均超過了這個(gè)閾值,它們對生物組織都具有明顯的電離輻射作用,同時(shí)對生物組織還具有較強(qiáng)的穿透能力,其中γ射線經(jīng)聚焦還能對生物組織進(jìn)行切割.

從表1中還可以看出紫外線的能量其上限值已達(dá)到了電離輻射的閾值124 eV.盡管科學(xué)家們在劃分電離輻射波段范圍時(shí),沒有將其劃入電離輻射范圍之內(nèi),但其還是有微弱的電離輻射作用,紫外線應(yīng)該算是從非電離輻射波段到電離輻射波段的過渡波段.它的微弱的電離輻射效應(yīng),對生物體還是有一定的損傷作用.例如,人體較長時(shí)間地接受紫外線的照射,就會出現(xiàn)傷痕;還有人們常用的紫外線消毒,就是用紫外線對細(xì)菌進(jìn)行殺滅,這是由于細(xì)菌是細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單的生物體,紫外線微弱的電離作用能將細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單的生物體予以殺滅.為此,當(dāng)人們使用有關(guān)紫外線的儀器和設(shè)備時(shí),也要謹(jǐn)慎從事,防止使用不當(dāng)所造成的誤傷.

3 非電離輻射效應(yīng)

如前所述,X射線和γ射線對生物體產(chǎn)生電離輻射作用,紫外線是非電離輻射作用向電離輻射作用過度波段,具有微弱的電離輻射作用.屬于電磁波范圍的其它幾個(gè)波段——射頻、微波、紅外線、可見光對生物體的作用則為非電離輻射作用.非電離輻射作用又分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩類[2,4].

3.1 熱效應(yīng)

3.1.1 熱效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制

人體內(nèi)70%是水,所含各種組織、細(xì)胞、體液等無不由大量的分子、離子所組成.分子中可分為極性分子和非極性分子,前者指其內(nèi)部正、負(fù)電荷中心分離,后者的正、負(fù)電荷中心暫且重合.離子則是分子或分子團(tuán)、原子或原子團(tuán)失去或得到電子而成為帶電的正離子或負(fù)離子.當(dāng)電磁波作用到生物組織時(shí),受到了外加電磁場的作用,將發(fā)生以下兩種機(jī)制的熱效應(yīng)[2,4].

(1)歐姆加熱效應(yīng):其加熱原理是電流流經(jīng)電阻時(shí)電阻生熱的原理.當(dāng)人體內(nèi)部的自由電子、離子即沿外加電場、磁場力的方向運(yùn)動,引起定向傳導(dǎo)電流或局部渦旋電流,這些電流與生物組織的電阻抗相互作用,產(chǎn)生歐姆加熱效應(yīng).

(2)波動能量加熱效應(yīng):其加熱原理為物體之間摩擦生熱的工作原理.極性分子則在交變電磁場的作用下隨其頻率作振動,原非極性分子因?yàn)殡姶艌龅淖饔米兂蓸O化分子也隨電磁場的頻率作振動,結(jié)果使分子內(nèi)能增加,即產(chǎn)生波動能量加熱效應(yīng).無論是電子、離子的定向或渦旋運(yùn)動還是極化分子的高頻振動,都要加劇離子間的摩擦、極化分子之間的摩擦以及離子與極化分子的相互摩擦,這些摩擦都會產(chǎn)生熱效應(yīng).

至于歐姆加熱效應(yīng)為主,還是波動能量加熱效應(yīng)為主,這取決于所施加電磁波的頻率.一般說來,生物體組織既具有介電特性,又有導(dǎo)電特性,究竟以哪種性質(zhì)為主,這取決于生物體特征頻率的fc值與外加交變電磁場的頻率.設(shè)外加電磁場的頻率為f,則有:

當(dāng)f?fc時(shí),介質(zhì)的電阻抗較小,可看作導(dǎo)電體;當(dāng)f?fc時(shí),介質(zhì)的電阻抗較大,可看作介電體.

對于第一種情況生物體內(nèi)會流過較強(qiáng)的電流,為此低頻電磁波對生物體來說以歐姆加熱效應(yīng)為主;對于第二種情況生物體內(nèi)流過的電流很微弱,極性分子在高頻電磁場的作用下高頻振動成為主要傾向,此時(shí)以波動能量加熱效應(yīng)為主.不管是那一種效應(yīng)的加熱,都表現(xiàn)為生物組織對電磁波能量的吸收,將電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能,使生物組織的溫度升高.

3.1.2 對生物組織的加熱深度

電磁波對生物組織的加熱深度又稱為穿透深度,它指波動能量加熱效應(yīng)的加熱深度,它是衡量電磁波加熱能力的一項(xiàng)重要指標(biāo).電磁波在進(jìn)入生物組織媒質(zhì)時(shí)被吸收而衰減,并且在不同性質(zhì)的生物組織媒質(zhì)的界面處產(chǎn)生反射和折射.在此過程當(dāng)中,電磁波在媒質(zhì)中不斷損失能量,被組織所吸收,產(chǎn)生熱量,使組織溫度升高.由此看來,電磁波對生物組織加熱的過程,就是自身能量和強(qiáng)度不斷損失的過程.到底其能量和強(qiáng)度損失多少,就失去了再加熱的能力,具體說來也就是對生物組織加熱的深度是多少.

電磁波的能量和強(qiáng)度與它的振幅密切相關(guān),物理上把電磁波振幅衰減為原振幅的1/e時(shí),在生物組織中所傳播的距離稱為穿透深度[4,5].e是數(shù)學(xué)中的一個(gè)常數(shù),其值e=2.71828183,則有:1/e=0.3678795?0.37,亦就是電磁波振幅衰減為原振幅的37%時(shí)所傳播的距離稱為穿透深度.此時(shí)電磁波相應(yīng)的能量減小到原來最大值的1/e2=0.135=13.5%.

3.1.3 加熱深度的影響因素

(1)與電磁波的頻率密切相關(guān).電磁波對生物組織的穿透深度一方面與頻率有密切關(guān)系,當(dāng)其頻率越高,波長越短,在傳播過程中其波動能量熱效應(yīng)越顯著,越容易被生物組織所吸收,其強(qiáng)度衰減越厲害,穿透深度越淺.

(2)與生物組織的性質(zhì)密切相關(guān).同一頻率和功率的電磁波,對不同的生物組織的穿透深度也不相同.含水量多的生物組織,更容易吸收電磁波能量將其轉(zhuǎn)換成熱能,電磁波強(qiáng)度衰減較快,穿透深度較小.肌肉與脂肪和其他生物組織相比含水量較多,電磁波在其內(nèi)部傳播時(shí),強(qiáng)度衰減較快,穿透深度較淺.表2給出了不同頻率的電磁波對肌肉組織的穿透深度[4,5],以作參考.從表中可看出隨著電磁波頻率的升高穿透深度逐漸變淺的關(guān)系.

表2 不同頻率的電磁波對肌肉的穿透深度Tab.2 Penetration dep th ofm uscle by electrom agnetic w avew ith different frequency

3.2 非熱效應(yīng)

電磁波的非熱效應(yīng)主要包括對神經(jīng)肌肉的刺激作用和其他生物物理效應(yīng)[4,5].電磁波對神經(jīng)、肌肉產(chǎn)生刺激的原因?yàn)?當(dāng)有電流流過神經(jīng)、肌肉中的興奮細(xì)胞,并使細(xì)胞膜內(nèi)外電位差達(dá)到或超過閾值時(shí),即產(chǎn)生興奮現(xiàn)象.這種興奮現(xiàn)象,在神經(jīng)中表現(xiàn)為刺激信號,在肌肉中則表現(xiàn)為使之收縮.由于細(xì)胞膜主要呈電容特性,在高頻電磁場作用時(shí)阻抗降低,同樣電流所產(chǎn)生的膜內(nèi)外電位差比低頻電流產(chǎn)生的電位差要小的多.為此,對于其中的第一種刺激作用,隨電磁波頻率的升高成反比例減小,大體上,低頻時(shí)1m A/cm2的電流密度即可產(chǎn)生興奮刺激作用,當(dāng)頻率超過1 kH z時(shí),則較難激起興奮,例如頻率為1M H z時(shí),電流密度需達(dá)1A/cm2才能引起興奮.

電磁場除熱效應(yīng)和對神經(jīng)、肌肉有刺激作用外,還可以對生物組織細(xì)胞、分子產(chǎn)生某些微妙的生物物理效應(yīng).例如,以可聞聲波頻率調(diào)制的電磁波作用于生物組織時(shí)會產(chǎn)生音感;用低頻電磁波作用于人體時(shí)則可引起腦電波的變化等.一般將這些生物效應(yīng)稱為非熱效應(yīng),以與熱效應(yīng)相區(qū)別.由于此類現(xiàn)象通常在電磁場強(qiáng)度為數(shù)V/cm,并且作用時(shí)間較長時(shí)才會發(fā)生,故在熱效應(yīng)的應(yīng)用場合一般不予考慮.

3.3 非電離輻射對人體健康的影響

3.3.1 累積效應(yīng)對人體健康的影響

人體的器官和組織都存在微弱的電磁場,它們是穩(wěn)定和有序的,一旦受到外界電磁波的干擾,所產(chǎn)生的熱效應(yīng)或非熱效應(yīng)作用于人體后,處于平衡狀態(tài)的微弱電磁場即遭到破壞,人體正常循環(huán)機(jī)能就會遭受一定程度的破壞.如果外界電磁波的干擾經(jīng)短時(shí)間的作用后及時(shí)消除,人體組織內(nèi)所存在的微弱電磁場就會恢復(fù)到穩(wěn)定和有序的狀態(tài),對人體健康不會有什么影響.如果外界電磁波連續(xù)或者較頻繁地重復(fù)作用于人體,所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)對人體的傷害尚未來得及自我修復(fù)之前,再次受到電磁波輻射的話,其傷害程度就會隨之發(fā)生累積,久而久之其累積效應(yīng)就會誘發(fā)永久性病變.對于長期接觸電磁波輻射的群體,應(yīng)當(dāng)警惕積累效應(yīng)對身體健康的影響.

各國科學(xué)家經(jīng)過長期研究證明:長期接受電磁輻射會造成人體免疫力下降、新陳代謝紊亂、記憶力減退、提前衰老、心率失常、視力下降、聽力下降、血壓異常、皮膚產(chǎn)生斑痘、粗糙,甚至導(dǎo)致各類癌癥等;男女生殖能力下降、婦女易患月經(jīng)紊亂、流產(chǎn)、畸胎等癥.

3.3.2 熱效應(yīng)對疾病的治療作用

人體的疾病多種多樣,但一般來說分為兩大類,即惡性腫瘤和一般良性疾病.電磁波的熱效應(yīng)對兩類疾病均有治療作用.

(1)對腫瘤的治療作用.隨著對電磁波及其應(yīng)用技術(shù)的研究和發(fā)展,人們認(rèn)識了電磁波對生物組織的熱效應(yīng)以及對腫瘤有效治療作用,對加熱治療腫瘤有了更加理性的認(rèn)識.首先是腫瘤組織細(xì)胞與正常組織細(xì)胞相比對加熱敏感,41～43℃即死亡,而正常組織在這個(gè)溫度范圍內(nèi)不受損傷;第二,癌組織中含水量明顯高于正常組織,且腫瘤組織內(nèi)血管紊亂,血流量低,僅為正常組織的2%～15%,電磁波輻射后使瘤體發(fā)熱容易、散熱慢,很快形成高溫.以上兩點(diǎn)就形成了瘤體組織高溫致死時(shí)間遠(yuǎn)少于正常組織的原因.

(2)對良疾性病的治療作用.電磁波的熱效應(yīng)使皮下組織溫度上升,致使毛細(xì)血管擴(kuò)張,加速血液流動,使微循環(huán)血流量能增加1倍,致使病變組織微循環(huán)得到充分的改善,吸收能量養(yǎng)分、排除廢物,以促進(jìn)病變組織的新陳代謝,增強(qiáng)機(jī)體的生物免疫功能,提高細(xì)胞活力,改善局部組織的營養(yǎng)狀態(tài),達(dá)到治療疾病的目的.

4 結(jié)束語

1864年,英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,建立了完整的電磁波理論.他斷定電磁波的存在,推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的傳播速度.一個(gè)半世紀(jì)以來,人們對電磁波的研究和認(rèn)識由淺入深,應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,應(yīng)用的水平逐漸提高.但仔細(xì)回顧與總結(jié)起來,電磁波的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在兩大領(lǐng)域,一個(gè)是通信領(lǐng)域,另一個(gè)就是醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域.在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用,人們建立了無線電廣播、電視、移動電話等各種發(fā)射臺站,研制了相應(yīng)的接收設(shè)備收音機(jī)、電視機(jī)和手機(jī)等等;在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域,人們基于電磁波的生物效應(yīng),趨利避害,研制發(fā)明了一系列的醫(yī)用儀器,如X射線成像疾病診斷儀、射頻治療儀、微波熱療儀、紅外線治療儀、紫外線治療儀、伽瑪手術(shù)刀、放療機(jī)等等.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,基于電磁波的儀器、設(shè)備日益普及,廣大的人群已經(jīng)淹沒在電磁波的汪洋大海之中,為此人們有必要普及電磁波的基本知識,了解電磁波的生物效應(yīng),深入認(rèn)識電磁波“雙刃劍”的特性,在盡情享受電磁波所帶來方便的同時(shí),注意采取必要的防護(hù)措施,防止電磁波對自己身體的傷害.

[1] 郭 鷂,陳曉燕.試論電離輻射與非電離輻射生物效應(yīng)的關(guān)系與差異[C]//學(xué)術(shù)研討會.全國非電離輻射與電離輻射生物效應(yīng)及防護(hù)學(xué)術(shù)研討會論文匯編.西安:西安交通大學(xué)出版社,2004.

[2] 吳石增.電磁波與醫(yī)用儀器[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2007(6):3-7.

[3] 龐小峰.生物電磁學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4] 宋 濤,霍小林,吳石增.生物電磁特性及其應(yīng)用[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[5] 林世寅,李瑞英.現(xiàn)代腫瘤熱療學(xué)[M].北京:學(xué)苑出版社,1997.