Электромагнитная волна, распространяясь от источника в неограниченном пространстве со скоростью света, создает электромагнитное поле (ЭМП), способное воздействовать на заряженные частицы и токи, в результате чего происходит превращение энергии поля в другие виды энергии.
Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения, к которым, в частности, относятся радиоволны и свет. При характеристике электромагнитной обстановки используют термины “электрическое поле”, “магнитное поле”, “электромагнитное поле”. Электрическое поле создается зарядами. Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику.
Электромагнитное поле – это силовое поле, образованное вокруг электрического тока, эквивалентное электрическому полю и магнитному полю, расположенным под прямыми углами друг к другу.
Основные источники электро-магнитного излучения.
1.электропередач (городского освещения, высоковольтные,…);
2.электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда,…);
3.электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации,…);
4.теле- и радиостанции (транслирующие антенны);
5.спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны);
6.бытовые электроприборы;
7.радары;
8.персональные компьютеры.
Биологическое действие электромагнитных полей
Многочисленные исследования в области биологического действия ЭМП позволят определить наиболее чувствительные системы организма человека: нервная, иммунная, эндокринная и половая. Эти системы организма являются критическими. Реакции этих систем должны обязательно учитываться при оценке риска воздействия ЭМП на население. Биологический эффект ЭМП в условиях длительного многолетнего воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы центральной нервной системы, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональные заболевания. Электромагнитные поля могут быть особенно опасны для детей, беременных (эмбрион), людей с заболеваниями центральной нервной, гормональной, сердечно-сосудистой системы, аллергиков и людей с ослабленным иммунитетом.
Влияние электромагнитного излучения на нервную систему:
Механизм воздействия очень прост – установлено, что электромагнитные поля нарушают проницаемость клеточных мембран для ионов кальция. В результате нервная система начинает неправильно функционировать. Кроме того, переменное электромагнитное поле индуцирует слабые токи в электролитах, которыми являются жидкие составляющие тканей. Спектр вызываемых этими процессами отклонений весьма широк — в ходе экспериментов фиксировались изменения ЭЭГ головного мозга, замедление реакции, ухудшение памяти, депрессивные проявления и т.д..
Влияние электро магнитного излучения на иммунную систему:
Экспериментальные исследования в этом направлении показали, что то у животных, облученных ЭМП, изменяется характер инфекционного процесса — течение инфекционного процесса отягощается. Есть основания считать, что при воздействии ЭМИ нарушаются процессы иммуногенеза, чаще в сторону их угнетения. Этот процесс связывают с возникновением аутоиммунитета. В соответствии с этой концепцией, основу всех аутоиммунных состояний составляет в первую очередь иммунодефицит по тимус-зависимой клеточной популяции лимфоцитов. Влияние ЭМП высоких интенсивностей на иммунную систему организма проявляется в угнетающем эффекте на Т-систему клеточного иммунитета.
Влияние электромагнитного излучения на эндокринную систему:
Исследования показали, что при действии ЭМП, как правило, происходила стимуляция гипофизарно-адреналиновой системы, что сопровождалось увеличением содержания адреналина в крови, активацией процессов свертывания крови. Было признано, что одной из систем, рано и закономерно вовлекающей в ответную реакцию организма на воздействие различных факторов внешней среды, является система гипоталамус-гипофиз-кора надпочечников.
Влияние электромагнитного излучения на сердечно-сосудистую систему:
Можно также отметить нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы. Она и проявляются в форме лабильности пульса и артериального давления. Отмечаются фазовые изменения состава периферической крови.
Влияние электромагнитного излучения на половую систему:
Наблюдается угнетение спермакинеза, увеличение рождаемости девочек, повышение числа врожденных пороков и уродств. Яичники более чувствительны к влиянию электромагнитного излучения.
Женская половая сфера более восприимчива к воздействию электромагнитных полей, создаваемых компьютерами и другой офисной и бытовой техникой, чем мужская.
Влияние электромагнитного излучения на беременных и детей:
Детский организм по сравнению со взрослым имеет некоторые особенности, например, отличается большим соотношением длины головы и тела, большей проводимостью мозгового вещества.
Из-за меньших размеров и объема головы ребенка удельная поглощенная мощность больше, по сравнению со взрослой и излучение проникает глубже в те отделы мозга, которые у взрослых, как правило, не облучаются. С ростом головы и утолщением костей черепа уменьшается содержание воды и ионов, а значит и проводимость.
Доказано, что растущие и развивающиеся ткани наиболее подвержены неблагоприятному влиянию электромагнитного поля, а активный рост человека происходит с момента зачатия примерно до 16 лет.
В эту группу риска попадают также и беременные женщины, поскольку ЭМП биологически активно в отношении эмбрионов. При разговоре беременной женщины по сотовому телефону практически все ее тело подвергается воздействию ЭМП, включая развивающийся плод.
Чувствительность эмбриона к повреждающим факторам значительно выше, чем чувствительность материнского организма. Установлено, что внутриутробное повреждение плода ЭМП может произойти на любом этапе его развития: во время оплодотворения, дробления, имплантации, органогенеза. Однако периодами максимальной к ЭМП чувствительности являются ранние стадии развития зародыша – имплантация и ранний органогенез.
Механизмы действия магнитных полей на живой организм
Организм представляет собой многоуровневую иерархическую организацию. Особенности структуры каждого из этих уровней предопределяют характерную избирательность взаимодействия по различным параметрам МП. В связи с этим для осмысления механизмов действия МП на живые системы предлагается выделить следующие уровни, на которых это взаимодействие прослеживается достаточно явно.
- Ядерно-молекулярный уровень, включающий подуровни:
— электронно-ядерный;
— ионно-молекулярный.
- Цитохимический уровень, в котором следует выделить:
— субклеточные структуры;
— структурные образования, обеспечивающие ионное равновесие в клетках и тканевой жидкости;
— клеточные мембраны;
— биополимеры, определяющие вязкость и способность изменять агрегатное состояние жидких сред организма.
- Тканевый уровень, на котором воздействие МП будет предопределяться:
— особенностями морфологии данной ткани;
— функциональной предназначенностью тканей;
— преобладающим характером метаболизма.
- Органный уровень (воздействие на отдельные органы).
- Системный уровень, включающий:
— центральную, периферическую и вегетативную нервные системы;
— сенсорные системы;
— сердечно-сосудистую систему;
— эндокринную систему;
— дыхательную, пищеварительную и выделительную системы;
— систему крови;
— опорно-двигательный аппарат и др.
- Межсистемный уровень, описывающий взаимодействие между отдельными системами организма.
- Общесистемный уровень, формирующийся при интегрировании взаимодействий между всеми системами.
- Межличностный уровень, включающий:
— воздействие одного организма на другой через собственное излучение ЭМП;
— взаимодействие живых организмов во внешнем ЭМП.
ЯМР и ЭПР.
У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Однако такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом. В зависимости от типа частиц – носителей магнитного момента – различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
ЭПР-электронный парамагнитный резонанс.
Резонансное поглощение электромагнитной энергии в сантиметровом или миллиметровом диапазоне длин волн веществами, содержащими парамагнитные частицы.
ЭПР был открыт Завойским Е.К. в 1944г. В первых опытах наблюдалось резонансное поглощение в солях ионов группы железа.
ЭПР происходит в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами.
Наиболее распространён ЭПР на частицах с чисто спиновым магнитным моментом(в зарубежной литературе такую разновидность ЭПР иногда называют электронным спиновым резонансом).
Метод спинового зонда.
Значительные успехи в изучении структуры биомембран и биополимеров были достигнуты после появления методов спиновых зондов и меток. В качестве спиновых меток и зондов в основном используются стабильные нитроксильные радикалы. Нитроксильный радикал может быть ковалентно связан с молекулами либо удерживаться в исследуемой системе за счет физических взаимодействий. Сущность метода заключается в том, что форма спектра ЭПР нитроксильных радикалов зависит от свойств микроокружения: вязкости, характера и скорости молекулярного движения, локальных магнитных полей и др. Спинметки, ковалентно связанные с различными группами биополимеров, являются индикатором состояния структуры биополимера и ее изменений. С помощью спиновых меток исследуются пространственная структура биополимеров, структурные изменения белков при денатурации, образовании комплексов фермент — субстрат, антиген — антитело и т. д. С помощью метода спиновых зондов изучаются способы упаковки и подвижность липидов в биомембранах, липидбелковые взаимодействия, структурные переходы в мембранах, вызванные действием различных веществ и т. д. На основе использования спиновых меток и зондов предложены методы определения лекарственных средств в биологических жидкостях, а также исследуются вопросы направленного транспорта лекарственных средств и анализ изменений в клетках, и тканях при различных заболеваниях, определении низких концентраций токсичных и биологически активных веществ в организме, изучения механизмов действия вирусов и т. д.
Спиновые зонды – индивидуальные парамагнитные химические вещества, применяемые для изучения различных молекулярных систем с помощью спектроскопии ЭПР. Характер изменения спектра ЭПР этих соединений позволяет получать уникальную информацию о взаимодействиях и динамике макромолекул и о свойствах различных молекулярных систем. Это метод исследования молекулярной подвижности и различных структурных превращений в конденсированных средах по спектрам электронного парамагнитного резонанса стабильных радикалов, добавленных к исследуемому веществу. Если стабильные радикалы химически связаны с частицами исследуемой среды, их называют метками и говорят о методе спиновых (или парамагнитных) меток. Нитроксильные радикалы, устойчивы в широком интервале температур (до 100-200○С), способны вступать в химические реакции без потери парамагнитных свойств, хорошо растворимы в водных и органических средах. Высокая чувствительность метода ЭПР позволяет вводить зонды (в жидком или парообразном состоянии) в малых количествах – от 0,001 до 0,01% по массе, что не вызывает изменения свойств исследуемых объектов. Метод спиновых зондов и меток применяется особенно широко для исследования синтетических полимеров и биологических объектов.
Использование.
ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза, где с помощью этого метода изучаются первичные стадии фотохимических реакций переноса электрона от хлорофилла к первичным акцепторам электрона и дальнейший перенос электрона по электрон – транспортной цепи хлоропластов. Исследуют канцерогенную активность некоторых веществ.
С помощью ЭПР в тканях животных и растений определяют парамагнитные ионы (железа, меди, марганца, кобальта и т. д.), которые входят в состав металлопротеидов, участвующих в реакциях переноса электронов по электронтранспортным цепям и ферментативном катализе, а также в кислородпереносящих пигментах (гемоглобине). С помощью ЭПР(электронный парамагнитный резонанс) удается исследовать окислительно-восстановительные превращения ионов металлов и характер взаимодействия ионов с их окружением, что позволяет установить тонкую структуру металлосодержащих комплексов.
С помощью ЭПР оказалось возможным исследовать механизмы ферментативных реакций. В частности, удается одновременно изучать как кинетику образования и расходования свободных радикалов в ходе ферментативных реакций, так и кинетику окислительно-восстановительных превращений металлов, входящих в состав ферментов, что позволяет устанавливать последовательность стадий ферментативной реакции.
Метод ЭПР может быть применен в аварийной дозиметрии, напр. при случайном облучении людей для оценки дозы облучения, используя для этого предметы из зоны облучения.
ЭПР применяется также и для исследования структуры биологически важных макромолекул и биомембран. Напр., ионы железа, входящие в состав гема в гемсодержащих белках, могут находиться в высокоспиновом состоянии (электроны на внешних орбитах не спарены, суммарный спин максимален) и низкоспиновом (внешние электроны полностью или частично спарены, спин минимален). Исследования особенностей сигналов ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) высокоспиновых и низкоспиновых состояний ионов железа в гемоглобине и его производных способствовали пониманию пространственной структуры молекулы гемоглобина.
ЯМР- ядерно-магнитный резонанс.
Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.
В 1946 г. группы исследователей в Стэндфордском и Гарвардском университетах независимо друг от друга открыли явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). Суть его состояла в том, что ядра некоторых атомов, находясь в магнитном поле, под действием внешнего электромагнитного поля способны поглощать энергию, а затем испускать ее в виде радиосигнала. За это открытие Ф. Блоч и Е. Персель в 1952 г. были удостоены Нобелевской премии. Новый феномен вскоре научились использовать для спектрального анализа биологических структур (ЯМР-спектроскопия). В 1973 г. Пауль Лаутербур впервые показал возможность с помощью ЯМР-сигналов получить изображение — он представил изображение двух наполненных водой капиллярных трубочек. Так родилась ЯМР-томография. Первые ЯМР-томограммы внутренних органов живого человека были продемонстрированы в 1982 г. на Международном конгрессе радиологов в Париже.
Суть метода.
Суть метода Метод ядерно-магнитного резонанса основан на том, что в момент, когда тело находится в особо настроенном очень сильном магнитном поле (в 10000 раз сильнее, чем магнитное поле нашей планеты), молекулы воды, присутствующие во всех клетках организма, формируют цепочки, расположенные параллельно направлению магнитного поля. Если же внезапно изменить направление поля, молекула воды выделяет частичку электричества. Именно эти заряды фиксируются датчиками прибора и анализируются компьютером.
По интенсивности концентрации воды в клетках, компьютер создает модель того органа или части тела, которая изучается. На выходе врач имеет монохромное изображение, на котором можно увидеть тонкие срезы органа в мельчайших подробностях. По степени информативности данный метод значительно превышает компьютерную томографию. Иногда деталей об исследуемом органе выдается даже больше, чем нужно для диагностики. Виды магнитно-резонансной спектроскопии биологических жидкостей, внутренних органов. Методика дает возможность в подробностях обследовать все ткани человеческого организма, включающие воду. Чем больше жидкости в тканях, тем светлее и ярче они на картинке. Кости же, в которых воды мало, изображаются темными. Поэтому в диагностике заболеваний кости более информативным является компьютерная томография. Методика магнитно-резонансной перфузии дает возможность проконтролировать движение крови через ткани печени и головного мозга. На сегодняшний день в медицине более широко используется название МРТ (магнитно-резонансная томография).
Преимущества ЯМР-томографии.
Первое преимущество – замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), т.к. снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача. Кроме того, отпадает необходимость в проведении специальных мероприятий по защите персонала и окружающей среды от рентгеновского излучения.
Второе преимущество – чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей. При этом контрастность изображения на томограмме обеспечивается за счет разности в концентрациях водорода в различных участках органов и тканей. При этом исследованию не мешает фон от костных тканей, ведь концентрация водорода в них даже ниже, чем в окружающих тканях.
Третье преимущество заключается в чувствительности к различным химическим связям у различным молекул, что повышает контрастность картинки.
Четвертое преимущество кроется в изображении сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока.
Пятое преимущество заключается в большей на сегодня разрешающей способности исследования – можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.
И, шестое – МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.
ЯМР-томография имеет свои недостатки. К ним относят:
1. Необходимость создания магнитного поля большой напряженности, что требует огромных энергозатрат при работе оборудования и/или использования дорогих технологий для обеспечения сверхпроводимости. Радует то, что в научной литературе нет данных об отрицательной влиянии на здоровье магнитов большой мощности.
- Низкая, особенно в сравнении с рентгенологическими, чувствительность метода ЯМР-томографии, что требует увеличения времени просвечивания. Это приводит к появлению искажений картинки от дыхательных движений (что особенно снижает эффективность исследования легких, исследовании сердца).
- Невозможность надежного выявления камней, кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур.
4. Невозможность обследования некоторых больных, например с клаустрофобией (боязнью закрытых пространств), искусственными водителями ритма, крупными металлическими имплантатами. Не следует забывать и о том, что относительное противопоказание для ЯМР-томографии – беременность. Ну а кардиостимуляторы – строгое противопоказание к исследованию.
