生物体内电学特性及其在电磁场中的变化

生物体内电学特性及其在电磁场中的变化

刘豪

（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程系，哈尔滨 150001）

摘要：随着电气工业以及通讯业的日益快速发展，电磁技术的应用给人类创造了巨大的物质文明的同时也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。电磁场生物效应的发生与发展与电磁场本身的特性以及生物组织的电磁学性质密切相关，而生物组织的电磁学性质又随着电磁场频率的变化而变化。我们将探讨不同电磁辐射作用下生物组织的电磁学特性变化，分析不同类型电磁场对于生物体产生的一些具体的影响，并对于电磁辐射影响健康的机理及其防护策略进行初步的研究。

关键词：电磁辐射；生物效应；生物组织；电磁特性

人们生活的空间中交织着大量的电磁波，有环境中本来就具有的宇宙辐射、地磁场等，也有人为制造的各类电磁波如广播电磁波，无线通信电磁波以及工频电磁波等。电磁场与生物体相互作用的本质是电磁场与构成生物体的各个层次的物质之间的相互作用，生物组织处于不同频率的外加电磁场中其表现的电磁特性会发生变化，不同场强、频率、振幅的电磁场所作用的对象也有所不同，同时电磁场与生物作用的时间长短不同所产生的生物效应也不同。研究生物组织的电磁特性是研究电磁场与生物体之间相互作用的基础，对于电磁辐射影响生物组织的电磁特性的研究可以明确电磁场生物效应产生的微观机理，从而可以进行有效的防止或者减少电磁场对生物体的负面影响。

从电磁学角度来看，生物体是由大量细胞构成的具有复杂电磁性质的容积导体，对于生物体在电磁环境下其电磁性质的改变的研究可以揭示电磁场中生物体对于电磁能量的吸收及其与电磁场之间的耦合特性。电磁场对于生物体电磁特性的影响在诸多领域都将得到具体应用。[1]

1 电磁辐射作用于人体的原理

在电磁场中，生物分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而是电介质。由交变的电场、磁场产生的电磁波在空间传播时与生物体作用可以被生物体物质吸收。生物体在交变磁场中受到电磁辐射的作用一般会发生以下的生物效应：

1.1热效应

电磁辐射作用于人体后，一部分被反射，另一部分被吸收。人体组织主要是由水分子和蛋白分子组成，它们是一种极性分子，在没有外电磁场的作用时由于热运动使之处于不规则的随机状态。因此整个组织不显电性，当受到外加交变电磁场的作用时，极性分子就会被极化由杂乱无章的排列开始重新排队。在交变电磁波不断作用的情况下，极性分子间摩擦生热从而使机体产生热量，从使蛋白变形酶失活，进而影响机体各项生命活动。

当辐射功能密度较大时，人体吸收的辐射能转化的热量超过人体温度调节能力，会引起局部体温明显升高从而引起生理紊乱。热效应将损伤对热比较敏感的器官，比如眼睛、大脑等。[2]

1.2 非热效应

在电磁场的辐射下，人体的有些组织不易显示出热效应，但是会造成一些非热效应。这是因为人体具有保持恒温的自我调节能力。当电磁辐射产生的比吸收率小于某一数值时，人体的温度不会升高，故不会有电磁辐射热效应。当人体吸收电磁辐射的功率超过一定数值时，人体温度才会升高，即电磁辐射的阈值效应。通常静电场、恒定磁场、低频磁场引起非热效应。非热效应也会对人体产生一些影响，比如常见的人体失衡、头晕、失眠、疲劳、恶心等

症状。[2]

2 电磁场对生物细胞的影响

电磁辐射严重影响着人体的健康。电磁场生物效应的发生机制与电磁场本身的特性相关，同时也与生物组织在电磁场作用下电磁特性的改变密切相关。生物体内的信号分子、自由基以及磁颗粒等处于外加电磁场中时其电磁特性会发生变化，尤其是不同频率电磁场曝露作用下生物组织的导电、介电以及磁学等特性会有非常显著的区别。[3]

2.1电磁场对生物膜电磁特性的影响

电磁场对生物体的作用是生物学效应，其大多是通过对细胞的作用来实现的。细胞膜具有低漏电特性，在电磁场的作用下，细胞膜表面会产生极化现象。学术界通常认为细胞膜的电阻率在0.1～1 Ω·cm2，细胞膜容性成分的阻抗为(2πf C)-1，因此随着频率的升高，膜阻抗的值会下降。当外场频率大于100 MHz的时候，细胞膜的阻抗特性与细胞液阻抗特性相近，此时细胞膜的充电效应会随着频率的升高而快速地下降。

研究结果显示，细胞膜的介电常数随着外场频率的升高而降低，当细胞膜处于高频

(f >105 Hz)电磁场中其介电常数趋近于0。因而在高频范围内，细胞膜的组成成分随着外加电磁的变化不会发生明显的响应，也说明了在高频电磁场对于细胞不会产生明显的生物学效应。能够对于生物细胞产生生物学效应的主要是低频电磁场，且频率越低的电磁场的生物效应越明显。

2.2脉冲电磁场对于血脑屏障通透特性的影响

宽频脉冲电磁场通过对细胞的强烈极化进而能够引起细胞膜产生一定程度的电穿孔，即改变细胞膜的通透性，在细胞膜上出现的孔洞形成了可以让大分子通过的穿膜通道。研究表明脉冲电磁照射作用于大脑组织时并没有使分子的结构和构象发生变化。因此，脉冲电磁场对大鼠脑部组织产生的损伤是非常小的，从而使BBB开放的技术得到了发展，为脑肿瘤等脑部疾患的直接施药治疗提供一个新的方法。

2.3电磁场对细胞间信号分子的影响

电磁场可使分子产生扭曲、离子或电子错位、震动、旋转或改变分子极性的方向。在生物体的信息转导过程中，尤其是在细胞间的信号转导过程中，只有少部分信号可以直接引起细胞的生理反应，多数信号必须先被细胞膜上的受体识别，然后通过膜上的信号转换系统，转变为细胞内信号，进而实现细胞间的信号转导功能，实现调节细胞的代谢活动和生理功能。

目前一般认为，电磁场与细胞作用的初始位点是细胞膜，随后触发的一切反应都由细胞膜介导，细胞膜上的细胞信号系统在介导电磁场作用中扮演着重要角色。

2.4电磁场对自由基的影响

自由基的寿命非常短暂，并且具有较高的活性，可以在生物分子之间高速碰撞直至和周围环境重新组合。磁场可以改变自由基的旋转状态，进而可能会改变其重新组合的可能性，同时也可能会改变自由基与周围生物分子之间高速碰撞的特点。研究发现，微波频率可以通过施加极化松弛机制对于自由基进行作用，进而改变自由基可能的化学反应。因为自由基具有极短的寿命，在高频( f>105Hz)电磁场作用下自由基所受的影响较小，而在低频电磁场作用下，自由基对于外加电磁场的应答特性表现得非常明显，这与自由基的荷质比以及外加电磁场的特性密切相关。

3 电磁场对生物组织的影响[4]

3,1电磁场对生物组织介电特性的影响

生物组织也具有介电色散的特性，其色散的特性是指由于电偶极子或者偶电层介电弛豫所造成的介电损耗特性。生物组织电磁特性的测量技术与方法在近年来取得了重大进展。在