电磁辐射的生物效应

1、电磁辐射的生物效应 随着社会的发展，环境中的电磁辐射剂量（能量密度）会呈几何级数式增长。有人把电磁污染称为除空气、水、噪声污染以外的第四类污染。而且是看不见、听不清、尝不出、闻不到的污染。生物电磁学（Bioelectromagnetics）就是研究从直流到远红外的电场、磁场和电磁场与生物系统相互作用的科学1，她的最终任务就是趋利避害，发扬光大其有利的正效应，躲避防护其有害的负效应特别是对于损伤性的负效应，我们既不能麻木不仁，掉以轻心；又不能谈虎色变，划地为牢，束缚自己的发展。为达此目的，就必须对电磁辐射的生物效应机理有个确切地把握。遗憾的是，各国学者做了多年的探索，提出过不少解释机理的模型、假

2、说以至理论，但都有待于可靠的重复试验予以确认。同时对于已有的实验和实验现象的可信度及解释，也各有见解，在某些问题上肯定和否定的意见并存，比如移动电话触发脑部肿瘤问题。前苏联与美国的电磁安全标准相差很大2，也反映出认识上的巨大差异。此外，由于生命现象固有的复杂性，使已有的生物知识难以深入地理解电磁辐射的生物效应。人们为此感到困惑是不足为怪的。很多机理都涉及到生命运动中物质、能量和信息的相互作用、相互转换的基本过程，是个大谜。比如，物理学中的相干的相互作用在生物体中是否存在，在什么层次和水平上存在，及其与生理活动和新陈代谢之间的调控关系等等。对其中一两个问题解释清楚都是极大的贡献。要想深入研究，就

3、必须认真学习新理论、新技术，发现新问题。 本文的目的，就是简单地介绍目前电磁辐射生物效应的几种机理解释。 1 有关的物理学背景知识 电荷产生电场，电荷流动产生磁场，两者合成为电磁场；电磁场以波的形式（电场和磁场的振幅相互垂直）向外传递电磁能量，形成了电磁辐射。人体是由电阻很高的皮肤所包绕，从物理角度来说是一个容积导体。而且除离子以外，生物大分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而且大都是电介质。因此，除非是直接触电，人体内各类物质主要以感应的方式而不是传导的方式与周围的电磁场或电磁辐射相互作用。即便是体内的离子或自由基，也是以感应的方式对电磁辐射作出应答。 1.1 生物电介质对电磁场的反应

4、 分子中的正负电荷重心不重合，则存在有偶极矩，称为极性分子；如重合，则称为非极性分子。水分子就是有较大偶极矩的极性分子2。氨基酸中的氨基和羧基，核苷酸中的碱基和磷酸基团，都是蛋白或DNA局部偶极矩的来源，而这些大分子的总的偶极矩则是局部偶极矩的矢量和。 维持大分子构象的力，主要是分子间及分子内的静电力（包括偶极-偶极相互作用）和其他相互作用力（如范德华力）。在电场中分子的正负电荷由于感应而重新分布，造成本身偶极矩和极化状态的改变，就有可能诱导出分子构象的变化。如50mT的静磁场即可对L-赖氨酸肽链构象产生影响3。在变化的电场中，电介质的各类极化要随着电场矢量（大小和方向）的变化而变化，这需要一

5、定的时间来完成，即存在一种驰豫过程。当电场变化速度（频率）达到一较高水平时，极化将出现滞后现象，从而产生介电损耗。用时间域反射（TDR）的介电方法，已发现天然DNA熔解变性时，在10MHz附近有显著的介电损耗出现5。 在亚细胞水平，有序的生物分子聚集体也呈现出明显的介电特性，细胞膜即是双层结构的介电材料，其跨膜静息电位差为60100mV，相当于107V/m的强电场（如此大的电场足以使很多无机材料击穿），膜上所有的偶极矩在这么大电场的作用下都能充分极化。因此电磁场可以对生物膜产生明显效应是不难理解的。再有，贯穿脂双层的离子通道大都是a螺旋结构，每个螺旋的偶极矩的矢量相加使整个通道有很大的极化度和

6、介电常数，电磁场可以影响离子通道的介电性质，从而影响离子的运输。细胞膜又是信息转导的重要界面，最近很多电磁辐射生物效应的研究成果都是在膜上取得的。 1.2 关于“窗”的效应： 现有的实验发现，电磁辐射的生物效应具有“频率窗”、“功率（振幅）窗”和“作用时间窗”等特点1。Bawin和Adey用微波电磁辐射照射新生鸡脑组织，发现细胞钙离子的释出只对0.8mV/cm2 的功率和16Hz的调制频率有最大的响应。前者称为“功率窗”，后者称为“频率窗”6。Blankman重现了此实验，发现“频率窗”不止一个而是一组7。后来又发现了“作用时间窗”：用16Hz调制的450MHz、1.0mW/cm2的电磁场照射

7、人淋巴细胞，发现1530min后不依赖cAMP的蛋白激酶活性剧降，4560min后又恢复到对照水平8。陈树德等也发现，较短时间的脉冲电场促进人表皮细胞增殖，而较长时间脉冲电场则抑制细胞增殖4。 “频率窗”较容易理解，这是周期振幅的电磁场的频率，跟生物电介质中电荷的本征频率耦合而产生的共振吸收。有的学者认为“功率窗”可能跟能够触发出靶系统的生物效应的电磁场阈值有一定关系。类似引起动作电位的“全或无定律”：不达到阈值的电刺激不引起兴奋，高于阈值的刺激只引起一次电兴奋。至于“作用时间窗”，是否跟生物体系自身的调节适应机制有关呢？几类“窗效应”仍需要进行更深入的理论和实验的探索。 1.3 关于非线性效

8、应 一个微弱的电磁场作用于生物体后，可激发出较强大的反应。跟普通无生命的导体、绝缘体及半导体不同，生命体系是个开放的耗散结构，新陈代谢的能量不仅使生命维持在非平衡态，也赋予了系统中有序结构的相干性和协同性。电磁辐射起了初始触发的作用，触发了生物体系自身的特定结构和机制，使生命体有序而协作地引起非线性的响应。这种触发当然应达到一定的阈值，才能有效地启动响应机制。机体中的神经系统、内分泌系统及免疫系统中都有这类非线性响应。生物电磁学的任务就是弄清楚靶系统，探索效应机制. 1.4 关于低频电磁效应： 近年来，除对微波效应的探索外，大量的研究工作聚焦在极低频电磁场（0-100Hz，包括调制频率）的生物

9、效应上，此极低频（extremelly low freqyency，ELF）电磁场之所以能够产生显著的生物效应，是有其客观的生理和物理基础的1 ： 1.4.1 心电、脑电和肌电（及衍生的磁）节律都落在此范围内，容易产生相干的和协同的频率效应。 1.4.2 大气层的电离层和导电的大地之间形成了电磁辐射的谐振腔，而且此谐振腔尺度甚大（相距约800km），只对长波（即极低频）辐射产生共振，像地球上随时随地出现的雷电所形成的Schumann场，还有来源于太阳的极低频辐射场等等，都在此谐振腔内强烈共振，构成了地球上极低频电磁场的大环境。自原始生命开始，所有生命都浸浴在此种ELF电磁场中。经过亿万年的自然

10、选择，生物有可能发育出与之相适应，甚至利用这种极低频电磁场的调节机制。已发现72Hz和其他低频脉冲磁场促进骨折的愈合9。 1.4.3 大多数电力设备的电磁场都处于这个频率范围内，比如50-60Hz的工频。而且随着社会发展，其强度急剧增长，远超过生物变异适应的速度。在相当一段时期内，生命体如果长期处于这类强发射源附近，恐怕会以应激的甚至病态的反应做出应答，这是我们应当警惕的。即便是极低频调制的辐射，也不应忽视。 2 非热效应的几种理论和假说 温度是分子平均动能的宏观表征。电磁辐射被吸收后，强度和方向快速变化的电磁场使生物体内分子的偶极子振动甚至重新取向，并与周围介质分子（粒子）碰撞摩擦而产生热。

11、电磁辐射的热效应的特点是线性特性，系统产热量正比于场强的平方，这种热效应与其他的加热方式等效。 非热效应（athermal effect）是生物电磁学关注的热点。所谓非热效应，是指电磁场通过使生物体温度升高的热作用以外的方式改变生理生化过程的效应13，14。这种观点提出以后，经历了否定、否定之否定的过程，而至今也没有得到完全、彻底的确认。非热效应的特点是非线性特性、相干性、协同性以及阈值性和“窗”特性。对于电磁辐射的非热效应机理的解释，有几种理论和假说。 2.1 Frohlich的相干电振荡理论 60年代,针对当地出现的活力论（Biotonic）,即认定生命现象不可能用现代物理学定律来解释，F

12、rohlich 提出：用基于归纳法（或称还原论：reductionalistic）的“昨天的物理”是不可能理解活的生命体有序功能，但是用整体论（holistic）的现代物理学就有可能给予解释15。生物靠输入其活力所依赖的代谢能来保持远离热平衡的状态，那么生命就远远超出线性响应系统的有效体制范围。Frohlich本人是理论物理学家，国际著名的超流体和超导体权威，他首先考虑到了生物内部相干性的存在。其基本出发点是：生命体系中所表现的各种“序”，或称自组织态，实质上是自由度的降低，即进入了低维数的位相空间，构成了一种整体的集合模式。那么生命物质就跟处于热平衡时的状态完全不同，热平衡态时各粒子的行为是

13、以随机性、独立性为特征的。整体集合模式中位相条件相对稳定，也就为协同性和相干性的行为提供了必要的时空结构。 Frohlich 很清楚生命系统结构复杂性带来的巨大麻烦。他把注意力放到生物分子及分子聚集体的介电行为和弹性变形上面。在细胞及亚细胞水平上，生物分子的普通特征是各类电偶极单位的存在。比如，细胞膜两侧的巨大电场（107V/m）使膜上分子被强烈极化而形成大的偶极矩。膜以及膜上面镶嵌的蛋白分子，都以垂直于膜平面的方式，即正电外层对着负电内层的方向振动。由于整体长程库仑力的相互作用，这些偶极子都有个相同的固有振动频率（用晶格振动的声子理论来计算，此频率为10101012Hz），形成了集合式的极化

14、波，并因此产生了长程的相干的相互吸引。新陈代谢的能量被导入这种固有振动，以纯力学方式储存于振荡模式中，或者说固有的振动模式被强烈地（相干地）激发而远离热平衡态，这就进一步加强了相干的相互吸引作用。他还设想，当具有固有频率的粒子数增加到一定程度（远远超过热平衡态的数值）时，会出现类似于超流体和超导体中的玻色-爱因斯坦凝聚（Bose Einstein Condensation）。 支持这一理论的实验证据来自于大肠杆菌的激光拉曼效应16。这些细菌的活细胞展现了一种非代谢条件下不出现的高强度拉曼位移，而且反斯托克斯线与斯拉克斯线的强度比很高，说明拉曼效应是来自于新陈代谢能量对振荡偶极系统的强烈激发，支

15、持了Frobhich 的相干电振荡理论。间接的证据来自于红细胞互相吸引形成钱串的过程17，被认为是长程相干振动而诱导出的凝聚。 相干振荡理论认为，当十分接近于相干振荡频率（不同生物过程的频率不同）作用于生物体时，会产生破坏性相干和建设性相干两种“频率窗”效应，进而影响生物活性。Frohlich及其继任者把酶与底物的相互吸引，免疫反应中的吸引和排斥，都看成是生物系统中长程的选择性相干作用的结果18。 Frohlich模型的影响也很广，在生物超微弱发光领域，Popp等就是用这种理论为基础来解释生物光子的相干性19。 2.2 离子回旋共振理论 Ca2+的跨膜传导耦合是细胞膜上的一种主要信息流。Baw

16、in和Adey首先报道了钙从神经组织中流出增加时，其调谐曲线是外加电磁场调制频率的函数6。Blankman提出只有满足Ca2+回旋共振频率条件的外加电磁场才能产生最明显的效应，并在实验的基础上提出了离子回旋共振的理论模型7，10，11。该模型分为三步：（1）电磁场能引起小的生物化学变化；（2）小的生物化学变化放大；（3）通过二次作用将放大的生物化学变化表达出来。低频电磁场对硅藻运动的影响12可以认为是这种理论的实例。 静磁场中，带电粒子受洛伦兹力的作用而做圆周运动。电磁辐射中平行于静磁场的交变磁场分量，会增加带电粒子的角速度和轨道半径，即产生回旋共振。在相当于地磁的弱静场（50mT）中，40C

17、a2+的回旋加速频率为38.4Hz。当回旋加速共振频率与胞内Ca2+依赖过程的ELF频率窗频率一致时，会诱发细胞表面受体或跨膜通道里的离子作圆周运动或螺旋运动；钙调蛋白（Calmodulin）里被弱束缚的Ca2+的结合状态改变，会进而影响许多受钙调蛋白调节的酶，诱导出各种生理生化改变20。同时，电磁场使离子通道（都为a螺旋）的偶极矩变化，加上通道内离子的回旋运动，最终会干扰离子的通透。 2.3 粒子对膜的通透理论 很多实验表明，微波照射改变了细胞膜的通透性。Barnes等报道，场强为510kV/cm的平均功率很小的微波脉冲使斑纹鱼胚的渗透压失去平衡，进而导致死亡。Baranski等发现功率密度

18、为510mW/cm2的连续微波可改变红细胞膜对血红蛋白的渗透性。这些实验中微波的平均功率密度很小，不能简单看成是热效应。为此提出了粒子对势垒穿透的理论。 所谓势垒，即膜内外的电位差（静息电位）。粒子在膜两侧的浓度达到平衡，是两种力的综合作用，即粒子的扩散力和电场力互相对抗的结果。电磁辐射作用在膜上，是影响电场力，或者说是对膜电位即势垒产生了作用。Montaigne 84年研究电磁辐射对膜电位影响时，发现膜电位的偏移量随频率的降低而升高22，证实了电磁波对跨膜电位的影响。膜电位的漂移变化，会大大影响粒子对膜的通透而产生生物效应。 2.4 自由基效应机制 自由基由于其非偶电子而具有磁矩，能跟电磁场

19、相互作用，同时可以复合成为三重态（自旋相同）或单线态（自旋相反）。电磁场可以影响顺磁性自由基的复合速率，从而影响自由基的寿命，也就是影响自由基的瞬时浓度，产生一系列效应。同时，三重态的磁矩更大，对电磁场更敏感，自由基则对三重态的效应发挥了一种转导作用。实验证明，化学上高度活动的自由基可以调节生物分子与电磁场的相互作用21。 上述理论模型以外，还有克尔效应，暗孤子效应等，在此不细述了。 生物电磁学尚处于发展和完善阶段，随着机理探索的不断深入，不仅会为电磁辐射的生物医学应用及防护提供更多的科学依据，还可能发现新的医学诊治手段。 基金项目：全国自然科学基金资助项目（No.69571034） 1陈国璋

20、，陈惠晓谈谈生物电磁学研究热点非热效应J物理，1998，27（3）：151-155 2程极济,林克椿生物物理学M人民教育出版社,1982，36 3Verma SP，Goldner RB，Raman spectroscopic evidence for structural changes in ploy-L-lysine induced by an approximately 50mT static magnetic field，Bioelectromegnetics，1996，17(1):33-36 4陈树德，张红锋低频电磁场对细胞生物效应的研究J中华物理医学杂志，1998，20（2）：78

21、-80 5Richard SL，Stephen B，Dielectric studies of chain melting and denaturation in native DNAJBiochimica et Biophysica Acta，1998，1397:316-324 6Bawin SW， Adey WR，Sabbot IMIonic factors in release of 45Ca2+ from chicken cerebral tissue by electromagnetic fieldsJProc Natl Acad Sci USA1978，75(12):6314-63

22、18 7Blackman CF Benance SG，Elliott DJ，et alInfluence from brain tissue in Vitro:a three-model analysis consistent with the frequency response up to 510HzJBioelectromagnetics,1998，9(3):215-227 8Byus CVLundak RL，Fletcher RM，et alAlterations in protein kinase activity following exposure of cultured hum

23、an lymphocytes to modulated microwave fieldsJBioelectromagnetics,1984，5（3） :314-351 9Adey WR，In:Frihich H edBiological Coherence and Responce to Extermal StimuliM1988， 148-170 10 Blackman CF，Benane SG，Kinney LS，et alEffects of ELF fields on calcium-ion efflux from brain tissue in vitroJRadiat-Res，19

24、82，92(3):510-520 11Blackman CF，Benane SG，House DE et alEffects of ELF（1-120Hz）and modulated（50Hz）RF fields on the efflux of calcium ions from brain tissue in vitroJBioelectromagnetics，1985，6(1):1-11 12Smiths SD，Meleod BR，Liboff AR,et alCalcium cyclotron resonance and diatom mobilityJBioelectromagnetics，1987，8(3):215-227 13Frohlich HCoherent electric vibrations in biological systems and cancer problemJIEEETransactions on microwave theory and techniques,1978，MTT-26，8，613-617 14Frohlich HWhat are non-thermal electric biological effectsJ?Bioelectromagnetics，19823(1):45-46 15Frohlic