电磁对生命系统的作用

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1、1、大家都知道，光是一种电磁波，如果把光波也纳入研究的电 磁场之内，则人和一切生物时时刻刻都生活在电磁场中，一切生物都 离不开电磁场。特别是 390nm-760nm 的可见光是植物乃至人和动物生 存的必要条件，它为生命的生存提供了能量和环境信息，使生物能够 感觉环境、适应环境，以求得自身的生存。除了光波外，其它频率的电磁场或波随着工业和社会的进步，也 越来越多地介入到生物的生存环境之中，那么我们所处的环境中到底 有哪些电磁因素那？其中一类是自然存在的，如太空及地面发出的多 种形式的电磁辐射：像太阳风、X-射线、紫外线、红外线辐射、高频 及低频电磁辐射和其它宇宙射线等。另一类是由于工业和科学的进

2、步 特别是进入电磁与电子时代以来，人为制造的大量电磁辐射源，像高 压电传输线、电视塔及电台的电磁辐射源、电力火车、雷达站、电话、 手机、电视、微波炉、电冰箱等。特别需要提到的是由于工业化和电 气化带来的高压传输线，2005 年我国建成了第一个 750kV 超高压输 电线，现已建成500kV线路近4万km,超高压传输线已星罗棋布地 布满了生活的空间，特别是大城市更是不可忽视的。这些大致是我们 生存环境中电磁场或电磁波，我们已经无法摆脱电磁场的作用和危害 但从某种程度上说，我们还不能离开电磁场，比如地磁场。2、根据电磁对生命的作用机制，可将电磁场分为电离辐射类电 磁场和非电离辐射类电磁场。电离辐射

3、就是说电磁波能量较高，在冲 击物质时，使物质核中成分或核外电子偏离原来的位置，发生物质电 离，产生自由电子。而非电离辐射是指电磁波能量较低，不足使物质 发生电离。非电离辐射类电磁场还可以大致分为低频电磁场和高频电 磁场，低频电磁场是指频率小于300 赫兹，比如说工频电磁场，高频 电磁波比如说手机辐射，而我们的研究主要集中在低频电磁场和高频 电磁波。3、电磁场的生物效应最早源于流行病学调查。对此各国学者都 做过相关的研究，但难以得出明确结论。（1）自从上世纪70 年代前苏联学者在国际大电网会议上报告， 高压变电站对周边居民健康有影响以来,工频电磁场的健康效应越来 越多的引起了人们的忧虑和关注。但

4、是,工频电磁场对人体是否有害， 至今仍然在全世界范围内进行着广泛的研究。1986 年,英国、法国、意大利共同组成的科研协作组对工频电磁 场生物效应进行了深入研究,结果表明,一般健康状况与工频电磁场 暴露条件没有显著相关,即使有些生物、生理学参数发生了改变,亦非 病理性的。1999年美国国立卫生研究所得出的结论暗示,工频电磁场的暴露 会造成健康危害的科学证据是微弱的。另一方面，我国学者庞小峰等在湖北、三峡地区、湖南、江西、 四川、贵州、北京等地,对居住在高压输电线附近的1 400 多人进行 了流行病学的问卷调查;同时对远离高压输电线的800 多居民也进行 了问卷对比调查。调查结果表明,高压输电线

5、对人体的确有一定的影 响。在 2002年，世界卫生组织的国际癌症中心把工频电磁场列为可 疑的致癌因素，之所以把他列为可疑致癌因素是因为确实有研究实验 认为高压输电线和变电站产生的电磁场与癌症的发生，特别是儿童白 血病的发生有一定的相关性。这些实验现象给我们提供了一些信息，似乎工频电磁场对人类健 康有一定的危害和影响，但我们却找不到证据来证明工频电磁场对人 体健康有影响。自从 20 世纪 80 年代后期第一代手机（模拟手机）投入使用后，流 行病学家就对其与肿瘤的关系开始了大量的流行病学调查，这些研究 结果为揭示使用手机与肿瘤的发生是否存在关系提供了重要的线索。 国际电信联盟数据显示，截至2010

6、 年底，全球有 46.6 亿手机用户， 目前估计已经超过50 亿了，人类长期暴露在800 到2000兆赫兹的低 能量辐射正日益增加，由于手机在使用时距使用者头部最近，因此对 各种类型头部肿瘤的研究结果就更加引人关注。给大家看个图表，由这张表看出，人类使用手机与会发生脑部肿 瘤有一定联系，但是否会发生脑部肿瘤，需要进行上十年的连续观察 研究，这是因为据美国癌症学会表示，这种由辐射引起的肿瘤通常需 十年才发展并表现出来。但约翰森等对丹麦1982 至1995 年间420095 名手机使用者开展 了癌症发病率的回顾性队列研究，结果没有发现使用数字手机的用户 患神经胶质瘤的危险性增加，在其他病例对照研究

7、中也没有发现危险 性增加的证据。不过为了大众健康考虑,2010年4 月22日欧洲五国 启动了为期 30 年的队列研究,此项研究将至少连续跟踪考察25 万人 的手机使用情况与患各种主要疾病的关系,从而确定手机电磁辐射对 人体的危害程度。这是目前比较公认的是开展前瞻性的队列研究，但 这种研究周期长，耗资大，只有欧洲正在实施中，我国还没有立项。总体看来，流行病学研究表明手机辐射对人体是有影响，这一点 得到大多数人的认同，但是其影响有多大和对人体是否会造成伤害甚 至致癌仍有不同的看法，至今仍没有定论，这就需要进一步完善流行 病学研究的可靠性，并通过实验来证实。目前流行病学研究的问题是电磁场暴露人群分类

8、困难，对照人群 难以确定：人群的电磁场暴露剂量不容易正确测定：另外还有很多干 扰因素，使研究结果可信度难以保证。（2）从流行病学调查研究来看，我们发现了很多能体现电磁和 生命体有联系的现象，那么他们之间是否有必然联系，许多学者想通 过实验来找到答案，但关于电磁场暴露实验中，没有得到一致的证据。 下面我们看两个例子第一个是关于人体手机辐射的研究，从这两个表可以看出，C网 手机和 G 网手机相比的确有着辐射更小，对人体影响较小的优势。手 机的发射功率在不同使用情况下有很大差别，而手机辐射量和发射功 率直接相关，那么现在较盛行的接通电话之后再放到耳边通话，或者 使用耳机可以有效减少辐射影响的说法也是

9、有根据的。研究人员通过分析受试者的某些生理表征，如：脑电图、血压、 心率、呼吸及一些其他指标来研究手机辐射过程中及辐射后短期内人 体的变化，从而确定手机辐射对人体的影响。Krause等研究发现手 机发射的902 MHz微波并未使静息的EEG本身发生改变，但对大脑的 记忆反应有显著影响；还有研究发现手机发射的脉冲高频电磁波能显 著改变受试者大脑对声音刺激的电反应。而在动物实验中， Panagopoulos 等一些人发现在通话状态下的手机辐射使果蝇的繁殖 能力下降50% 60%，在非通话状态下下降15%20%，这说明手 视辐射能影响果蝇的性腺发育。第二个是有学者做了自发性肿瘤实验研究，他将大批动物

10、暴露于 强度高于居住环境的电磁场中2年，观察了极低频电磁暴露对动物自 发性肿瘤形成的影响，没有得到对肿瘤发生率有影响的一致结果；还 有人做了极低频电磁场暴露对移植肿瘤的影响的研究，由于流行病学 研究的提示，极低频电磁场暴露与儿童患白血病有微弱的相关性，为 了明确二者之间的关系，将白血病细胞种植在小鼠腹腔，然后将小鼠 暴露在低频电磁场中，结果没有发现电磁场暴露对植入白血病细胞的 小鼠的存活时间有影响。这两个都是定性的研究，或者是推断性的，还有很多这样的实验， 结果有阴性的，也有阳性的，我们无法说那个正确，那个错误，因为 实验的影响因素很多且很复杂。目前研究人员正在从基因和蛋白质水 平上全面揭示生

11、物电磁学效应，阐明其作用机制和相关要素，从而为 防护提供理论依据和解决方案。（3）目前对微观层次的研究较多，研究者做了大量的细胞在体 和离体的实验，来研究电磁辐射对细胞层面的影响，借此来研究电磁 辐射的生物效应，而且已经得到了认可。电场（包括静电场、工频和 其他低频电磁场的电场部分）作用于生物体，会引起生物组织电学性 能的改变，我们知道生物中的带电体大多是电偶极矩大小不同的偶极 子，比如氨基酸、核苷酸及其他极性分子等具有固定的电偶极矩，他 们在电场作用下，会受到电场力而发生朝向电场方向的转动，并会向 电场较强的方向运动，在这个过程中，电偶极矩收到力矩的作用，电 偶极矩发生变化，由此会引起蛋白质

12、、核糖核酸等生物大分子结构的 改变。而有些中性原子集团或分子在外电场的作用下，其正、负电荷 中心会发生相互位移，导致他们正负电荷中心不在重合而产生新的电 偶极矩，直接引起其结构的改变，这就是生物介质极化的微观机制。 从上述机制看，生物介质极化导致了生物大分子结构、构型的改变， 而大多生命活动都和这些生物大分子有关，由此来说，必然会引起一 定的生物效应。生命体都有一定的传导特性，这种特性用导电率来表示，一般来 讲，各种生物的导电率是非常小的，对人来说人是一个不良导体。在 电场的作用下，其导电形式有如质子在蛋白质分子中的传递、质子在 水分子集团中的传导，电子在 DNA 中的传导及质子和电子在线粒体

13、和 光合作用中的传导形成的电流等。这会改变生命体的导电率，另外电 场的变化频率也也会影响导电率的变化。生命体会因此而吸收一定电 磁场能量，这些能量可转化为带内能或质子的无规则运动的热能，引 起组织升温。在电场的作用下，生物体内的自由电荷或传导电子会堆积于空间 或细胞膜界面上，使细胞膜面电荷密度变大，从而对细胞膜所形成的 压力差就赠大。细胞膜上存在钾和钠的通道，电场通过影响细胞膜内 外压力差，使膜内的离子通道打开或关闭，从而使钾离子和钠离子易 通过离子通道而运动，这就改变了膜的特性。当细胞膜电荷积累太多 时，可以把膜的结构改变或破坏掉，从而会导致细胞的凋亡或死亡。同时，低频电磁场还可以引起细胞的

14、固有振动频率的改变，主要 是因为细胞做振动的频率较低，与低频电磁场的频率接近，于是可通 过共振吸收机理，来吸收外场的能量。在电磁辐射方面，微观层次的研究主要集中在生物的热效应和非 热效应研究，热效应是说，电磁波作用于生命体时，引起了生物组织的升温， 并产生了一定的生物效应。从生物体基本组成物质成分而言,所有成 份均是由原子、分子所组成。而水是原子、分子物质的主要溶剂，占 生物质量的 70%-80%。分子是原子通过化学键（离子键） 相结合而形 成，分子可分为极性分子与非极性分子。非极性分子, 其原子结合在 三维结构上是对称的, 而极性分子则在三维结构上正负电荷中心不 重合，即空间结构不对称。在电

15、磁通过时形成一定的电场 ,在自然状 况下排列较为紊乱的极性分子按阳阴极调整排列，即在电场作用下极 性分子（生物体内有大量的极性分子 如水）将产生取向运动。另外 水是一种极性分子，它能吸收包括低频电磁场、射频场和微波在内的 整个电磁波的能量，是电磁波主要的作用物质。在交变电流电磁波不 断变化的情况下, 极性分子将随频率变化而来回取向运动。在电磁波 频率不太高的时候分子运动速度尚能适应,而在电磁波频率高时分子 将来不及运动, 只将能量滞留并转化为热的形式表达出来。随着时间 的推移，机体产热不断增加而导致机体过热，机体过热可使一些生物 大分子如蛋白发生变性、酶失活等，从而影响机体各项生命活动。这 是

16、引起生物热效应的主要原因，也是目前已经公认的，也可能还有其 他原因存在。对于非热效应，是说生命体在遭受电磁辐射时产生了一定的生物 效应，但生物组织并未升温。电磁波通过它具有的电磁场力也会引起 了生物组织的介质极化，使生物大分子结构发生变化。同时，以一定 频率做整体固有振动一些生物大分子会通过频率共振的方式，从电磁 波中吸收能量，导致了它们自身的结构的改变，产生功能和机能的变 化，导致出现了不同的生物效应。这里共振吸收的能量并未以热的形 式表现出来。这是电磁波非热效应的一个机理。这些只是一部分静电场、静磁场和低频电磁场微观层次方面的研 究，而且已得到了多数人的认可，但是这些微观层面的变化只能说明

17、 电磁对生物体可能有影响，因为没有实验证实这些微观方面的变化产 生了什么样的生物效应。生命在地球上的产生和进化与地球环境密不可分，除了空气和水 基本环境因素外，电磁场也伴随着生命进化整个过程，对生命的影响 有重要的意义。亚磁环境生物学效应的研究伴随着人类太空探索计划 而开始。有研究者在 5 000 nT 的亚磁场中培养的神经细胞和神经胶质细 胞, 表现出异常的高敏感性, 证明亚磁环境对神经细胞的结构产生 了不利的影响。蒋锦昌等研究发现零磁空间对虎皮鹦鹉声行为活动有明显的影 响, 均匀和不均匀零磁空间中, 叫声日频度比地磁场中平均下降 50% 作用，说明鹦鹉便的迟钝了。自然界中微生物是最大的种群

18、, 某些微生物本身具有趋磁特性, 地磁场对其影响巨大。对于非趋磁性微生物, 有限的研究发现, 微生 物在亚磁环境中表现出不同的特性。长期在亚磁环境中培养的大肠杆 菌, 对卡那霉素和羧苄青霉素的抗性增强, 这种效应是非遗传性的, 离开屏蔽环境, 其对抗生素的敏感性恢复正常。在植物研究方面，相关研究证实, 植物在亚磁环境中的生长发育 也受到了影响。大量实验证实不同植物种子发芽期初生根的生长被抑 制; 植物根部分生组织增殖和细胞分裂复制减弱，而且在近零磁环境 处理的农作物种子出现了不同程度的变异。迄今为止, 亚磁环境生物学研究仍然缺乏深度和广度。现有研究 多数只是发现一些亚磁环境下动、植物的生物学效

19、应, 对于效应产生 的机制、效应与亚磁场强度的关系、效应的时效关系、遗传效应、效 应对抗措施等没有进行深入的研究。就广度而言, 亚磁环境下动、植 物多数系统和器官生物学效应研究仍然没有涉及。4、(1)关于生命电的研究，可以追溯到1920年美国的Laud发 现可以借助一个小电流加以控制水螅生物体内的自然电位极性，使极 性相反是在头部长出一条尾巴。说起伤口愈合的，每个伤口从最微 小的刮伤到危机生命的大伤口，都能产生一种帮助细胞修复损伤的电 场。现在，来自英国阿伯丁大学的华人生化学家赵敏和她的同事发现 了使细胞对电做出应答(趋电性)的基因。这一发现在医学领域具有 重要意义。这项研究的结果刊登在自然杂

20、志上。大约 150 年前，科学家已经知道伤口能产生微弱的电场。大多数 研究人员认为这些电场在伤口的愈合过程中起到某种作用，但是其中 详细作用机制或与这种电反应(趋电性)有关的基因一直未知。这项研究是证实电场在引导细胞愈合伤口过程中起到一定作用 的第一个遗传证据。这项研究将会有助于研究人员研制利用电场刺激 伤口愈合的治疗方法。另外，电场在治疗癌症方面也前景美好，被美国 FDA 认为是一 个很有前途的治疗方法。还有电穿孔的细胞内电处理效应对肿瘤的治 疗，也是刚刚起步。(2)磁生物效应用于疾病治疗以极低频弱磁场(ELFMF)为主,这方面 以细胞或动物模型居多,临床基础薄弱。经颅磁刺激(TMS )是磁

21、场用于生命体干预中最成功的应用之一，这 一非接触治疗方法经过几十年基础研究和10 余年的临床研究后于 2008 年正式通过了美国 FDA 的批准,可以用于治疗经药物治疗无效或 化学药物会产生副作用的抑郁症患者。这是为数不多的可以确证的生 物磁效应之一。由线圈产生的磁脉冲聚焦于大脑控制情绪的前额叶皮 层,磁场穿透脑部深度约23cm并激发电流，这种电流激活脑部细胞 释放神经递质,从而起到调节情绪的作用。由于抑郁症被认为是由大 脑中的化学物质不平衡造成的,TMS可以帮助其恢复平衡，减轻抑郁 症的症状。另外磁场对生命的调理还体现在对肿瘤的治疗，研究发现稳恒旋 转磁场、极低频脉冲磁场等可影响肿瘤，认为磁场对肿瘤细胞有一定 抑制作用。6、从以上论述中，我们可以看出，在生物效应微观方面的研究 有很多，在系统效应方面研究也有，但是缺乏微观层面和系统层面的 对应，结果是弄懂了一些微观层面的机制，却不知会产生什么样的效 应，而研究发现了系统层面的一些效应，但却不知他们的产生机制。一些生物效应虽然已经找到发生的机制，或是得到了权威机构的 认证，但是其具体发生的过程和机制还是不甚清楚，弄来弄去还是一 团谜云。电磁的生物效应之所以研究困难，一方面是它学科交叉性比较强 我们缺少新的交叉学研究的突破，另一方面生物体是个非常复杂的系 统，它还有很多我们未知的东西在困扰着我们。