电磁场的生物效应

电磁场的生物效应

1 “非热效应”与“特殊效应”

对于弱电磁场生物效应人们常用两个名词来描述，即“非热效应”和“特殊效应”。“非热效应”的定义不尽一致。按文献［1］所述，非热效应（athermal effect）定义为：当生物系统吸收电磁能量后，产生的不可归属于温度变化的生物学变化。有人认为这个定义不够科学，因为判断“不可归属于温度变化的生物学变化”在实验中是非常困难的。众所周知，生物介质的电磁特性具有高度的不均匀性，在弱电磁波照射下可能出现组织内的热点（局部温度过高），而组织的宏观平均温升却非常小，由这种热点引起的效应能否叫“非热效应”？有人认为，所谓的热“点”其空间尺寸是远大于微观分子尺寸的，在热“点”所包围的空间尺寸中各自由度的能量是满足玻尔兹曼平衡分布的。那么，在这种情况下热点引起的效应仍然是热效应，而这时的能量分布、温度分布不均匀是由于热传导不及时的缘故。但是，如果微波传递的能量对分子各自由度的能量具有选择性时，即这时介质各自由度的能量不满足玻尔兹曼平衡分布，这样的情形就应该属于非热效应。此外，与传统加热方式相比微波对生物组织的致热作用是非常迅速的，有实验证明［2］这种快速加热也可以引起一些特殊的效应，这种效应能否叫非热效应？有鉴于此，不少文献把微波辐射下区别于传统加热引起的效应叫“特殊效应”。

2 近年来弱电磁场（波）生物效应实验研究进展

多年来弱电磁场（波）生物效应的实验研究已积累了大量的数据，但许多数据充满着分歧与矛盾（见表1），使我们仍然不能对弱电磁场（波）是否对人体健康造成危害下明确的结论。

目前认为造成上述结果的原因有以下三点：（1）实验设计不够严密和严格；（2）实验结果没有重复性；（3）实验结果虽有可重复性，但辐射强度还不够低，通常可导致局部的温升，而这又不易测量。

第一种情况的确是值得重视和注意的。在1997年9月14～19日召开的世界医学物理和生物医学工程会议上，F.Schonborn及其合作者发表题为“RF实验条件”的文章专门阐述了微波辐射条件的严格控制问题［7］，包括电磁场强度的空间和时间分布，载波频率，调制频率等等参数的控制和测量问题。

表1 弱电磁场（波）生物效应实验研究文献结果摘要

辐射特性有否有生物

电磁效应

所测效果参考文献

CW-2,450 MHz 有EEG谱（鼠）

［3］Thuroczy.94

(30 mW/m2,10 min)

CW-2,450 MHz

(10 mW/m2,10 min)

否EEG谱（鼠）［3］Thuroczy.9 4CW-2,450 MHz

(30 mW/m2,10 min)

有CBF（鼠）［3］Thuroc zy.94CW-2,450 MHz

(10 mW/m2,10 min)

否CBF（鼠）［3］Thur oczy.94CW-4GHz

(42 mW/kgSAR,30 min) 有

EEGdelta，REG，和

CBF(鼠)

［3］

Thuroczy.94

CW-4GHz

(8.4 mW/kgSAR,30 min) 否EEG谱(鼠)

［3］

Thuroczy.94

CW-4GHz

(8.4 mW/kgSAR,30 min) 有CBF(鼠)

［3］

Thuroczy.94

CW-0.2 to 3.0 GHz有痛感阈值和神经传

递物质释放

(兔)

［4］Teng.91

CW-915 MHz有BBB［5］Salford.94 Low power densities有人体［6］Thuery.92 AMW-4GHz(amplitude modulated

at 16 Hz and 8.4 mW/kg SAR,30 min) 有EEG beta

［3］

Thuroczy.94

AMW-4GHz(amplitude

modulated at 16 Hz and 8.4

mW/kg

SAR,30 min．) 否CBF

［3］

Thuroczy.94

CW：连续波PW：调制波

第二种情况是由于生物系统本身的复杂性，个体条件有较大的差异，从而使得实验重复性比较差。文献［8］证明生物系统越复杂，电磁场作用越弱，那么实验结果的重复性就越差。现在的生物效应实验研究往往只能采取统计学处理，而

统计学处理需要很大样本量，同时尽量考虑一切可能的影响因素，但这些往往是很难办到的。J. Jauchem从统计学角度上对一些弱电磁场导致疾病的统计文献提出不同的看法［9］。他认为由于疾病存在着众多的影响因素，要肯定地得出某一种因素是导致疾病的一个因素，是不能简单的下判断的。K.R.Foster也专门强调［10］，如果要对弱电磁场（波）与癌症的相互关系作危险评估（risk assessment），须遵从“证据权准则”（weight-of-evidence criteria）。如何克服生物个体差异性造成的重复性低的现象呢？我们知道，生物克隆技术能克隆出遗传性质基本相同的生物，随着该技术的日趋成熟，我们相信可以利用这项技术得到个体差异不大的生物个体，从而使弱电磁场（波）生物效应实验的重复性大大提高。

第三种情况，即局部温升的问题，解决它的关键是搞清楚被辐射组织的温度分布问题。这个问题包括两个内容，一是辐射所造成的比吸收率SAR分布计算；二是SAR和热传导两个因素所共同影响的生物体内组织温度分布计算。近年对辐射所造成的比吸收率SAR分布多采用FDTD法计算［11］，这方面已有大量的研究结果。这其中存在两个缺陷，一个是结合热传导方程计算生物体内的温度分布的工作相对较少，另外一个是高分辨率的FDTD场分布计算也比较少。高分辨率的FDTD 场分布计算与低分辨率的FDTD场分布计算不会只是分辨率的差别，文献［11］认为有可能造成某些局部高强度场分布的显著不同。另外，在1979年文献［12］证明了在10-9m的微观尺度上的楔形组织可使得局部的电场强度为外部输入场的电场强度的100倍，但美国卫生标准认为可以不予考虑。那么，在1/10～1/20波长的宏观尺度上，有否存在一种非均匀介质分布，从而使得辐射所造成的比吸收率SAR分布在某些局部形成高强度场分布呢？可惜这个值得研究的问题在近期的

文献中尚未见研究报告。

3 近几年来弱电磁场（波）生物效应理论研究的进展

关于弱电磁场（波）生物效应在70、80年代就提出了许多理论来解释。比如：玻色－爱因斯坦凝聚态理论［13］，跨膜离子的回旋谐振理论［14］，量子离子结合效应理论［15］，膜动力学的场致变化理论［16］，膜与离子合作结合与释放理论［17］，包括孤子传播在内的非线性效应理论［18］，等。每个理论都具有一定的合理性，但同时又充满着众多的假设性，而且许多理论没有严格的实验基础。所有这些不足使得这些理论不能令人信服地证明弱电磁场（波）生物效应的存在性。K. R. Foster［19］曾对其中不少理论提出了质疑。

近几年弱电磁场（波）生物效应理论研究有着很大的进展，而且更多的结合了非线性科学、物理学、化学、信息学和系统科学的知识。但是生物体是一个相当复杂的系统，许多层次上的生物系统的运动规律还没有完全搞清楚，在外界复杂因素的作用下，其规律的研究就更复杂了。

生物这个复杂的系统在微观层次上看，它是由一系列生物化学反应、一系列物理过程协同合作来完成生命运动的。如果电磁辐射对微观分子产生非热效应，则有可能（不是必然）对整个生物系统产生非热效应。同时，应该看到生命运动是最高级的运动，所以具有它的独特性。由于宏观系统的特征，可能导致生物体将电磁场微弱的信号放大，引起可测的非热效应。本节在回顾近几年在弱电磁场

（波）生物效应领域上提出的一些理论时，为了叙述方便，将这些理论分为两类：一类是从微观分子角度探讨非热效应的可能性，另一类是从宏观系统角度来探讨非热效应的可能性。在综述的同时，也将对其作出评价。

3.1 从微观分子角度探讨非热效应机理

从微观分子角度探讨生物电磁非热效应，事实上主要就是讨论电磁场（波）对生物化学反应的影响。

3.1.1 微波对生物大分子振动光谱的影响

以前不少人认为，由于微波的频率相对较低，量子能量小，微波不可能引起生物大分子的结构变化。90年代初，有人发现丙氨酸的远红外光谱在弱微波辐射下可发生分裂，这引起了人们的极大兴趣［20］。A.A. Serikv从量子力学出发，研究了微波辐射下分子振动光谱的变化。显然，如果物质的分子振动光谱发生变化，说明它的物质内部结构发生了变化，从而将影响其化学性质，最终导致化学反应受到影响。A.A.Serikv证明了即使在室温下，生物大分子链的吸收谱在弱微波的辐射下也会发生分裂，并将其解释为对大分子链的影响。这个结果说明生物大分子内部结构在弱微波辐射下可以发生变化，从而影响其化学性质，导致其参与的代谢过程发生变化。该理论较好地解释了微波辐射下生物大分子远红外谱的分裂现象。

3.1.2 微波对自由基反应的影响

Keilman. F. 从自由基角度研究了磁场对自由基反应的影响［21］。磁场影响电子自旋态，从而造成不同电子自旋态的非热平衡分布，从而影响自由基反应。在生物体中自由基反应普遍存在，这样电磁场（波）就会通过自由基反应对生物体产生非热效应。

以三态体自由基反应为例．三态体分子有两个未成对的电子，这样，该分子的总自旋数s=1，所以分子可以有三个取向。假设在一个化学反应链的第n步，有一种三态体分子生成。由于立体限制效应或选顶法则，这种分子通常有一个概率最大的取向。但是热运动将使三种取向概率最终趋于平衡。度量这种松弛效应的因子是时间T1，T1在ns和ms范围。

但是该理论中，T1的长短很重要。文献［21］宣称“只要T1超过三态体的寿命，微波对该化学反应的非热效应就是有可能存在的”。但实际上只有极少的T1是在生理学上感兴趣的温度下测量的。而文献［19］指出：在许多化学反应中自由基寿命很短，典型的寿命小于1ns。当认为自由基寿命小于1 ns时，则1 MHz频率以下的电磁场相对于自由基而言，可等效为静态场。考虑电场强度为300 V/m 的电磁波其磁场约为1μT，而地球的静磁场约为50μT。既然地磁场强度超过了辐射磁场，而且两者都可以认为是静态效应。那么，就没有理由认为辐射磁场会对生物体产生危害。Keilman. F.认为磁场对三态体自由基反应有一种选频作用，所以与静磁场的作用不一样。作者从一些弱电磁场生物效应的实验数据中（假设这些实验结论已成立）推知三态体自由基寿命T1≤6s（大肠杆菌实验），T1≤5×10

－3s（酵母生长实验）。可见，该理论只是提出一种微波在分子水平下影响化学反应的可能性，但真正对某一类化学反应存在与否，最终要依靠实验来证明。

3.1.3 电磁波对生物大分子和代谢过程的影响

近年来，不少人采用Langevin方程研究了弱电磁场与随机力共同影响生物大分子和代谢过程的问题。在DNA双螺旋结构的孤子理论中，建立了DNA的扭曲运动公式（Sine-Gordon方程）。文献［22］对电磁波与DNA系统的作用进行了研究，舍弃了Sine-Gordon方程中表示空间关系的一项，而只考虑外界噪声随机作用力时的公式为：

(1)

其中，B为势垒高度，是与碱基与相邻碱基相互作用及碱基对的局域相互作用常数相关的量；A为外场作用力矩幅度，是一个与DNA链堆积能、碱基对间距等量有关的参数，Γ(t) 为热噪声；φ是指DNA分子旋转角度。相应的

Fokker-Planck方程为：

(2)

文献［23］专门研究了Fokker－Planck方程，并给出了数值解，获得了随机共振的结论，即“数值计算结果表明，随机共振现象主要发生在输入信号的幅度A、频率ω较小的区域”。利用此数值计算结果，可导出此时公式(1)中的参数数量级为，m=O(10－26)kg=O(1)a.m.u. 由公式γ=6πrη(不妨取水的粘滞系数η为0.012泊)，即可导出r=4.42×10－16m＜1 。而实际的参数值为：单个碱基的质量约为m=300 a.m.u(一对碱基的质量约为600 a.m.u.)；随机振子的半径r＞1A （因为任何原子半径均大于1埃）。将实际参数值与解得参数值比较，数量级是有相当大的误差的，所以我们认为随机共振不存在。

很明显，文献［22］虽然研究的是DNA大分子，它采用的方程却只对其中单个碱基适用，这可能也正是由于系统简单化从而造成随机共振现象不存在的原因。如果真正考虑整个大分子体系，则理论模型要复杂得多。

电磁场（波）对大分子反应的影响，在电磁生物效应理论研究中很少研究，而这在微波化学界正是一个积极讨论的问题，可惜在理论研究上比较贫乏，实验研究上也存在许多分歧。

文献［24］采用Langevin方程来计算弱微波辐射对基团从大分子中分解过程的影响。该文献将基团看作一在大分子引力势阱U中运动的谐振子。文献采用Morse 势能函数来描述U，在温度升高或微波作用下，谐振子可以跨过势垒而离开平衡点，从而产生分解。文献研究了谐振子从初始状态到离开平衡点的（逃逸）

时间与微波参数及环境参数间的关系。文献计算表明当场强作用力与随机力之比为时，逃逸时间与微波参数间有紧密的关系，这表示弱微波辐射对简单分解反应的非热作用是存在的。特别有趣的是逃逸时间对调制频率非常敏感，这在线性系统中是很难想象的，但在一些实验中得到了验证［26］。

3.2 从宏观系统角度探讨非热效应机理

近年来，随着非线性科学的发展，不少科学家利用该理论提出了一些模型研究非热效应机理，有些理论较好地解释了弱电磁场作为触发器引起生物系统产生非热效应的机理。但同时我们要看到，也有许多理论模型中的参数未联系实际的生物模型，而且不能提出一个可检测其真实存在的实验手段，这是一个很大的不足。

3.2.1 细胞膜感受微弱电磁场信号的膜噪声限制理论

J.C. Weaver和R. D. Astumian［27］谈到，将细胞看作阻抗R、电容C的并联体，由于蒋森效应，在膜上产生电位差，其均方值为（）2KT=4RkTΔf

(Δf=1/(4RC))。事实上，膜噪声包含许多类性的噪声，比如电流噪声、热噪声、散粒噪声、1/f噪声等等［28］。热噪声即上面所计算的噪声电位差，它在众多种类的噪声中只占一部分而已，影响总膜噪音的因素很多，这些将造成数量级有一定差异。比如，由生物物理知识可知，不同感受细胞膜噪音的差别很大，锥细胞尤其如此［29］，这主要决定于和邻近细胞之间的耦合程度。比如在黑暗中，总噪

声电位差均方值（）2—分别为0，40 mV2和0.018 mV2，相差约22倍。δU

分别为630 μV、42 μV。可见，生物系统是一个很复杂的系统，在估计某些参数的数量级时，机械地、简单地套用一些物理、化学理论，会使数量级相差较大。所以，机理假设太简单了，与实际生物对象就失去了紧密联合，从而对解决实际问题无益。

当然，仅就这个膜噪音数量级估计问题并不使该理论失去它的意义，文献［27］通过蒋森效应计算出的（）2—数量级在28 μV，与所测量过的一些细胞膜噪

音电位差均方值相差不大。但在这里专门提出这个问题，是有着实际意义的。对于该理论Robert K. Adair［30］曾予以讨论过。其中有两个要点：一是实验中用极低频电场直接作用于生物组织，而极低频电场耦合于人体内其强度将极大的减小，所以该实验并不能证明对于常规条件下的极低频电场来说，会对人体产生危害。另一个要点是：外部信号如果能在一段长的时间内被总和，则其信噪比将会提高，但要求条件是该系统选频宽度与1/t max成正比。而文献［27］所提出的总和时间为1000秒，就要求该生物系统的选频特性很好，比如，在60 Hz，要求品质参数Q≥60,000，即选频段在60±0.001 Hz，这样的品质参数是否在生物体内真正存在，需要证实。

这里面有一个很关键的问题，那就是微弱的影响是否可以随时间积累呢？因为许多反驳非热效应理论的文章（如文献［19］）就是先验的认为微弱影响不可以

随时间积累的，他们认为，只要微弱的影响小于热噪声等构成的自然涨落，就对生物系统不构成威胁。显然，不可否认，在生物体内肯定存在这种机制［31］，但是这是特殊的细胞或组织、器官对于它所要检测的特殊的信号而言。对于电磁场（波）信号，是否存在这种机制呢，这是不能轻易下一个结论的。

3.2.2 合作系统对低强度微波辐射的选择性和敏感度理论

近年来不少科学家认为，弱微波对分子运动的微弱影响可以通过非线形的代谢过程得到放大。例如文献［32］研究了如下形式的自催化过程（在生命过程中，自催化过程普遍存在）

（3）

此处X、A、B、C分别表示不同种类的分子，C*和C～表示处于活化或非活化状态的C分子。若考虑热噪声的作用文献［32］给出了上述过程的反应动力学Fokker-Plank方程

(4)

此处x=［X］， P(x，t) 为t时刻物质x浓度为［X］的几率密度。文献［32］从上式出发给出系统从一种稳态到另一种稳态的转换时间比为

这意味着没有微波作用时，系统将长期处于稳态［X］，而1 mW/cm2的弱微波辐射则可立即改变系统的状态，即弱微波对化学反应可能存在非热作用。但是，该项研究假设反应在微波辐射下仍然满足Arrhenius公式。有实验证明Arrhenius型反应在微波辐射下已不再满足Arrhenius公式［33］。

4 结论

总之，近年来弱电磁场（波）生物效应的研究仍在进行着，在实验数据上积累了相当多的资料，在理论上也提出了一些新的假设。但是，并未出现重大突破。在观点上仍存在着重大分歧。弱电磁场（波）生物效应研究是一个充满着诱惑和挑战的领域。它关系着人类的健康和以电磁波为载体的电子信息产业的发展，而它本身也有着重要的理论和实际意义。由于生物对象本身的复杂性，使得这方面的研究存在着重大分歧。弱电磁场（波）生物效应究竟存不存在呢？这个问题一方面涉及到实验研究问题，另一方面又涉及到理论研究问题。正如本文前面所述，实验存在分歧源于复杂的生物系统存在很大的个体差异性，导致实验的重复性不好，以及实验条件不好控制等。虽然科学有了长足的进展，但是对于最复杂的系统--生物体，知道的还很少，要求理论模型比较完善，有明确的靶目标并且具有实验检验性，困难确实很大。现在有些人悲观地提出要终止这项研究。1997年

10月在维也纳召开的联合国世界卫生组织会议上，结论是：现在没有充分的证据证明弱电磁场对人体的伤害，但是，也不能排除这种可能。我们坚信，随着科学的进一步发展，人类最终可以证明弱电磁场（波）生物效应存在与否，从而避免有害的影响，利用有益的效应为人类造福。

生物电磁效应的研究不仅研究弱电磁场对人体是否有害，而且这项研究极大地推动了信息学科自身的发展。主要表现在：（1）弱电磁场与波同生命系统之间的相互作用呈现出强烈的非线性关系。即在电磁生物效应中电磁场主要起触发作用，效应的能量主要来源于生物系统本身。为了搞清楚电磁场的触发作用，人们不得不借助于最新的非线性科学理论来研究这些问题。这又反过来促进了非线性科学的发展。(2)弱电磁场与波同生命系统之间相互作用的研究促进了一些新的现象和规律的发现，这些发现促进了电子信息科学的发展。例如，生命系统在宏观上虽是一个动态平衡系统但在局部却是非平衡的。对于电磁场与这些非平衡系统之间相互作用的研究必将极大地推动传统电磁理论的发展。此外，人们还发现生命系统对非常弱的电磁信号具有超敏感性，以及对噪声的强抗干扰能力，人们正试图以此发展新的通讯模式。以及人们发现利用电磁场可以控制细胞和生物大分子双稳态和多稳态的转变，人们正努力将其用于发展生物计算机，等等。

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