1. Природные факторы и их воздействие на организм

Природная радиация. Магнитные поля.

«... Органическая жизнь только там и возможна, где имеется свободный доступ космической радиации, ибо жить – это значит пропускать сквозь себя поток космической энергии в кинетической ее форме».

Л А. Чижевский

Физические факторы внешней среды, послужившие основой возникновения жизни на Земле и оказывающие, как правило, комплексное воздействие на живые организмы, достаточно разнообразны. Они могут иметь галактическое происхождение, определяться солнечной активностью, либо процессами, происходящими на Земле и в околоземном пространстве. Комплекс этих факторов в определенных пределах совершенно необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности организма. Известно, что если поместить животное или человека в экранированную камеру и ограничить таким образом доступ внешней энергии естественного происхождения, в организме произойдут серьезные нарушения на молекулярном, клеточном, тканевом, органном и системном уровнях. И наоборот, на увеличение длительности или интенсивности воздействия перечисленных факторов организм реагирует декомпенсацией и развитием патологических состояний.

Каковы же характеристики различных видов внешней энергии, оказывающих влияние на все живое?

Галактические частицы, достигающие атмосферы Земли, обладают очень высокой энергией (порядка 10²⁰ эВ). В основном они представлены ядрами химических элементов, среди которых преобладают ядра водорода, гелия и тяжелые ионы. Их интенсивность составляет 1600 частиц/мс, средняя энергия – 7 ГэВ. Эти так называемые первичные космические лучи, взаимодействуя с атомами атмосферы, порождают «вторичные» или «собственно» космические излучения. Вторичные космические лучи представляют собой нуклеоны, мезоны, электроны и фотоны. Некоторые из них преобразуются в слоях атмосферы, а часть достигает Земли. Уровень космического излучения на поверхности Земли зависит от высоты местности и от ее геомагнитной широты.

Кроме космических лучей, существует межпланетное магнитное поле плотностью 1-30 нТ².

Атмосфера служит барьером для жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Однако она прозрачна в узком участке электромагнитного спектра. Эту область живые организмы воспринимают как свет.

Влияние космических лучей на организмы изучено сравнительно мало. Это обусловлено главным образом тем, что они действуют в комплексе. Существует гипотеза о возможном появлении в них фактора, меняющего свойства биологических систем. Однако известно, что с космическими излучениями сопряжена чувствительность к свету.

Самым мощным источником различных форм энергии, оказывающих влияние на Землю, является Солнце. Солнечной активностью называют комплекс явлений, происходящих в атмосфере Солнца. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции, в результате которых возникают электромагнитные излучения широкого диапазона. Время от времени на его поверхности появляются очаги повышенной активности в виде пятен и протуберанцев. Совершаются мощные взрывы, которые сопровождаются выбросом элементарных частиц.

Непрерывное расширение верхней части солнечной атмосферы сопровождается корпускулярным излучением. Скорость этого расширения по мере удаления от Солнца увеличивается. На расстоянии нескольких десятков солнечных радиусов оно достигает 400 км/с. Это так называемый спокойный солнечный ветер. Он увлекает за собой магнитное поле Солнца, вытягивая его силовые линии. Солнечный ветер содержит небольшое количество энергии. Вместе с тем, он играет значительную роль в передаче к Земле возмущений, обусловленных явлениями солнечной активности. И. В. Ковальский предлагает следующую схему связей между Солнцем и Землей: высокоскоростной поток солнечного ветра – рекуррентное геомагнитное возмущение и солнечная вспышка – вспышечный поток солнечного ветра – геомагнитная суббуря.

Активность Солнца по отношению к Земле периодически изменяется. Различают циклы суточные, годовые, 5-6-летние, 11-летние, 80 90-летние и многовековые. Периоды максимальной активности приходятся на 7-17-лет, минимальной – на 9-14 лет.

Солнечная энергия достигает внешних слоев атмосферы Земли в виде прямых солнечных лучей. При этом часть ее поступает в виде рассеянной радиации. В северных широтах уровень радиации повышается в апреле-мае, в южных – в марте-апреле, что связано с высотой Солнца и прозрачностью атмосферы. В течение суток максимум радиации приходится на полдень.

Спектр Солнца представлен следующими видами излучений: инфракрасным (до 60% общей энергии радиации), ультрафиолетовым (менее 0,5%), ионизирующим и видимыми лучами (около 40%).

Инфракрасные лучи Солнца имеют длину волны от 760 до 3000 нм и легко проходят сквозь атмосферу Земли. Встречая на своем пути частицы различных веществ, эти электромагнитные волны усиливают их вращательные и колебательные движения, создавая тепловой эффект.

Инфракрасное излучение легко проникает через одежду и поглощается кожей человека более чем на 50%. Наибольшим биологическим эффектом обладают короткие лучи длиной 760-1000 нм. Они повышают биолюминесценцию в организме, ускоряют биохимические, ферментативные и иммунные реакции, ускоряют рост клеток и регенерацию тканей, усиливают ток крови, увеличивают температуру крови и лимфы. Оказывая влияние на теплообмен, инфракрасное излучение воздействует на метаболизм. Понижается тонус гладких мышц и скелетной мускулатуры. Ослабевает нервное напряжение.

Уровень ультрафиолетовой радиации зависит от экранирующего действия атмосферы. Он повышается в горах с увеличением высоты. На уровне моря интенсивность радиации зависит от положения Солнца, географической широты, от временя года и суток. Она практически отсутствует при низкой облачности, в тени и снижена при высокой влажности и загрязнении воздуха. Ультрафиолетовые лучи хорошо поглощаются оконными стеклами и одеждой. Энергетическая стоимость этого вида излучений мала. Биологический же эффект, связанный с квантовым выходом, достаточно велик. Ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным действием. Под влиянием прямых солнечных лучей, особенно коротковолновой части спектра, погибают микроорганизмы. Попадая на кожу человека, ультрафиолетовое излучение оказывает фотоэлектрический и люминесцентный эффекты. При этом в основе происходящих процессов лежит способность ультрафиолетовых лучей к денатурации белка и его фотолизу, а также к повышению восстановительной активности сульфгидрильных веществ поверхностных слоев кожи.

Ультрафиолетовые лучи способствуют загару, что связано с образованием в результате ферментативных реакций пигмента меланина. Пигментация защищает кожу от излишней радиации. Однако при длительном воздействии ультрафиолетового излучения появляются ожоги или эритема. При этом клетки эпидермиса повреждаются, что ведет к образованию гистамина и других продуктов клеточного распада, которые всасываются в кровь. Продолжительное ультрафиолетовое облучение может привести к возникновению опухолей кожи и внутренних органов. Интересно отметить, что малые дозы радиации способствуют репарации клеток и регенерации поврежденной ткани у человека. Это обусловлено повышением ферментативной активности и интенсификацией обмена веществ.

Ультрафиолетовые лучи обладают способностью вырабатывать из эргостерола кожи витамин О, участвующий в обмене фосфора и кальция. Витамины группы О необходимы для придания плотности костям и для нормальной деятельности нервной и мышечной систем.

Умеренное ультрафиолетовое облучение повышает иммунные свойства кожи и крови, стимулирующее действует на ретикулоэндотелиальную систему и костный мозг. Оно активизирует функции вегетативной нервной системы и желез внутренней секреции. Малые дозы облучения оказывают возбуждающий, а большие – угнетающий эффект на процессы, происходящие в коре головного мозга.

Периодическое ультрафиолетовое облучение организма умеренными дозами приводит к оздоровлению организма. Увеличиваются его адаптивные возможности, повышается умственная и физическая работоспособность.

У жителей Севера при продолжительном отсутствии ультрафиолетовых лучей часто развивается солнечное «голодание», которое сопровождается определенным симптомокомплексом и снижает приспособляемость организма к окружающей среде.

Видимые лучи Солнца имеют длину волны от 380 до 760 нм. Они создают наибольшую величину освещенности, несмотря на то, что часть их рассеивается или отражается. Световой луч составляет спектр цветов, каждый из которых имеет свою длину волны.

Биологическое значение световой радиации для человека прежде всего состоит в возможности зрительных восприятий, что связано с механизмами фоторецепции.

Световые лучи проникают в тело на глубину около 2,5 см. Они стимулируют биохимические процессы, увеличивают иммунную реактивность, способствуют образованию пигмента. Повышается возбудимость коры головного мозга, деятельность желез внутренней секреции, обмен веществ. При этом разные цвета видимого спектра оказывают различное влияние на нервно-психические процессы.

Одним из важнейших следствий периодического изменения освещенности является создание циркадных ритмов. Они способствуют чередованию активной деятельности и восстановительных процессов.

Радиоволновое излучение Солнца находится в диапазоне от миллиметровых до 15-метровых волн. Оно имеет сравнительно небольшую мощность, которая значительно возрастает в периоды «возмущенного» Солнца- Существует гипотеза, согласно которой коротковолновое радиоизлучение отражается на биотоках мозга. Изменение интенсивности радиоволнового излучения Солнца имеет для человека сигнальное значение. В последнее время был высказан ряд предположений относительно механизмов влияния солнечной радиации на живые организмы. В основе этих механизмов лежат физико-химические изменения, происходящие на молекулярном уровне. Так, солнечная радиация приводит к сдвигам геометрических и энергетических параметров коллоидных частиц. Полагают, что гелио-физические факторы действуют на магнитоэлектрические свойства молекул воды и на динамику содержания свободных ионов кальция, которые участвуют в ультраструктурной организации клеточных мембран. Это, в свою очередь, влияет на проницаемость и поляризацию мембран.

В. В. Соколовский уделяет особое внимание тиоловым соединениям, широко представленным в живых организмах, поскольку в них находятся высокореактивные сульфгидрильные группы (SH), обеспечивающие важные реакции, в частности – реакцию обратимого окисления. Его точка зрения легла в основу создания унитоловой пробы, которая служит одним из количественных показателей биологических эффектов солнечной активности.

Луна также оказывает определенное влияние на процессы, происходящие на Земле. С нею, в частности, связаны силы притяжения, эффекты отраженного солнечного света, приливы и отливы в морях и океанах и другие периодические явления. Воздействие Луны на земные процессы может быть связано с ее прохождением в полнолуние через магнитосферный шлейф нашей планеты, что увеличивает амплитуду магнитных пульсаций и возмущенность магнитного поля.

Существует зависимость между лунными ритмами и женским половым циклом, который соответствует лунному месяцу. Полагают, что фазы луны сказываются на статистике деторождения. Кроме того, лунный свет действует на нервно-психическую сферу человека и может вызывать определенные отклонения, особенно в полнолуние.

В околоземном пространстве формируется излучение, получившее название радиационный пояс Земли. Он образуется потоками заряженных частиц (протонов и электронов), захватываемых геомагнитным полем. Различают две области радиационного пояса Земли: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя область простирается на расстояние от нескольких сотен до нескольких тысяч километров от поверхности. Ближе к Земле она представлена протонами, энергия которых составляет несколько сотен МэВ. На высоте около 3000 км преобладают электроны, мощность эквивалентной дозы излучения которых может достигать сотен тысяч бэр в сутки.

Внешняя область радиационного пояса Земли в основном образована электронами, максимум которых приходится на расстояние около 22000 км от поверхности. Мощность эквивалентной дозы облучения здесь составляет порядка 10 бэр/сут-Следует отметить, что радиационная опасность резко снижается при уменьшении высоты до 400-500 км. Однако излучения радиационного пояса Земли представляют риск для космонавтов, осваивающих околоземное пространство.

Движущиеся электрические заряды служат одной из причин возникновения магнитного поля Земли. В свою очередь, изменяясь во времени, магнитное поле порождает вокруг себя электрическое поле (магнетизм).

Земля имеет постоянное магнитное поле, на которое накладываются периодические и случайные изменения. Полагают, что они обусловлены электрическими явлениями в атмосфере. Горизонтальная составляющая постоянного магнитного поля Земли имеет максимум у магнитного поля экватора (0,3-0,4 Э), а вертикальная – у магнитных полюсов (0,6-0,7 Э). Электромагнитное поле Земли представляет собой спектр электромагнитных «шумов» в широком диапазоне частот от 10 до 10 Гц.

Периодические изменения магнитного поля Земли могут быть связаны с солнечной активностью и иметь вековую, годовую, сезонную и суточную цикличность. Полусуточные колебания обусловлены влиянием Луны. Существуют также короткопериодные микропулъсации.

Переменные магнитные поля, возникающие вокруг Земли, получили название магнитных возмущений и магнитных бурь. Переменная часть магнитного поля создается токами, локализованными преимущественно в ионосфере. Внутриземные токи, также вносящие заметный вклад в переменное магнитное поле, имеют вторичный характер и обусловлены эффектами индукции и особенностями внутреннего строения Земли. Магнитные бури усиливают токи Земли. Они возникают в результате проникновения в атмосферу летящих от Солнца со скоростью 1000-3000 км/с заряженных частиц (корпускул). В периоды возмущений происходит глобальное возбуждение микропульсаций. Они могут регистрироваться десятки часов подряд по всему земному шару.

Кроме воздействий со стороны Солнца, магнитное поле Земли подвержено техногенным влияниям. Искусственный магнитный фон может во много раз превышать естественный. В связи с этим в настоящее время встает проблема дифференцировки геомагнитных эффектов и влияния искусственных электромагнитных полей.

Живые организмы обладают собственными магнитными полями. Они возникают благодаря электрической активности клеточных мембран нервной и мышечной ткани. Другим источником являются ферромагнитные микрочастицы, попавшие в организм. Полагают, что у человека скопления магнетита органического происхождения находятся в надпочечниках и в коре головного мозга. Дж. Беккер, изучая распределение поверхностных потенциалов у животных и человека, обнаружил отрицательные заряды на большей части тела и конечностях и положительные заряды в затылочной области головы и в начале позвоночного столба, то есть в районе головного и спинного мозга. Вся система рассматривается автором как медленная электромагнитная регуляция организма. Биомагнитное поле человеческого организма измеряется в теслах и нанотеслах.

Исследования показали, что появление реакций живых организмов на внешние естественные электромагнитные поля зависит не от величины воздействующей электромагнитной энергии, а от модуляционно временных параметров электромагнитных полей, а также от того, на какие системы организма осуществлялось воздействие. Большинство авторов полагает, что влияние электромагнитного поля на живой организм носит информационный характер.

В последние годы проведено немало исследований по изучению механизмов воздействия колебаний геомагнитного поля. При этом было обнаружено изменение прежде всего биохимических реакций. Полагают, что при воздействии сил электромагнитной природы в водных растворах образуются свободные радикалы, способные инициировать окислительные реакции. Кроме того, под влиянием электромагнитных полей меняются свойства самой воды, изменяется показатель ее преломления. Геомагнитные доля сказываются на конфигурации цепей биополимеров, разрушая слабые связи вторичных, третичных и четвертичных структур.

Было показано, что в механизм воздействия электромагнитных полей вовлекаются структуры на молекулярном, клеточном, тканевом и органном уровне.

Электромагнитные поля малой напряженности влияют на функциональное состояние организма. На них реагируют основные системы регуляции гомеостаза: центральная нервная система, эндокринная система, кровообращение, система крови. Изменяется метаболизм.

Результаты многочисленных исследований показали, что наиболее чувствительна к флюктуациям геомагнитного поля нервная система. Впервые на это обратил внимание А. Л. Чижевский (1973). Что касается механизмов подобных влияний, то электромагнитное поле изменяет проницаемость клеточных мембран. Оно воздействует на физические процессы межнейронального взаимодействия. Происходят сложные изменения корково-подкорковых взаимоотношений, сопровождающиеся активацией лимбических структур и подавлением восходящих активирующих влияний ретикулярной формации на кору головного мозга. Отмечено взаимодействие внешних электромагнитных полей с эндогенными того же диапазона частот, в частности – с биополями головного мозга. Геомагнитные возмущения влияют на биопотенциалы головного мозга спящего человека и уменьшают продолжительность сна. При длительном действии микроволновой радиации происходит дезинтеграция пространственно-дискретной структуры нейроритмов в системе регуляции функционального состояния мозга.

Во время геомагнитных бурь возрастает напряженность вегетативного регулирования. Электромагнитные поля различной интенсивности влияют на формирование условных рефлексов. Они вызывают нарушения адаптивного поведения. Страдают механизмы памяти, особенно кратковременной. Изменяется восприятие времени, объем и интенсивность внимания, увеличивается время простой двигательной реакции.

Естественные магнитные поля оказывают влияние на системы свертывания крови. Изменение СОЭ у здоровых людей происходит синфазно с изменением магнитного поля Земли. Этот показатель достоверно увеличивается в дни с повышенной напряженностью геомагнитного поля. От состояния геомагнитного поля зависит цитохимический статус лейкоцитов периферической крови, осмотическая стойкость эритроцитов и уровень реакции перикисного окисления липидов эритроцитов. При геомагнитном возмущении отмечена разобщенность между окислительными и гидролитическими процессами в лимфоцитах, что создает предпосылки для развития заболеваний.

Обнаружено, что электромагнитные свойства крови имеют существенное значение для гемодинамики. Если бы кровь не обладала магнитными свойствами, нагрузка на сердце значительно возросла бы. С вариациями геомагнитного поля коррелируют частота сердечных сокращений, артериальное давление, периферическое сопротивление сосудов. При возмущениях геомагнитного поля происходят нарушения мозгового кровообращения, изменяются показатели дыхательной и мышечной систем. Отмечены сдвиги в терморегуляции.

Необходимо обратить внимание на то, что естественное магнитное поле Земли, благодаря своему сенсорному действию на организм, поддерживает процессы жизнедеятельности. Искусственное ослабление влияния электромагнитного поля угнетает жизненные функции. И наоборот. При длительном пребывании в электромагнитном поле малой напряженности изменения в организме не ограничиваются функциональными сдвигами и переходят в патологические процессы. Снижается функциональный резерв тканей, что может сопровождаться деструктивными процессами в головном мозге, сердце, легких, печени, поджелудочной железе. Падает устойчивость организма к внешним воздействиям. Особенно отчетливо такие изменения происходят под влиянием искусственных электромагнитных полей, которые накладываются на естественные. В результате в организме возникает комплекс патологических отклонений, известный под названием «магнитной болезни».

Рис. 8. Неионизирующее электромагнитное излучение а – промышленная частота, б – телефонная сеть, в – амплитудно-модулированная частота (535-10605 кГц), г – диатермия (27, 12 МГц), д – частотно-модулированная частота (88-108 МГц), е – телевизионная сеть, ж – радар, з – мазеры, и – инфракрасное излучение, к – лазеры, л – видимый свет, м – ультрафиолетовое излучение, н – диапазон микроволнового излучения, о – диапазон радиочастотного излучении.

Бурное развитие науки и техники в XX веке привело к созданию генераторов электромагнитных полей, которые широко используются в практике: промышленности, связи, военной сфере, радионавигации, здравоохранении, быту. Столь широкое их применение сопровождается прогрессирующим электромагнитным «загрязнением» окружающей среды, создающим угрозу здоровью населения. И действительно, всем известно о вреде многочасового просмотра телевизионных программ и беспрерывной работы за компьютером в течение рабочего дня.

В печати все чаще появляются статьи о нежелательных эффектах широкорекламируемых сотовых телефонов.

Например, шведскими учеными были представлены данные о влиянии радиотелефона на мозг животных. В течение двух лет подопытные крысы «пользовались» стандартным аппаратом системы 68М. В результате у животных был обнаружен статистически достоверный рост количества опухолей мозга. При контакте с радиотелефоном всего в течение 40 дней у крыс возникали биохимические изменения в клетках головного мозга.

Что касается человека, то уже сейчас на основе экспериментов, проведенных в Великобритании, можно сделать вывод, что безопасность зависит от конкретных условий применения аппаратов сотовой связи. В последних отчетах (Ш 106 и Ш 108) Национального совета радиологической защиты Соединенного Королевства (NPPB) приводится ряд обобщенных данных по излучательным характеристикам базовых станций сотовой связи, ручных и автомобильных сотовых телефонов. Эксперты по защите от излучений выявили, что неправильное размещение базовых станций, антенн, особенно автомобильных, может приводить к значительному облучению- Так, установка антенны вблизи заднего стекла автомобиля для передатчика в 2.5 Вт может дать двух-трехкратное превышение предельно допустимых уровней радиации на заднем сидении.

Использование различных моделей ручных сотовых телефонов приводит к возникновению как физиологических, так и поведенческих реакций. В таблице приведены данные, позволяющие сравнить пороги некоторых биологических эффектов со средними уровнями мощности сотовых телефонов.

В 1996 году в Мюнхене состоялось заседание координационного совета Всемирной организации здравоохранения по проблеме влияния электромагнитного излучения на здоровье человека. На нем было отмечено, что по мере проведения исследований в рамках нескольких национальных программ выявляется все большее количество тревожных фактов, свидетельствующих о возможном вредном воздействии аппаратов сотовой связи на здоровье.

На рисунке 8 представлены электромагнитные волны, которые используются в технике.

Источниками волн радиочастотного диапазона являются прежде всего станции радио- и телевещания. Классификация радиочастот дана в таблице 1. Эффект радиоволн во многом зависит от особенностей их распространения. На него влияет характер рельефа и покрова поверхности Земли, крупные предметы и строения, расположенные на пути и т.п. Лесные массивы и неровности рельефа поглощают и рассеивают радиоволны.

Мощными источниками электромагнитных полей могут служить токи промышленной частоты (т=50Гц). Напряженность электромагнитных полей вдоль электрических высоковольтных линий передачи достигает нескольких тысяч вольт на метр. Одно время территории под высоковольтными линиями электропередач широко использовались под дачные застройки. Однако, как показали исследования, напряженность 300-1000 В/см небезопасны для здоровья.

Ультразвуковые электромагнитные волны наряду с широким применением в промышленности (механическая обработка материалов, дефектоскопия, ультразвуковая микроскопия) и в медицине (ультразвуковая терапия) также небезразличны для живого организма.

Большим достижением квантовой электроники явилось создание в 1960 году оптического квантового генератора (лазера). Принцип его работы основан на согласованном по частоте и направлению излучении электромагнитной энергии колоссальной плотности. Такое вынужденное излучение возможно в диапазонах радиоволн, инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частей спектра. Лазерные интерферометры (измерители расстояний), измерители загрязнения воздуха, установки по обработке материалов, оптические квантовые генераторы для лечебных целей, микрохирургический инструмент – далеко не полный перечень областей практического использования лазерного излучения. Лазеры применяют также в связи, локации и т.д. Следует иметь в виду, что помимо опасности прямого излучения лазера угрозу для здоровья могут представлять электрически заряженная аппаратура, чрезмерный шум самого лазера и т.п.

Таблица 1