Sähkömagneetinen kenttä: Sähkömagneettisen säteilyn biologisista vaikutuksista molekyylitasolla

Sähkömagneettinen kenttä. Sähkömagneettisen säteilyn biofysikaalisista vaikutuksista

LÄHDE: Sakari Lang, Kari Jokela. Molekyylitason mekanismeja In: Sähkömagneettiset kentät. Sivut 119-121

Kudoksiin indusoituneet suhteellisen voimakkaat sähkövirrat ja -kentät synnyttävät lämpenemis- ja stimuloitumisilmiöitä, joiden biofysikaaliset perusteet tunnetaan hyvin. Sen sijaan stimulaatiotason ja lämmitystason alapuolella olevien heikkojen kenttien kohdalla biofysikaaliset vuorovaikutusmekanismit ovat pitkälti hypoteesien (oletusten) varassa.

Biofysikaalisella mekanismilla tarkoitetaan seuraavassa sellaista fysikaalista mallia, jonka avulla voidaan selittää, miten suoraan soluun kohdistuvat sähkömagneettiset kentät muuttavat solun toiminnalle tärkeiden makromolekyylien kuten proteiinien ja DNA:n biokemiallisia ja biofysikaalisia ominaisuuksia.

Monissa biofysikaalisissa teorioissa pyritään kehittämään malleja, jotka selittäisivät esimerkiksi miten sähkökenttä muuttaa sähköstaattisten voimien välityksellä molekyylien ja ionien sitoutumista makromolekyyleihin tai miten pientaajuinen magneettikenttä vaikuttaisi suoraan vapaiden radikaalien reaktiivisuuteen.

Biologinen mekanismi taas on laajempi käsite. Kun se tunnetaan, voidaan ymmärtää ja ennustaa miten kentät muuttavat biologisia prosesseja biologisen organismin eri tasoilla solusta koko eliöön.

Eräs perushypoteesi on, että sähkö- ja magneettikentät voisivat häiritä biokemiallisten viestien vastaanottoa solukalvolla ja viestin välittymistä solun sisällä. Biologisten mekanismien selvittelyllä on kuitenkin hyvä pohja vain, jos sen taustalla on uskottava biofysikaalinen teoria

Sähkömagneettisen teorian pohjalta tiedetään periaatteessa kuinka suuria ovat molekyyleihin ja soluihin vaikuttavat sähkö- ja magneettiset kentät eri altistumistilanteissa.

(E = sähkökenttä ; H = magneettikentän voimakkuus; B = magneettivuon tiheys) )

Kenttien ja aineen välisten fysikaalisten vuorovaikutusten soveltaminen biologiseen kudokseen on kuitenkin erittäin vaikeaa, koska biologiset organismit ovat monimutkaisia kokonaisuuksia, joissa monenlaiset fysikaaliset ja kemialliset prosessit vaikuttavat toisiinsa. Rakenteellisen ja biokemiallisen monimutkaisuuden lisäksi elävä kudos on myös sähköisiltä ominaisuuksiltaan erittäin monimutkaista

Pientaajuisten (taajuus alle 100 kHz) kenttien kohdalla on merkitsevää

se, kuinka suuria voimia kentät aiheuttavat varattuihin hiukkasiin.

(Hyvin pienitaajuiset kentät, ELF: alle 300 Hz)

(Välitaajuiset kentät, IF: 300 Hz- 100 kHz) .

Mutta radiotaajuisten kenttien (100 kHz- 300 Ghz) osalta tärkeämmäksi mekanismiksi nousee se, kuinka paljon ja miten energiaa sitoutuu biologiseen materiaaliin.

Perinteisesti radiotaajuisten kenttien (RF 100 kHz- 300 Ghz) biofysikaaliset vaikutusmekanismit on jaettu lämpövaikutuksiin ja ei-lämpövaikutuksiin.

Lämpövaikutuksilla tarkoitetaan sähkömagneettisen kentän vaikutusta biologiseen materiaaliin, jonka seurauksena materiaalin lämpötila nousee.

Ei-lämpövaikutuksesta puhutaan silloin, kun lämpötila ei nouse havaittavasti. Fysikaalisessa mielessä tämä jako on keinotekoinen, ja sitä rajoittavat mittaustekniset ongelmat. On erittäin vaikea mitata luotettavasti pieniä alle 0,01 °C lämpötilannousuja tutkimuskohteesta. Lisäksi jyrkkiä ajallisia ja paikallisia lämpötilannousuja ei ole helppo havaita.

Tärkeä kysymys kuuluukin, voiko voimakkuudeltaan heikkojen kenttien tuottama energialisä tai voima saada aikaan näkyviä muutoksia biologisessa järjestelmässä, kuten elävässä solussa.

Periaatteessa energia voi absorboitua molekyyleihin ja atomeihin muuttaen niiden sidoksia ja lämmittäen kudoksia. Biologisessa materiaalissa tapahtuu kuitenkin huomattavaa omaa lämmöntuotantoa kemiallisten reaktioiden sivutuotteena ja se voi peittää sähkömagneettisten kenttien tuoman energialisän. On kuitenkin huomioitava, että sähkömagneettisten kenttien tuoma lämpöenergia voi kytkeytyä kudoksiin hyvin nopeasti ja epätasaisemmin kuin tavanomaisesta lämmityksestä peräisin oleva energia. Se voi olla eräs selitys sellaisille radiotaajuisen säteilyn vaikutuksille, joiden yhteydessä lämpötilannousu jää vähäiseksi. Erityisesti pienillä alle 100 kHz taajuuksilla on myös tarkasteltava sitä mahdollisuutta, voisivatko kudoksiin indusoituneet sähkö- ja magneettikentät vaikuttaa varautuneisiin hiukkasiin suoraan sähköisen ja magneettisen voiman välityksellä. Pienillä taajuuksilla eristävien solukalvojen yli kertyy varauksia ja jännitteitä, jotka lisäävät huomattavasti paikallista sähkökenttää. Niiden suorat vaikutukset solukalvoilla oleviin varauksia sisältäviin makromolekyyleihin ovat merkittävämpiä kuin lämpeneminen ja voivat ilmetä esimerkiksi hermostimulaationa.

Sähkömagneettisen säteilyn biofysikaalisista vaikutuksista

LÄHDE: Sakari Lang, Kari Jokela. Molekyylitason mekanismeja In: Sähkömagneettiset kentät. Sivut 119-121