7.1.1. Роль электрических процессов в функционирова­нии живых организмов

Живые организмы, включая организм человека, представляют собой исключительно сложные системы, функционирование ко­торых обеспечивается разнообразными процессами - физически­ми, химическими, биологическими, регулирующими внутренние условия функционирования живых организмов, их воспроизвод­ство, мыслительную деятельность человека и многое другое. В ос­нове реализации этих процессов лежат электрические явления на молекулярном и клеточном уровнях.

По структуре живой организм, как правило, состоит из сово­купности клеточных тканей, образующих мышечную, кровенос­ную, лимфатическую, нервную и иные системы. Внутренняя сре­да организма является электропроводящей. В ней, представляю­щей собой водные электролиты, осуществляется транспорт ионов, молекул, циркулируют электрические токи, которыми возбуждаются, определяются и регулируются все жизненно важ­ные процессы. Токи возбуждаются электрическими полями, со­здаваемыми ионами, концентрация которых зависит от вида хи­мических реакций, протекающих в организме, вида и скорости обменных процессов и т.д.

Следует отметить ключевую роль электрических процессов и в двигательных функциях мышечных тканей. В них на заключитель­ном этапе сложных биохимических процессов осуществляется пре­образование энергии электрического поля в механическую работу.

Нормальное функционирование клеток организма связано с обменом веществ через мембраны. Обмен осуществляется путем открытия каналов в мембране, через которые проходят ионы на­трия, кальция, хлора и других элементов. Открытие каналов про­исходит за счет электростатических сил, действующих на белко­вые молекулы мембраны, при изменениях напряжения между стенками мембраны вследствие различия концентраций ионов внутри и снаружи клетки. Изменения концентрации ионов снаружи клетки и возникновение потенциала действия являются неотъемлемыми элементами механизмов электрохимической пе­редачи информации по тканям. В спокойном состоянии напряже­ние составляет примерно 80 мВ. Для того чтобы каналы мембра­ны оказались прозрачными для ионов натрия, достаточно умень­шить напряжение на 20 мВ. С учетом электропроводности и структуры нервных тканей этому состоянию соответствуют усред­ненные напряженность электрического поля в организме человека 40 В/м и плотность тока 4 А/м². Если внутри тела человека искус­ственно создать указанные поле или плотность тока, то будут на­рушены естественные процессы функционирования органов, на­пример, наступит паралич нервных тканей или нарушится ритм сокращений сердечной мышцы. Таким образом, указанные значе­ния напряженности поля или плотности тока являются, безуслов­но, опасными.

Поле внутри тела может быть создано как при непосредствен­ном касании человеком токоведущих частей, так и за счет проте­кания по телу токов смещения, если человек находится в перемен­ном электрическом поле, или в поле индуктированных токов при нахождении в переменном магнитном поле. Указанной напряжен­ности поля или плотности тока внутри тела соответствует напря­женность внешнего электрического поля промышленной частоты 100 МВ/м или магнитного поля примерно 1 МА/м. Следует отме­тить, что ни магнитные, ни электрические поля указанной напря­женности на практике не встречаются и случаев непосредственно­го поражения человека магнитным или электрическим полем про­мышленной частоты не зарегистрировано.

Однако правомерен вопрос, при каких напряженностях вне­шних полей, возможно, негативное или позитивное влияние на че­ловека электромагнитных возмущений, создаваемых электричес­кими, электронными и иными приборами, в которых использует­ся электрическая энергия. В организме человека при нахождении в электрическом, магнитном или электромагнитном внешних по­лях, индуктируются токи, накладывающиеся на собственные био­токи, в результате чего могут измениться естественные процессы или возникнуть новые явления.

Постоянные внешние электрические поля не могут вызвать то­ков в организме. Единственным следствием воздействия таких по­лей, может быть возникновение электрических зарядов на поверх­ности тела. Постоянные магнитные поля проникают внутрь орга­низма без изменения, так как в организме отсутствуют ферро- или диамагнитные образования.

Переменные электрические и магнитные поля вызывают соот­ветственно токи смещения и индуктированные токи. Для оценки возможного влияния этих токов на организм необходимо сопоста­вить их амплитуды и частоты с аналогичными параметрами есте­ственных биотоков.

Электромагнитные поля высокой частоты также способны ин­дуктировать токи в организме. Появление этих токов, безусловно, является новым, влияющим на процессы в организме, фактором, так как в естественных условиях высокочастотные токи в организ­ме отсутствуют.

Поскольку электрические, магнитные и электромагнитные поля становятся все более сильным фактором искажения окружа­ющей среды и достоверно известны некоторые конкретные меха­низмы воздействия полей на человека, в зарубежной печати по­явилось новое определение этому явлению - электросмог. В заг­рязнение окружающего пространства электрическими и магнитными полями промышленной частоты основной вклад вносят объекты электроэнергетики, в первую очередь линии элек­тропередачи и подстанции высокого напряжения, электрифици­рованный транспорт, мощные промышленные установки, а также разнообразные бытовые электроприборы.

Проблема электромагнитной обстановки как фактора негатив­ного влияния на самочувствие и здоровье человека привлекает все большее внимание общественности, причем часто опасность пре­увеличивается из-за недостатка знаний в этом вопросе либо по конъюнктурным соображениям, таким как стремление найти рынки сбыта устройств для измерения параметров полей или уст­ройств и методов ослабления напряженности полей.

В связи с развитием электроэнергетики, с непрерывно расши­ряющимся применением мощных электротехнических и элект­ронных устройств на производстве, транспорте и в быту искаже­ния электромагнитной обстановки становятся все более замет­ным, а напряженности электрических и магнитных полей на рабочих местах, например, на объектах электроэнергетики, могут существенно превышать значения естественных полей. Изучению влияния электромагнитной обстановки на состояние здоровья человека в последние годы придается большое значение. Оно обусловлено, в частности, появлением сообщений о повышен­ном риске раковых заболеваний у людей, длительно проживающих вблизи линий электропередачи высокого напряжения, что связыва­ется с влиянием на организм человека магнитного поля, создавае­мого токами в проводах линий; жалобами персонала объектов электроэнергетики напряжением выше 220 кВ на ухудшение самочув­ствия при длительном воздействии электрических и магнитных по­лей промышленной частоты на рабочих местах и т.п.

Как в научных трудах, так и в средствах массовой информации все чаще появляются сенсационные материалы об опасности для здоровья электрических, магнитных и электромагнитных полей, в том числе и слабых, но длительно действующих. Например, появ­ляются безосновательные утверждения, что опасной для человека границей является напряженность магнитного поля промышлен­ной частоты 0,16 А/м при нормированной за рубежом напряжен­ности 80 А/м и более. Как правило, фактическая база таких утвер­ждений оказывается недостоверной. Однако интерес к этой про­блеме не ослабевает, так как существует вероятность недооценки опасного влияния полей на здоровье и повторения ситуации, сходная с той, которая складывалась при недооценке опасности ионизирующих излучений.

Упомянутые проблемы находятся в поле зрения многих между­народных организаций, таких как Всемирная организация здраво­охранения (ВОЗ), Международная электротехническая комиссия (МЭК), Международная ассоциация по защите от ионизирующих излучений (IRPA), Европейский комитет по нормированию в об­ласти электротехники (CENELEC), Комиссии европейского со­юза (CEU), национальные комиссии и т.д., занимающиеся вопро­сами нормирования воздействующих на персонал и население электрических, магнитных и электромагнитных полей, включая поля промышленной частоты.

Согласно многочисленным исследованиям воздействия полей на человека неопасной считается плотность тока в организме ~10мА/м², что соответствует при частоте 50 Гц напряженности внешних полей 20 кВ/м и 4 кА/м. При больших плотностях на­блюдаются такие последствия, как обратимые изменения скорос­ти синтеза протеинов и ДНК, нарушения ионного равновесия, концентрации промежуточных продуктов обмена и активных ве­ществ в клетках, изменения процессов деления клеток и т.п. При плотностях тока 100—1000 мА/м² могут происходить сильные воз­буждения клеток и тканей, центральной нервной системы, возни­кают болевые ощущения, а при больших плотностях тока возмож­ны аритмия и фибрилляция сердца. Интересно отметить, что на­пряженность полей, кратковременно создаваемых приборами электротерапии в организме человека, как правило, выше грани­цы восприимчивости (ощущения человеком наличия поля), а при работе дефибриллятора в сердечной мышце создается импульсное поле напряженностью ~600 В/м, что соответствует плотности тока ~60 А/м². Таким образом, следует четко различать возможные не­гативные или позитивные последствия электрических и магнит­ных полей в зависимости от их напряженности и экспозиции

Плотность тока ~10 мА/м² в теле человека считается уровнем естественных биотоков. Все клетки нормально функционируют при такой плотности тока. Частоты биотоков, как правило, лежат в диапазоне 4—1000 Гц. Регистрация сигналов, связанных с биото­ками (электрокардиограммы, энцефалограммы) является эффек­тивным средством диагностики состояния организма человека.

Более удобным для пользования является не плотность тока, а ток, протекающий через тело по направлению рука-рука. Безопас­ный для человека ток зависит от времени его воздействия. Соглас­но ГОСТ 12.1.038 эти зависимости для производственных и быто­вых условий приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1.

Предельно допустимые токи через тело человека в зависимости от времени протекания при частоте 50 Гц, мА

Используя эти нормированные токи, можно оценить внешние поля, которые создают указанные в табл. 7.1. токи. Такие оценки, как уже отмечалось, при времени воздействия более 1 с дают зна­чения 25 кВ/м и 4 кА/м. При сокращении времени воздействия предельно допустимые напряженности полей возрастают пример­но на 2 порядка, при этом напряженность электрического поля становится выше напряженности, при которой произойдет элект­рический пробой по воздуху вдоль тела человека. Вероятно, этим объясняются случаи разряда генератора импульсных напряжений в лабораториях на человека, не приводящих к летальному исходу

Учитывая важную роль электрических процессов в функциони­ровании организма человека, возможное влияние на организм внешних полей, создаваемых электрическими и электроэнергети­ческими устройствами, далее рассмотрим электромагнитную об­становку, окружающую человека на производстве и в быту, меха­низмы воздействия полей на организм, а также некоторые вопро­сы нормирования допустимых напряженностей.