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.94CW-4GHz(8.4 mW/kgSAR,30 min) 否EEG谱(鼠)［3］Thuroczy.94CW-4GHz(8.4 mW/kgSAR,30 min) 有CBF(鼠)［3］Thuroczy.94CW-0.2 to 3.0 GHz有痛感阈值和神经传递物质释放(兔)［4］Teng.91CW-915 MHz有BBB［5］Salford.94 Low power densities有人体［6］Thuery.92 AMW-4GHz(amplitude modulatedat 16 Hz and 8.4 mW/kg SAR,30 min) 有EEG beta［3］Thuroczy.94AMW-4GHz(amplitudemodulated at 16 Hz and 8.4mW/kgSAR,30 min．) 否CBF［3］Thuroczy.94CW：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。