第29卷第1期 中南民族大学学报(自然科学版) Vol.29No.12010年3月 JournalofSouth2CentralUniversityforNationalities(Nat.Sci.Edition) Mar.2010
收稿日期 2010201223 作者简介 吴石增(19432),男,博导,研究员,IEEE学会高级会员,研究方向:机电一体化、生物医学工程和智能科学仪器,E2mail:shzwu@电磁波的生物效应与人体健康吴石增1,2(1中国科学院电工研究所,北京100190;2中南民族大学生物医学工程学院,武汉430074)摘 要 介绍了电磁波的生物效应——电离辐射效应和非电离辐射效应,分析了两类生物效应的原理和对人体健康的影响,剖析了电磁波“双刃剑”的特性,指出了它对人体疾病的治疗作用和潜在的伤害作用.关键词 电磁波;生物效应;电离辐射;非电离辐射;人体健康中图分类号 Q64;O44 文献标识码 A 文章编号 167224321(2010)0120057205
BioeffectofElectromagneticWaveandPerson′sHealthWuShizeng1,2(1InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofScience,Beijing100190,China;(2SchoolofBiomedicalEngineering,South2CentralUniversityforNationalities,Wuhan430074,China)Abstract Thispaperintroducesthebiologicaleffectoftheelectromagneticwaveincludingtheionizationradiationandnon2ionizationradiation.Theprinciplesoftwotypesofradiationsandtheiraffectsforperson′shealthareexplained.Theskeancharacteristicsoftheelectromagneticwaveareanalyzed.Keywords electromagneticwave;bioeffect;ionizationradiation;non2ionizationradiation;person′shealth 电磁波是客观存在的一种物质形式,通过专门设备可以感觉到它的存在.事实上,我们周围充满了各种类型的电磁波,它与人们的生活紧密相关.例如,我们用收音机可以听到电台的广播节目,用电视机可以收看到电视台的电视节目,人们天天都在使用手机打电话、发短信,这些事实都表明在我们周围存在着各种台站所发射的电磁波.与此同时,在医学健康领域基于电磁波的疾病诊断仪器和治疗仪器也得到广泛应用.也就是说当今人们的生产和生活活动中一刻也离不开电磁波,它在人们的生产和生活活动中起着不可估量的作用.当它为人们谋福利的同时,也为人们的生活和健康带来一定的负面影响.当其作用到人体时,不同波段的电磁波会产生不同的生物效应.但从大的方面来说,电磁波的生物效应分两种:即电离辐射效应和非电离辐射效应[123].电离辐射对人体有较强的伤害作用,人们在日常生产和生活中,需要特意的对它们进行防护;非电离辐射虽然对人体没有明显的伤害作用,但长时间作用所产生的累积效应也会产生潜移默化的伤害作用.也就是说电磁波是人类健康的“双刃剑”,人们在广泛接触电磁波的现实环境中,有必要认识和了解电磁波“双刃剑”的特性,以便趋利避害,充分利用它对人类生活和健康有益的一面,而对其对人体伤害的一面进行防护,使其更好地为人类的生产和生活活动以及人类的健康服务.1 电磁波谱根据物理学可知,电磁波就是随时间变化的电磁场,它具有波动的性质.在自由空间中,电磁波的波长Κ和振荡频率f之间有如下关系:f=cΚ,(1)式中,c是电磁波在自由空间的传播速度,它等于光速,即约为3×108ms.这一速度大致相当于电磁波在一秒内沿赤道绕地球传播7周半.从式(1)可以看出,不同波长的电磁波对应不同的频率和不同的能量,这些不同的参数变化形成电磁波谱[123],如表1所示.根据电磁波谱,电磁波划分为7个波段,依次是无线电波(又称射频)、微波、红外线、可见光、紫外线、X2射线、射线.它们的特点和规律是:波长依次从长变短,频率依次由低变高,能量依次由小变大.人类是世界上最高级的生物,要了解电磁波对人体作用的影响,首先应该了解电磁波的生物效应.电磁波对生物的影响很复杂,每种电磁波由于它们的波长、频率和能量的不同,其对生物体的影响程度也各不相同.高能量波段的电磁波产生电离辐射效应,低能量波段则产生非电离辐射效应.表1 电磁波谱Tab.1 Spectrumofelectromagneticwave名称波长(真空中)m频率Hz能量eV射频104～13×104～3×1081.24×10-10～1.24×10-6微波1～10-33×108～3×10111.24×10-6～1.24×10-3红外线10-3～8×10-63×1011～3.7×10141.24-3×10～1.24可见光(800～380)×10-93.7×1014～7.9×10141.55×3.26紫外光(380～10)×10-97.9×1014～3×10163.26～1.24×102X射线(10～10-3)×10-93×1016～3×10201.24×102～1.24×106Χ射线(10-3～10-4)×10-93×1020～3×10211.24×106～2 电离辐射效应2.1 电离辐射的定义由生物学可知,人体的软组织是由细胞购成,而细胞的结构又主要由蛋白质构成,蛋白质又由大量的分子所构成.当具有极高能量的电磁波或粒子流对生物体进行辐射作用时,分子内的原子在高能量的激发下就会失去电子,一旦原子失去电荷,分子的化学结构就会发生变化,形成离子,这种现象称为电离辐射效应.2.2
1
电
磁
场
在
农
业
生
物
工
程
的
应
用
课 程： 生物电磁学
学 院： 电子信息学院
学 生： 汪 建
2 电磁场在农业生物工程中的应用
在地球上空的电离层对地面具有360KV的正电位，地面附近的场强为130V/M，与则同时地球又是一个巨大的磁体，在地面处的磁感应强度为0.05 mT，因此地球上的人、动物和植物等生物始终处在电磁场的作用下，这就是地球的生物电磁环境。而生物在长期演化过程中，已经适应了这一环境，但是当所处的电磁环境发生了变化时，大量的实验证明静电场、静磁场和交变电磁场作用于农业生物体会产生各种各样的生物学效应，其中促进生物生长发育的效应称为正效应或兴奋效应，阻碍或破坏生物生长发育的效应称为负效应或抑制效应。
近20多年来，电磁场的生物效应引起了人们的极大关注。国内外对电磁环境效应研究的报道很多涉及的内容也比较广泛。电磁环境生物效应在农业中的应用，已渗透到农业的各个领域。电磁生物效应研究所产生的新技术，如静电技术、微波技术和磁处理技术等等已成为当前改造传统农业、革新传统农业、促进农业现代化的科学技术手段之一，可以直接用于促进增产和改进产品品质，减轻或避免自然灾害所造成的损失，有的还可以为节约能源开辟新途径[3]。
一、电磁生物效应的几个特点
1、 多参量性
生物生理学的研究表明，能引起生物反映的刺激量S等于刺激强度和刺激时间的乘积。在电磁生物效应的实验中，人们主要关注的是场强和作用时间。但是电、磁场本身就是一个很复杂的场，农业生物体由于具有生命活动，也包含着极其复杂的不仅是生理生化的变化，还有自身电磁特性的变化，并深受外界环境因子的影响。因此，电磁生物效应研究中的参数选择，除电(磁)场强度E(B)和作用时间t外，还应考虑电(磁)场的类型Ni，作物品种和类型Ki，含水量W，处理时的温度T，空气的湿度aw，植物胚的朝向dw等等，则刺激量的函数关系应为S=f(E，B，t，Ni，Ki，W，T，aw，dw，…)。从刺激量函数可以看出生物体的电磁处理过程，是一个极其复杂的、既是物理的，又是生理生化的转化过程。多参量性使电磁生物效应研究难度很大，研究进展缓慢。
人类脉冲电磁场的生理作用
人类身体是由各种生物电场组成的，其中包括心电图、脑电图等等。这些生物电场的产生是由身体内部各种生物活动的结果。这些生物电场对身体的正常运转起了至关重要的作用。人们随处可见的电磁场则对身体产生了极大的生理影响。对人类脉冲电磁场的研究已经成为生物、医学和经济等多学科的交叉领域。这篇文章将阐述人类脉冲电磁场的生理作用。
1. 电磁场的来源和影响
人造电磁场来自于电视、电脑、手机、各种工厂、高压输电线、手机塔等人类发明的设备，自然电磁场来自于大气层、太阳辐射、地磁场等等。在某些特定的频段下，电磁场会对人体产生不同的生物效应，如心血管系统的改变、神经系统的刺激、免疫功能的抑制以及癌症等。
2. 磁场对生命的影响
研究表明，强磁场可以改变电离的离子浓度和细胞内钠离子的转移速度，从而影响细胞的代谢和增殖等生物学功能。此外，弱磁场对人体免疫系统的调节也有一定的作用，能够提高人体的免疫力。强磁场还可以降低压力和焦虑程度，增强人的睡眠质量。
3. 电磁场对神经系统的影响
现代人类在生活和工作中接触到的电磁场不断增强，这对神经系统的影响尤其大。他们发现，电磁辐射可以影响显著影响人的认知和情绪状态，导致注意力和记忆力下降，疲劳增加，产生消极情绪或烦躁不安等不同的看法。在本要素中，神经上反应与电磁场间的作用是显著的。尤其是超高频电磁辐射可以在一定程度上改变神经元和脑细胞的活动模式，从而导致神经和认知方面的问题。
4. 电磁场对身体的影响
不同频率的电磁场会对身体产生不同程度的影响，特别是对呼吸系统和心血管系统有较大影响，导致肺和心脏疾病风险增加。部份人类的不适症状包括恶心、头痛、记忆受损、反胃、失眠等等。而且有明确的研究证明，某些频率的电磁辐射会对生殖系统和生殖功能产生影响。
总结
人类脉冲电磁场是与人类生活紧密相连的物质，其生理效应被广泛关注。根据目前的研究成果，需要加强对电磁辐射及其对人类的影响进行跨学科的综合研究。此外，为了保护公众的健康，科学家和政策制定者需要尽快做出更详细的标准和措施，以限制和控制电磁辐射对公众的影响。
脉冲电磁场对细胞的影响及其作用机理
脉冲电磁场（PEMF）是一种非常重要的物理现象，它被广泛地应用于医学领域。PEMF可以通过改变细胞内的离子流动、水分布和代谢产生影响，这种影响可以促进组织修复和细胞增殖。PEMF在细胞与组织的应用有很多优点，但其作用机理仍需要深入研究。
一、PEMF对细胞的影响
PEMF通过改变细胞膜的电位差、离子流动和代谢来影响细胞。不同频率的PEMF可以引起细胞形态、周期和生理功能的变化。PEMF调节细胞营养代谢，促进生长和修复。还可以加强细胞的免疫功能，增强电池的抵抗力，并对细胞周期产生调节作用。
二、PEMF的作用机理
PEMF的作用机理主要有两种：直接作用于细胞和间接作用于细胞。
直接作用于细胞：PEMF能够改变细胞膜的电位差和渗透性，进而影响细胞的代谢和离子流动，这种直接作用称为电效应。电效应能够加快细胞的代谢，促进细胞成分的吸收和消费，并增加细胞膜通透性，从而改善细胞的内部环境和防止病原体侵入。
间接作用于细胞：PEMF也能够通过诱导细胞产生生物效应，从而影响细胞的生长和复苏。这种间接作用主要是通过DNA、RNA和蛋白质合成等生物化学过程。PEMF能够改变这些生物过程中的电位差和离子流动，从而增强细胞营养代谢和免疫功能，促进组织的修复和重建。
三、PEMF对人类健康的影响
PEMF被广泛应用于医疗领域，主要是因为它可以提高人体的免疫功能和组织修复能力。PEMF能够帮助恢复压力和疲劳状态下的机能，其中包括运动损伤、手术后的康复和慢性疾病的治疗等。PEMF还能够帮助改善睡眠，减轻肌肉疼痛和炎症，降低血压和糖尿病等慢性疾病的风险。
四、PEMF的应用领域
PEMF对人体和动物的应用领域非常广泛，比如运动损伤、骨折、关节疾病、皮肤疾病、精神病等。PEMF还能够促进细胞再生和组织修复，因此在人体重建和再生医学方面也很有用。PEMF可以与其他治疗方式很好地结合使用，比如药物疗法、手术、物理疗法等。
