極低頻電磁場的生物學效應

宋濤，中國科學院電工研究所，

隨著電工技術的發展，用電設施日益增多，相關的極低頻電磁場對環境和人類健康的影響問題也越來越受到重視。所謂“極低頻”，一般是指300Hz及以下的頻率。我們日常使用的交流電的頻率是50Hz，也被稱為工業頻率（簡稱工頻），是最典型的極低頻。目前高壓輸電線路和軌道交通所產生的極低頻電磁場對健康影響的問題受到廣泛關注，甚至引起一些民事糾紛，嚴重干擾了一些關係到國計民生的重大項目的順利實施。導致這種局面的根本原因是，雖然極低頻電磁場對健康的影響問題已研究多年，但現有研究成果還無法給出明確清晰的答案。另外，隨著特高壓直流輸電技術的發展和應用以及磁懸浮軌道交通技術的發展，交直流混合的電磁場環境會逐漸增多，也使得極低頻電磁場對健康影響的問題更加複雜。

1. 問題的根源

大量研究認為較高強度的極低頻電磁場對生物體的影響是明確的，因而可能對健康產生危害（相應的，也可能有一些治療效應），但是較低強度（包括環境中）的極低頻電磁場對健康的危害尚無法確定。

物理學家通常把人體看成是一個由不同導電特性的組織所構成的系統。根據物理學的計算分析以及對電磁場生物學效應實驗結果的評估，國際非電離防護委員會於1998年制定了0～300GHz的電磁曝露限制導則來規範職業人群和一般公眾在電磁環境下的安全性問題，2010年又對低頻段（1～100 kHz）的電磁曝露限制導則進行了修訂。按照2010年修訂的電磁曝露限制導則，極低頻電磁場產生生物學效應的關鍵是其在人體內產生的感應電場。對於公眾曝露（即一般公眾所處的）相關的極低頻電磁場而言，一般組織的感應電場的基本限值是0.4 V/m，但是對於頭部的中樞神經刺激有更嚴格的要求，即感應電場的基本限值（單位V/m）是：

0.5/ f 1~10 Hz時

0.05 10~25 Hz時

0.002 f 25~300 Hz時

其中f 是電磁場的頻率。

由此可以通過電磁場的分析計算確定極低頻電磁場中電場和磁場的限值。對50Hz的工頻電磁場，公眾曝露的電場參考限值是5kV/m，磁場參考限值是200mT（1998 年版本的限值是100mT，我們國家通行的標準也是100mT）。

可以發現公眾曝露的電場參考限值與人體內感應電場的基本限值有上萬倍的差異，這是因為人體組織具有相對較高的電導率，對外界的電場有明顯的屏蔽作用。

目前在輸變電工程中非常關注電場的控制，由於降低電場的工程措施較多，相關的爭議並不是很大。與之相反，雖然環境中的極低頻磁場強度並不高，但是其對健康影響的爭議卻較大。例如，日常居室環境中的平均工頻磁場一般都在0.1mT以下，遠低於國際非電離防護委員會確定的磁場限值，似乎不必關注。但多項流行病學調查認為0.4mT 以上的工頻磁場與兒童白血病的發病率呈正相關，而且世界衛生組織下屬的國際癌症研究組織也將極低頻磁場定為“可疑致癌物”。另一方面，不少物理學家根據簡化的模型分析後認為環境中微弱的磁場在生物組織中的影響低於熱噪聲，因此不支持較弱的環境電磁場能對健康產生影響的結論。世界衛生組織1996年開始啟動的“國際電磁場計劃”對電磁場生物學效應進行了全面評估，2007年發佈了《極低頻場環境健康準則（EHCNo.238）》，一方面基本認可了國際非電離防護委員會1998年制定的電磁暴露限制導則，另一方面又提出了包括劑量學、生物物理機制、生物學效應實驗和流行病學等多方面需要進一步開展研究的方向，目的是減少極低頻電磁場對健康影響的科學證據的不確定性。從該報告中可以看出，目前關於極低頻電磁場的研究結果還是充滿著各種矛盾，也有眾多基礎問題尚未解決。

總體來說，目前極低頻電磁場生物學效應的研究面臨兩個問題：一是不同學者提供的實驗結果往往難以一致或比較，有些實驗得不到重複；二是沒有可以被廣泛接受的理論來解釋較弱的極低頻電磁場可能產生生物學效應的機理，以致在對健康的危險度的評價上往往難以得出明確的結論。

2. 自然界生物的啟示

雖然一些物理分析表明環境中微弱的電磁場在生物組織中的影響明顯低於熱噪聲，但一些特殊的生物體卻具有感知如此低的電磁場的能力。有研究表明鯊魚可以感受0.5mV/m 量級的電場。更加有趣的是不少長途遷徙的動物具有利用地磁場進行導航或輔助導航的能力，例如家鴿、鮭魚，甚至包括蜜蜂、蝙蝠等。地磁場的大小一般在50mT 左右，要感知其變化，生物必須具有感知更弱磁場信息的能力。當然，地磁場基本上是一個恆定磁場（略有波動），與極低頻磁場不同，但生物體受極低頻弱磁場影響的機制可能與其感知地磁場的機制有密切的關係，不少學者推測外加的極低頻弱磁場可能會影響對地磁場變化敏感的生物。目前，在生物體依靠感應微弱電場和微弱磁場的機制還不清楚，是當前研究的熱點，特別在生物體感受地磁的機制方面目前已經取得不少結果。

趨磁細菌是一類能沿著磁力線運動的特殊細菌，其體內含有由脂膜包被的單磁疇磁顆粒——磁小體。磁小體一般呈鏈狀（單鏈或多鏈）排列，形成一個“生物指南針”，以感應磁場。在北半球發現的趨磁細菌向北運動；存在於南半球的趨磁細菌則向南運動；而在赤道附近的趨磁細菌則兩種情況都有。趨磁細菌這種沿地磁場方向排列的趨磁運動有利於細菌尋找適合的生長環境。

圖1 趨磁細菌中各種形態的磁小體

與趨磁細菌類似，目前在很多具有感知地磁場能力的生物體內都發現有磁性顆粒。例如在家鴿和知更鳥的上喙部發現有磁性物質，在鮭魚的骨竇也有磁顆粒，在工蜂腹部的滋養細胞內含有數個磁性顆粒，而每個顆粒內又含有八千多個密集的超順磁粒子（直徑均為7.5 nm）。人們不禁要問，這些磁性顆粒在生物磁導航中起著怎樣的作用呢？

更加令人驚奇的是人腦中也存在著磁性顆粒，其形態與趨磁細菌中的磁小體非常類似，但未發現其呈鏈狀排列。進一步的研究確認人腦的海馬組織就存在著Fe₃O₄顆粒。這些顆粒是如何產生的？有什麼功能？是否可能成為外加磁場的作用靶點呢？一系列的問題引起了人們的廣泛關注。

3. 生物的磁感受機制

1992年美國學者科什文克等人首次探測出在人腦中存在有磁性顆粒。不久，科什文克就提出了一個基於磁性顆粒的生物磁感受機制（圖2），基本模型是一個單磁疇的磁性顆粒與跨膜離子通道相連，外加磁場可使磁性顆粒偏轉從而打開或關閉離子通道，進而產生生物學效應。

圖2 美國學者科什文克提出的

基於單磁疇磁性顆粒的生物磁感受機制

有學者注意到在家鴿喙部和蜜蜂腹部中的磁性顆粒大多是超順磁顆粒，因而提出一個基於超順磁顆粒的模型（圖3）：一串超順磁的顆粒與神經細胞膜通過纖維相連，當外加磁場與顆粒串平行時，由於磁化了的顆粒之間吸力的作用，顆粒間距會變小；當外加磁場與顆粒串垂直時，磁力的作用會使顆粒間距變大；顆粒間距的變化會使細胞膜產生應力，從而導致離子通道的開啟或關閉，進而導致生物學效應。

圖3 基於超順磁顆粒的生物磁感受機制

由此可見，基於不同結構和特性的生物內源磁性顆粒會有相應不同的磁感受模型。目前這些模型的研究主要還停留在理論分析階段，相關的實驗驗證甚少。即使是研究較多的鳥類磁定向問題，也存在一些爭議。

人們發現鳥類的地磁定向或導航行為受到光照條件的影響，例如在對繡眼鳥等雀形目鳥類的磁定向行為研究中發現, 在433nm的藍光和565nm 的綠光下可以準確定向, 但在630 nm的紅光下失去了定向能力。特別是有實驗發現，將知更鳥的三叉神經阻斷後，知更鳥仍具有磁定向能力。而現有的各種基於磁性顆粒的生物磁感受機制無法解釋光照的影響，也很難解釋鳥的喙部磁性顆粒與外磁場的作用信息是如何傳導到大腦的。與基於磁性顆粒的生物磁感受機制競爭的是一種基於化學磁受體的磁感受機制——自由基對機制。這種機制依賴於光受體誘導形成的自由基對中間體，即生物體內化學反應過程中產生的電子自旋方向平行或反平行的成對原子或基團。

自由基對機制是被廣泛接受的解釋磁場影響生化反應的機制，其基本原理是外加磁場可以通過塞曼交互作用影響未配對電子的自旋狀態，從而延長自由基對處於三重態的時間。美國學者里茲等人認為，鳥眼部組織中的光感自由基對中間體在地磁場的作用下產生的變化能夠產生信號，並通過視神經傳導到大腦，提供其導航所需的固定方位信息。這其中，藍光受體是產生自由基對的關鍵。在自由基對機制中，也只是存在大量的理論假設，缺乏有力的實驗證據。特別是自由基對機制要求光感自由基對的磁場響應必須是各向異性的，否則只能感受磁場幅值的變化，而無法感受磁場方向的改變。

以上兩類生物磁感受機制從物理學角度看都是合理的，也有一定的生物學基礎，但還都有各自的侷限。也有學者認為，可能在生物體內（特別是鳥），兩種機制是並存的

4. 人腦中的磁性顆粒

與極低頻磁場

目前人們還不清楚人腦中的磁性顆粒是如何形成的，也不清楚其功能（根據我們自身的經驗，可以基本排除其磁定向的功能）。生物內源磁性顆粒的主要元素是鐵，鐵對腦內氧運輸、電子傳遞鏈、神經遞質合成具有重要意義。長期以來，人們發現鐵運送與貯存的累積及失調與多種神經退行性疾病相關。早在1953年，人們就發現鐵濃度異常與阿爾茨海默症（亦即早發性老年痴呆症）有關。近年來，英國學者多布森等人的一系列研究發現老年痴呆症患者腦中磁性顆粒的總濃度較高（在某些樣本中比對照組高出15倍），提示生物內源磁性顆粒在老年痴呆症的發病機理中扮演著重要角色。當然，阿爾茨海默症的特徵性病理改變為β澱粉樣蛋白沉積形成的細胞外老年斑和tau蛋白過度磷酸化形成的神經細胞內神經原纖維纏結等，其與磁性顆粒的關係目前還需要深入研究。

雖然人腦中的磁性顆粒功能不清楚，但它是外加磁場的一個可能的靶點。目前在生物磁定向機制中提出的一些模型，基本思路都是認為磁場對內源磁性顆粒的物理作用力可以影響離子通道從而影響神經系統。在世界衛生組織2007年發佈的《極低頻場環境健康準則（EHC No.238）》中，對相關的模型進行了評估。通過分析比較磁性顆粒的磁能與熱噪聲，可以確認低於5μT的工頻磁場不可能通過與磁性顆粒的作用產生生物學效應，但是其結論取決於磁性顆粒的大小和可能綁定在一起的磁性顆粒的多少，也與磁性顆粒周圍介質的粘滯度相關。由於人腦中磁性顆粒的詳細分佈和顆粒性質（結構、磁性）還不完全清楚，因此相關的分析評估還很不完善，需要進行更多的探索。

另外，自由基對機制中的關鍵蛋白——藍光受體也存在於人腦中，其與外加磁場的關係也值得關注。

5. 結束語

極低頻電磁場生物學效應問題非常複雜，核心原因是生物體的複雜性。目前的研究尚未發現在國際非電離防護委員會

本文選自《現代物理知識》2013年第2期 時光摘編

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