电磁生物

一、原初作用
1.1 电磁生物效应因果链
  电磁生物效应主要有热效应和非热效应，非热效应具有效应类型多、特性不稳定、机理不明确等特点，是电磁生物学研究的重点。电磁场暴露导致疾病是生物效应因果链(Bioeffects causal chain)一系列事件的结果，其起源于物理反应—-化学反应—-生化反应—-细胞效应—-组织与器官效应—-整体效应—-群体效应等一系列节联反应，最终产生健康的终点效应。物理作用是电磁生物效应的第一步，称为原初作用。

  图1 生物效应因果链


1.2 ROS和Ca2+效应
  选择海马神经元，观察在0.1mT、0.5mT和1.0 mT工频电磁场暴露48小时，海马神经元ROS水平和胞内Ca2+浓度的变化。结果表明：暴露于0.1mT，0.5mT和1.0mT电磁场海马神经元的ROS水平和Ca2+浓度都比对照组有显著性提高(P<0.01)。暴露于0.1mT和0.5 mT电磁场的ROS水平和暴露于0.1mT电磁场的Ca2+浓度与Trolox+ EMF组比较没有差异(P>0.05)，暴露于1.0mT电磁场的ROS水平和暴露于0.5mT和1.0mT电磁场的Ca2+浓度比Trolox+EMF组有显著性提高(P<0.01)。表明电磁场可以促进细胞自由基的产生，并且ROS水平与胞内Ca2+浓度有正相关性。

  图2 工频电磁场对海马神经元[Ca2+]增加



  图3 工频电磁场对ROS和Ca2+效应


二、电磁原初效应的实时性
  现有极低频电磁场(Extremely Low Frequency-Electromagnetic Fields，ELF-EMFs)生物效应的研究方法是非实时组间对照，这种方法无法排除细胞对电磁场反应个体敏感性的差异，以及实验过程中条件变化的差异。一种对同一个细胞在同一条件下的前后对照实时观察ELF-EMFs反应的方法，采用稳定域鉴别ELF-EMFs暴露前海马神经元的稳定性，在电磁场加入时刻(t=60s)分别用0、0.09、0.38、0.76、7.33、14.78mT的ELF-EMFs暴露于海马神经元，实时记录海马神经元活性氧自由基(Reactive Oxygen Species，ROS)和Ca2+荧光响应曲线，建立ELF-EMFs与ROS和Ca2+的自相关函数。结果表明：(1) 在ROS暴发时间和Ca2+暴发时间，ROS和Ca2+荧光响应具有阶跃性，这是判断实时响应的重要标志；(2) ROS和Ca2+对ELF-EMFs响应时间具有延时性，并且不一致；(3) ROS和Ca2+对ELF-EMFs实时响应具有剂量性；(4) 海马神经元ROS对ELF-EMFs响应具有复杂性；(5) 海马神经元Ca2+对电磁场响应主要是渐进稳定。当ELF-EMFs与ROS和Ca2+实时响应的相关函数大于0.3可以判断具有相关性。结论是一种ELF-EMFs暴露下细胞ROS和胞内Ca2+的实时响应方法对电磁生物效应评价是可行的。

  图4 海马神经元ROS荧光实时曲线



  图5 海马神经元ROS相关函数


三、生物鲁棒性
  生物鲁棒性是生物系统抵抗外界扰动或内部参数摄动引起系统行为变化的一种能力。电磁场是一种外界物理因素, 可以对生物体产生影响。为了建立一种电磁场扰动下生物系统稳定鲁棒性的研究方法，以Lyapunov理论为基础, 用电磁场细胞暴露系统实时记录了在磁感应强度B为0、0.09、0.38、0.76、7.33、14.78 mT的电磁场暴露下细胞内活性氧自由基(ROS)和钙离子(Ca2+)的含量，分析了电磁场扰动前的细胞状态稳态点和稳定域，以及电磁场扰动后的状态转移和稳定鲁棒域。结果表明：(1) 细胞无扰时ROS的稳态点是46.157~120.913，Ca2+的稳态点是25.430~55.686，ROS的稳定域半径是1.688~10.278，Ca2+的稳定域半径是2.782~13.345；(2) B<7.33 mT的电磁场扰动没有提高胞内ROS含量，B为14.78 mT的电磁场扰动可阶跃性提高胞内ROS含量，B为0和0.09 mT的电磁场扰动没有提高胞内Ca2+含量，B为0.38 mT的电磁场扰动可持续性提高胞内Ca2+含量。结论是：(1) 无电磁场扰动时，细胞内ROS和Ca2+状态可以保持稳定；(2) 电磁场扰动在较高水平(如B为14.78 mT)时，才能改变细胞内ROS和Ca2+的状态；(3) 细胞的鲁棒域与电磁场的磁感应强度无关。

  图6 电磁扰动海马神经元ROS状态图