Автор: Е. К. ЕСЬКОВ

стр. 66

Доктор биологических наук Е. К. ЕСЬКОВ, Российский государственный аграрный заочный университет

Одна из задач экологии как науки - изучение воздействия на биосферу широкого спектра электромагнитных полей как природного, так и антропогенного происхождения. Функционирование организмов независимо от их сложности находится в прямой зависимости от этих процессов, протекающих на уровне клеток и тканей.

На протяжении обозримого геологического периода Земля подвергается природным электромагнитным воздействиям широкого частотного диапазона - от медленных, связанных с изменением магнитных и электрических полей, до гамма-излучения. Появление же искусственных их аналогов относится ко второй четверти XIX в., когда были изобретены и стали использоваться электрические машины (электромагниты, электродвигатели, генераторы электрического тока). Сейчас их доля в воздействии на биосферу сравнима с естественной, а в некоторых случаях и превосходит ее*.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ

Природные электромагнитные явления обладают высокой вариабельностью во времени и пространстве. К примеру, если на Северном полюсе нашей планеты их напряженность составляет около 48 А/м, то в самой южной точке -56, а на экваторе - всего 32 А/м. Однако в зонах магнитных аномалии - а их на Земле немало - градиенты напряженности значительно нарушаются. Кстати, существует точка зрения, что положение ее магнитных полюсов неоднократно менялось и связано это, вероятно, с процессами в недрах планеты.

Свою лепту в изменчивость электромагнитных явлений вносит и наше светило, вызывающее сильные магнитные бури, достигающие напряженности в 200 гамм и имеющие ярко выраженные 11-летние и 27- суточные циклы. Однако этим влияние Солнца на земное существование не ограничивается. Его ультрафиолетовое излучение воздействует на токи в ионосфере, тем самым определяя суточные колебания горизонтальной составляющей магнитного поля, достигающие 20 - 30 гамм. Помимо указанных, существуют еще и электрические поля, порождаемые преимущественно межоблачными разрядами (атмосферики). Причем в грозовых и слоистых облаках напряженность может достигать 100 кВ/м. Правда, величина последней непостоянна и падает в момент разряда, а затем вновь "набирает си-

* См.: А. В. Клименко и др. Энергоэкологический мониторинг. - Наука в России, 1996, N 2 (прим. ред.).

стр. 67

лу". Подобное может происходить медленно, с частотой даже ниже 1 Гц, а может протекать очень быстро - до десятков килогерц.

Наряду с перечисленными естественными источниками электрических полей существуют их аналоги искусственного происхождения. Скажем, высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Они проходят через лесные массивы, над водоемами, мелкими населенными пунктами, разрезают крупные города, и сеть их неуклонно возрастает. Создаваемая под ними напряженность везде разная и полностью зависит от конкретной электролинии. Так, на высоте 2 м от поверхности земли под ЛЭП в 500 кВ напряженность электрического поля равняется в среднем 6 кВ/м, под ЛЭП в 750 кВ - 11, под ЛЭП в 1500 кВ - 17 кВ/м. Индуцируемое при этом магнитное поле на несколько порядков меньше земного и является фактором, влиянием которого на биосферу можно пренебречь.

Наряду с электромагнитными волг нами над почвой, расположенной под высоковольтной линией, возникает электрический ток. Величина его зависит от влажности почвы и напряжения в той или иной ЛЭП. Например, если последнее равно 500 кВ, то наводящийся ток меняется от 2 до 3,7 мкА, возрастая в зависимости от повышения влажности грунта от 6 до 15%. На глубине 15- 20 см его величина при прочих равных условиях уменьшится в 1,5 раза, а если его измерить на расстоянии 15 - 20 м от линии, он совсем не обнаруживается.

Несколько отличаются от земных электрические процессы в водной среде. Здесь они связаны с теллурическими (земными) токами, интенсивность и направление которых подвержено годовым (до нескольких лет) и короткопериодичным (от нескольких секунд до минут) вариациям. Мало того, их амплитуда изменяется от долей до сотен мкВ/м. Для сравнения скажем, что столь высокого значения электрическое поле достигает вокруг некоторых промышленных объектов.

ЧТО НАМ ВРЕДНО И ЧТО ПОЛЕЗНО

Немецкий врач Парацельс еще в XVI в. высказал предположение, что для нормальной жизнедеятельности человека необходимо воздействие магнитного поля. Дальнейшая практика подтвердила правоту ученого. А в XVIII в. итальянский физиолог Л. Гальвани первым обнаружил электрические явления при мышечном сокращении у животных (так называемое "животное электричество"), и с тех пор электрические поля пытаются использовать в терапевтических целях. Правда, одни исследователи наблюдали физиологические эффекты от его влияния, другие же не отмечали никакой реакции подопытных животных. Скажем, отечественный физиолог А. М. Скоробогатов с соавторами (1969 е) в опытах на кроликах, подвергнутых влиянию постоянного электрополя напряженностью 8 кВ/м, выявил: их дыхание либо учащалось (22% животных), либо становилось редким (45% случаев). В аналогичных опытах на крысах 15 - 16-минутное воздействие поля напряженностью от 19,5 до 400 кВ/м стимулировало учащение пульса и дыхания. Другие исследователи (С. А. Чеботарева с соавторами, 1968 г.; Ф. Г. Портнов, 1972 г), продержав животных в электрическом поле 6 раз в неделю по 4 ч, не обнаружили у них никаких физиологических изменений. А ведь в этих случаях кроликов помещали между электродами, находившимися под напряжением 15 кВ, и через полтора месяца их подвергали повторному обследованию.

Теперь рассмотрим влияние электрических полей на людей. Ведь многие находятся в зонах ЛЭП, работают на предприятиях, использующих диэлектрические материалы, при трении которых образуются сильные статические заряды. Для того чтобы определить, как подобные условия сказываются на здоровье человека, в конце 60-х годов XX в. испытуемых подвергли тщательному обследованию. Оказалось: у находившихся ежедневно по 2 ч под воздействием постоянного электрического поля напряженностью 2 кВ/м в течение 50 - 60 суток не обнаружили никаких отклонений от нормы, характеризующих состояние высшей нервной деятельности. Температура тела, частота пульса, артериальное давление и состав крови тоже были в норме.

Из сказанного можно сделать вывод: непосредственное действие постоянных электрических полей не провоцирует появление физиологических изменений в организме животных и человека. Отмечаемые иногда отклонения от нормы, вероятнее всего, связаны с сопутствующими факторами (к ним относятся озонирование воздуха под действием электрических разрядов у источников высокого напряжения и ионизация).

Иная картина вырисовывается, если мы оцениваем влияние на организм теплокровных животных и человека переменных электрических полей, на практике распространенных очень широко. Особого внимания заслуживает рассмотрение экологических эффектов так называемых инфранизких - менее 20 Гц - и электрополей промышленных частот - 50 - 60 Гц. Первые входят в спектр составляющих естественный фон Земли, вторые передаются на большие расстояния - как уже говорилось, по ЛЭП. И те, и другие далеко не так безобидны, как постоянные электрические поля.

В частности, в опытах А. П. Волынского, поставленных в 1971 г. на кроликах, было обнаружено: у них учащается электроэнцефалограмма и увеличивается ее амплитуда при воздействии электрического поля частотой 8 Гц и напряженностью всего 0,1 - 0,5 кВ/м. При воздействии на тех же животных электрополей промышленной частоты у них нарушалась координация движений и терморегуляция, повышалось кровяное давление. Однако этого не происходило, если в крестцовый отдел спинного мозга испытуемых вводили новокаин.

Отрицательное влияние электрических полей частотой 50 - 60 Гц сказывается и на людях. У них увеличивается потоотделение, повышается возбудимость или, наоборот, наблюдается заторможенность, причем эти признаки недомогания возрастают с увеличением напряженности поля. Все это можно наблюдать непосредственно под высоковольтными линиями электропередач или рядом с ними.

Негативное воздействие электрополей промышленной частоты на работников распределительных подстанций и лиц, обслуживающих ЛЭП, заставило ученых обратить на них внимание. Экспериментами,

стр. 68

проведенными с 1975 по 1985 г. в Научно-исследовательском институте энергетики (Новосибирск), Научно-исследовательском институте биологии и биофизики (Томск), Инженерно-педагогическом институте (Свердловск - ныне Екатеринбург) и других, было выявлено: к основным расстройствам организма вследствие воздействия низкочастотных электрических полей относятся вегетативная дисфункция, тахикардия, артериальная гипертензия*, повышенная утомляемость и расстройство сна. Причем вероятность приобретения профессиональных заболеваний зависит от стажа работы.

В частности, у работников распределительных подстанций через 7 - 10 лет повышается возбудимость периферических отделов нервной системы, происходит некоторое ослабление процессов ее торможения, а также существенно усиливается активность функционирования нейтро-филов (одной из форм белых кровяных телец). При этом количество лейкоцитов снижается в первые два года работы на подстанциях, а примерно через 3 - 6 лет опять приближается к норме. Однако их состав при этом меняется - количество нейтрофилов увеличивается, а лимфоцитов снижается.

Поскольку у человека и теплокровных животных отсутствуют специализированные рецепторы электрического поля, то его восприятие возможно лишь опосредованно. Один из механизмов такой чувствительности основан на раздражении экстероцепторов (рецепторов, локализующихся на поверхности тела) наведенными токами. На теле человека под ЛЭП в 500 кВ они достигают 100 мкА.

Наведенные токи, как установил в 1984 г. Н. Г. Новиков, раздражают также биологически активные зоны (у человека известно 664 подобных участка), расположенные на поверхности тела. Воздействие на них, в отличие от "неактивной" части кожи, приводит к повышенному болевому восприятию из-за пониженного электрического сопротивления, что существенно влияет на физиологическое состояние организма. Так, при напряженности электрополя 5 кВ/м и частоте 50 Гц в активных зонах ток составляет несколько единиц, а при 20 кВ/м - сотни микроампер. Это в 3 - 5 раз превосходит токи в неактивных участках поверхности тела. Непосредственное же воздействие электрических полей на центральную нервную систему маловероятно из-за высокой проводимости кожи и прилегающих к ней тканей, что обеспечивает экранирование организма и ограничение проникновения в него электрических колебаний.

БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ ЖИВОТНЫЕ

Самым большим разнообразием (около 1260 тыс. видов) отличаются беспозвоночные животные. Одних только насекомых - почти 1 млн. особей. Но о влиянии электрополей на них пока известно мало.

В последние годы особое внимание ученые уделяют медоносной пчеле. У нее (пока единственного представителя фауны) нам удалось обнаружить орган, воспринимающий низкочастотные электрические поля* и установить использование статического электричества в системе пространственной ориентации и внугригнездовых коммуникаций**.

Разумеется, этим опыты, проводимые в разных странах для определения влияния постоянного электрического поля на жизнедеятельность насекомых, не ограничились. Изучая бабочек-пядениц, американский ученый Д. К. Эдвард в 1961 г. обнаружил: электрическое поле напряженностью 18 кВ/м способствует уменьшению количества яиц, откладываемых самкой, но одновременно увеличивается процентная доля самцов. А в 1986 г. японский естествоиспытатель Шима Тошио с соавторами установил отрицательное влияние 15 - 180-минутного воздействия поля на куколок плодовой мушки. Это говорит о повышении вероятности случаев их ненормального развития. Постепенно появлялись и другие данные. В частности, обнаружено: у изолированных пчел в электрополе высокой напряженности увеличивалась потребность в кислороде, а у личинок пилильщика повышалась температура замерзания жидких фракций в организме. Однако несмотря на привлекательность полученной информации (регуляция пола, изменение устойчивости к замерзанию и др.), из-за низкой воспроизводимости соответствующие опыты не получили практического применения.

Интересна реакция насекомых на электростатически заряженные поверхности. Опишем эксперимент, проведенный автором с пчелами. У входа в улей помещали металлическую пластинку шириной 1,5 - 2,5 см и подключали ее к источнику постоянного тока напряжением 250- 300 В. При этом скорость "первых шагов" по пластинке у насекомых замедлялась в 5 - 7 раз, а затем передвижение происходило в обычном темпе. Аналогичная ситуация повторялась при взлете - "последние шаги" давались также тяжело. Подобное отношение к проводнику, подключенному к источнику питания, обнаружено и у других насекомых, которые, приблизившись к нему, могут приостановить (при 30- 40 В) или вообще прекратить движение (100 В).

Некоторые ученые считают: пчелы реагируют на повышение напряженности постоянного электрического поля и на возрастающую при этом ионизацию воздуха. Этим и объясняется, дескать, давно известный факт, что перед грозой они прекращают полеты. Однако такое предположение не получило подтверждения в наших исследованиях, проведенных в 1990 г. Состояние насекомых при этом оценивали по многим этологическим показателям - спектру и интенсивности генерируемых ими звуков, стабильности внутригаездовой терморегуляции, летной активности. И несмотря на то, что напряженность постоянного электрополя достигала 15 кВ/м, а концентрация ионов - 2*10 ⁶ /см, поведение пчел никак не менялось.

Другое дело, когда на беспозвоночных воздействуют низкочастотными электрическими полями. Здесь я за 1966 - 2001 гг. обнаружил большое многообразие форм реаги-

* Гипертензия - повышенное гидростатическое давление в сосудах, половых органах или полостях организма (прим. ред.).

* См.: Е. К. Еськов. Трихоидные сенсиллы - что это? - Наука в России, 1997, N 5 (прим. ред.).

** См.: Е. К. Еськов. Геомагнитотропизм и электромагнитные связи животных и растений. - Наука в России, 2002, N 1 (прим. ред.).

стр. 69

рования. Скажем, численность кузнечиков, поселившихся под высоковольтной линией и вблизи нее, зависит от напряжения в сети и расстояния от нее. Так, под самой линией число насекомых - минимальное, при удалении от ЛЭП в 110 кВ на 100 м их количество возрастает в среднем в 1,3, а в зоне ЛЭП в 500 кВ - в 2,5 раза.

Эти данные могут значительно меняться в зависимости от погоды. Например, кузнечики "убегают" от линии электропередач в пасмурные дни при высокой относительной влажности воздуха. Если последняя составляет 44%, то их плотность под ЛЭП в 500 кВ будет ниже в 3,6 раза, чем в 100 м от нее, а при влажности 89% - в 5,7 раза.

Дождевые же черви, напротив, скапливаются под высоковольтными линиями. При удалении от ЛЭП в 500 кВ на 25 м их численность уменьшается в среднем в 1,4 раза, на 50 м - в 2,3 и на 100 м - в 2,6. Важно отметить: на результаты опытов существенно влияет наличие растительности, частично экранирующей действие низкочастотных электрических полей. Подтверждением этому служит то, что под ЛЭП в 500 кВ на поле, занятом злаками, на 1 м было обнаружено в среднем 138, а под кустарниками -159 дождевых червей.

Впрочем, вернемся к пчелам как наиболее изученным представителям беспозвоночных. Напомним: на период медосбора ульи нередко размещают в лесных зонах под высоковольтными ЛЭП или вблизи них. Это объясняется тем, что в таких местах деревья вырубают, а местность зарастает медоносной растительностью. Однако ожидаемого эффекта зачастую не достигают, ибо высоковольтные линии нарушают внутри-гнездовую терморегуляцию. Если в зоне локализации пчелиного расплода нормальная температура не превышает 36 ^o С, то в ульях под ЛЭП в 500 кВ она не просто возрастает, а в течение нескольких минут колеблется в пределах 5 ^o С и может варьировать от 36 - 37 ^o С до 40 - 41 ^o С. Пчелы к такой ситуации не адаптируются. Исправить положение можно, только удалив улья от ЛЭП.

Другой отрицательный фактор переменных электрических полей состоит в том, что они обладают репелентным (отпугивающим) эффектом. Последний настолько силен, что вынуждает пчел, находящихся на кормушке с медом или раствором сахарозы, немедленно взлетать после включения электрополя напряженностью 50+/- 10 кВ/м. Когда опасность минует, насекомые возвращаются обратно.

Еще один эффект электрического поля - стимулирование локомоций (движения) у пчел и бумажных ос (их так называют потому, что свои гнезда они строят из бумаги). У первых гиперактивизацию вызывает поле частотой 500 Гц при напряженности 20 - 30 кВ/м. Для вторых же достаточно и 7 кВ/м при прочих равных условиях.

В отличие от названных насекомых рыжие лесные муравьи реагируют на электрическое поле замедлением движения. При его напряженности 80 - 90 кВ/м они медленно выходят на вершину холмика и принимают оборонительные позы. Причем многие из них выпрыскивают защитный кислотный секрет.

Обратим внимание на кровососущего комара. В. М. Орлов из Томска в 1998 г. установил: при напряженности электрического поля 10 кВ/м насекомое летает гораздо медленнее, а при 40 - 60 кВ/м у него пропадает трофическая мотивация (он перестает нападать на людей и животных). Кроме того, вероятность их электрического сопротивления в таких условиях даже при напряженности 5 кВ/м уменьшается на 30% и совсем исчезает при 30- 40 кВ/м.

Итак, среди рассмотренных видов беспозвоночных наиболее чувствительны к переменному электрическому полю бумажные осы. Порог их восприимчивости составляет в среднем 0,04 кВ/м при частоте 500 Гц. А наиболее "толстокожими" оказались рыжие лесные муравьи.

стр. 70

Многочисленные исследования показали: насекомые воспринимают низкочастотные электрополя посредством двух различных механизмов. Один из них связан с использованием механорецепторов (различных антенн, трихоидных сенсилл и т.п.), реагирующих на электрическое поле вибрацией их первичных преобразователей. Второй механизм основан на раздражении наведенными токами, протекающими в местах контактирования насекомых друг с другом или токопроводящими поверхностями.

А ЧТО ЖЕ ФЛОРА?

Изучение реакции растений на электрическое воздействие относится к концу XIX - началу XX в. Тогда индийский естествоиспытатель Дж. Ч. Бос установил: все они реагируют на раздражение током, в частности, направлением роста корней. Изгибание последних, впрочем, как и побегов, под влиянием постоянного тока (гальванотропизм) происходит вследствие ускорения или замедления роста одной из их сторон, что может быть связано либо со сдвигом концентрации анионов и катионов, происходящим при электролизе солей, находящихся в растении, либо с дислокацией в них гормонов. От ориентации побега (корня) по отношению к вектору электрического поля зависят направление изгиба и темпы роста. Последний ускоряется, если вектор поля совпадает с осью побега, а его вершина обращена к положительному электроду. Переполюсация дает обратный эффект. А когда вектор электрополя перпендикулярен продольной оси корня или стебля, то растение развивается неравномерно и появляется множество побегов.

Явление гальванотропизма имеет высокую воспроизводимость, что открывает широкие возможности для его практического использования в поливном земледелии и выращивании различных культур без почвы с применением питательных растворов (так называемая гидропоника). Опыты, проведенные автором совместно с Н. Н. Красиковым и Т. М. Маренковой в 2002 г., показали: существенное влияние на рост и развитие растении оказывает электризация воды электрическим полем постоянного тока. Причем значительную роль при этом играют примеси. Скажем, наличие в ней ионов кальция, натрия или магния ослабляет этот процесс (дистиллированная вода, лишенная их, заряжается сильнее).

Почему же наэлектризованная вода лучше стимулирует рост растений? Дело в том, что произошедшая объемно-зарядовая поляризация способствует ее структурированию (молекулы в ней располагаются не хаотично, а занимают определенные места). В таком метастабильном состоянии вода легче и быстрее поглощается семенами и, в конечном счете, способствует ускорению их прорастания. Если поливать проростки такой водой, они быстрее развиваются.

Опытами в Научно-исследовательском институте биологии и биофизики (Томск) в 1984 г. установлено: переменные электрические поля влияют и на почвенные процессы, от которых зависит развитие растений. Дело в том, что электрополе промышленной частоты изменяет целлюлазную активность почвы (целлюлаза - фермент, расщепляющий целлюлозу). Оказывается, повышение или понижение активности этого фермента зависит от вида растений, подвергаемых действию электрического поля. Например, под ЛЭП в 500 кВ у посевов скерды красной (травянистое растение) целлюлазная активность возрастает и она быстрее развивается, а у гороха - наоборот.

Таким образом, доказано: постоянные, особенно низкочастотные электрополя обладают широким спектром биологического воздействия. А последствия зависят от его величины и продолжительности. Не последнюю роль играют экологическая ситуация, а также степень сложности организмов. Впрочем, дальнейшие исследования могут принести еще много неожиданного.

Permanent link to this publication: