Naturalne pole elektrostatyczne i pole magnetostatyczne

Wszystkie organizmy żywe, które żyły, żyją i będą żyły na Ziemi ewoluowały w naturalnym polu magnetycznym stałym i stałym polu elektrycznym, czasami w polu elektromagnetycznym (PEM), generowanym np. przez wyładowania atmosferyczne. Przystosowały się do niego, a nawet nauczyły się wykorzystywać je do swoich celów. Pole elektryczne Ziemi wynika z różnicy potencjałów między powierzchnią planety a jonosferą i ma wartość 100–150 V/m. Pod chmurami, podczas silnych burz natężenie pola wzrasta nawet do 20-30 kV/m. Wartość naturalnego pola magnetycznego zależy od szerokości geograficznej i wynosi od 0 μT na biegunie magnetycznym do 67 μT na równiku magnetycznym. Ziemskie pole magnetyczne ulega silnym zakłóceniom przez strumienie cząstek emitowane przez słońce. Powstają wtedy tzw. burze magnetyczne, czasami tak gwałtowne, że mogą zaburzać działanie urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Odizolowanie roślin i zwierząt od naturalnego PEM wywołuje niekorzystne objawy. Nasiona nie kiełkują, rośliny przestają rosnąć, a ich tropizmy ulegają zaburzeniu. Zwierzęta tracą apetyt, linieją, wykazują objawy chwiejności wegetatywnego układu nerwowego oraz nerwic. Obserwuje się także zmiany histologiczne tkanek. Wpływ PEM na rośliny przejawia się w zjawisku, nazywanym magnetotropizmem. Wzrost korzeni, pędów czy łagiewek kiełkujących ziaren pyłku różni się w zależności od ich ułożenia względem linii sił pola magnetycznego. Najkorzystniejsze jest ułożenie nasion zgodnie z liniami sił pola magnetycznego tak, aby zarodki skierowane były ku północnemu biegunowi magnetycznemu Ziemi.  

Gwałtowny, „wybuchowy”, rozwój wegetacji wiosną, szczególnie dobrze widoczny w górach, tłumaczony jest zmianą natężenia ziemskiego pola elektrycznego, które właśnie wiosną jest najwyższe i wynosi 122 V/m. Latem spada do 75 V/m. Może to bezpośrednio stymulować kiełkowanie nasion i wzrost roślin lub działać pośrednio, poprzez zwiększoną produkcję tlenków azotu w atmosferze, które wymywane przez deszcz trafiają do gleby w postaci azotanów, wzbogacając glebę w ten pierwiastek. Sprzyja to bujniejszej wegetacji roślin.

Należy jeszcze wspomnieć o oddziaływaniu pola elektrostatycznego i magnetostatycznego na orientację przestrzenną zwierząt.  Z polem statycznym, magnetycznym i elektrycznym wiążą się najczęściej mechanizmy orientujące obiekt biologiczny zgodnie z parametrem geometrycznym jednego czy drugiego pola. Mamy zatem zarówno elektro – jak i magnetotaksje (gr. taxidi – podróż)  

Magnetotaksja jest właściwością organizmu do wykonywania ruchu w kierunku narzuconym przez pole magnetyczne. Najczęściej spotyka się bakterie magnetotaktyczne i ich wykorzystanie w praktyce okazuje się być dość istotne. Zjawisko zostało odkryte we wczesnych latach 70. XX w. przez biologa Richarda Blakemora z uniwersytetu w Massachusetts oraz Richarda Frankela z MIT. Odkryli oni, że bakterie (marine marsh) skupiają się w jednym miejscu w kropli wody, i skupienie to ma kierunek ziemskiej północy magnetycznej. Bakterie te zostały nazwane magnetotaktycznymi, a zjawisko przemieszczania się o organizmów wymuszonych geometria pola magnetycznego nazwano magnetotaksją. Czułość magnetyczną u gołębi odkrył Charles Wacott z uniwersytetu stanowego w Stonybrook w USA, a w przypadku ptaków wędrownych tę zdolność zbadał Wolfgang Wiltscko z uniwersytetu we Frankfurcie nad Menem, zaś inni badacze niemieccy zajęli się tym zagadnieniem w odniesieniu do tańca pszczół.

Okazuje się, iż żywe istoty o różnym poziomie organizacji są związane z polem geomagnetycznym ziemi, a dotyczy to np. nie tylko bakterii, ale glonów jedno- i wielokomórkowych, pierwotniaków, płazińców, mięczaków oraz kręgowców.

Jednak badania behawioralne nie dały żadnych wskazówek w poszukiwaniu przyczyn takich zachowań. Dopiero odkrycie Josepha Kirschvinka z laboratorium Jamesa Goulda w uniwersytecie w Princeton obecności cząstek magnetytowych Fe₃O₄. Są to cząsteczki ferrimagnetyczne, posiadające pojedyncze domeny magnetyczne z trwałym momentem magnetycznym, osiągającym w masie cząsteczek wartość 480×10³ A/m.

Prowadzone przez amerykańskiego uczonego badania doprowadziły w ostatnich latach do hipotezy, twierdzącej, że większość oddziaływań bioelektromagnetycznych (nawet dla pól zmiennych w czasie) odpowiadają mikrocząsteczki magnetytowe, przyczepione bądź wchłonięte przez organizmy żywe.

Najprostszą hipotezą wyjaśniającą magnetotaksję bakterii jest oddziaływanie mechaniczne pola magnetycznego na moment magnetyczny cząstki. Z drugiej strony energia termiczna pola magnetycznego dąży do dezorientacji komórki czy bakterii. Orientacja zgodna z polem magnetycznym świadczy o takiej wartości siły generowanej przez to pole, że potrafi ona przezwyciężyć wpływ chaosu termicznego.

Badacze koncentrują uwagę na zagadnieniach zupełnie fundamentalnych, a mianowicie poznaniu mechanizmów generujących badane relacje. Ścierają się tu dwa poglądy – koncepcja makroskopowa, w której organizm żywy traktowany jest jako ośrodek ciągły (analiza polowa) i koncepcja mikroskopowa, gdzie oddziaływanie realizuje się przez obecność w organizmie drobin magnetytów.

Istnieje uzasadnione mniemanie, że cząsteczki magnetytów znajdują się również w tkankach i komórkach człowieka. Tłumaczyłoby to wyniki wielu doświadczeń przeprowadzonych z ludźmi, a wskazującymi na istotny wpływ pola magnetycznego na zachowanie się człowieka.

Istotnym pytaniem nurtującym badaczy jest, w jaki sposób sygnały wygenerowane przez moment przyłożony do cząstek magnetytów przenosi się do mózgu. O ile w przypadku bakterii sprawa wydaje się prosta – flagella z magnetytami nadaje kierunek, o tyle w organizmach złożonych takie proste przełożenie   nie istnieje. Pewna podpowiedzią w rozwiązaniu tej zagadki jest odkrycie kilka zaledwie lat temu nerwu czułego na zmiany pola magnetycznego u jednego z gatunku pstrąga tęczowego. Znaleziono komórki magnetorecepcyjne. Wspomniany już Kirschvink i jego zespół dowiódł istnienia cząsteczek magnetytowych w komórkach mózgowych. Odkrycie to może mieć istotny wpływ na postęp badań dotyczących wpływu pola elektromagnetycznego na ludzkie zdrowie. Należy przypuszczać, że dalsze prace prowadzone w tym obszarze nauki przyniosą kolejne bardziej satysfakcjonujące odpowiedzi na temat funkcjonowania mechanizmów rządzących oddziaływaniem pól elektromagnetycznych na obiekty biologiczne.

Mniej jasna jest sprawa z właściwościami elektrotaksyjnymi.  Biorąc jednak pod uwagę fakt, iż komórki biologiczne posiadają własne pole elektryczne, które miejscami osiąga ogromne wartości, nie powinny dziwić zachowania organizmów biologicznych. W obszarze mikroorganizmow występują tzw.  elektryczne ryby, z jednej strony produkujące pole elektryczne a z drugiej strony znakomicie je wyczuwające. Konsekwencje takich zachowań mogą mieć bardzo utylitarny charakter, służyć choćby do sterowania ruchem ryb.

Pole elektromagnetyczne niskiej częstotliwości wytwarzane przez człowieka

Najdłuższa ekspozycja roślin i zwierząt na pole elektromagnetyczne stwarzane przez człowieka to pole o częstotliwości 50 Hz, występujące powszechnie w elektrotechnice domowej i komercyjnej oraz w elektroenergetyce. Stały wpływ na uprawy rolne, rośliny i zwierzęta maja linie przesyłowe wysokich i średnich napięć  Badania wpływu pól elektromagnetycznych niskiej częstotliwości (w Europie 50 Hz), występujących w otoczeniu linii napowietrznych najwyższych napięć, na rośliny, w tym uprawne, a także zwierzęta i owady rozpoczęły się w połowie XX wieku i stanowiły uzupełnienie szeroko zakrojonych badań nad oddziaływaniem tego rodzaju ekspozycji na zdrowie ludzi, przede wszystkim tych zamieszkujących w niewielkich odległościach od linii napowietrznych wysokiego  napięcia.

Dotychczas uzyskane wyniki badań wskazują, że pole elektromagnetyczne, a zwłaszcza jego składowa magnetyczna niskiej częstotliwości, różnie oddziałuje na organizmy roślinne i zwierzęce. Większość doniesień wskazuje, że wpływ ten jest korzystny, chociaż jak dotąd niewiele wiadomo na temat mechanizmu interakcji pole elektromagnetyczne – organizm żywy. Nieliczne prace stwierdzające niekorzystne efekty oddziaływania dotyczą stosowania w badaniach doświadczalnych pola o bardzo dużych intensywnościach, które nie występują w pobliżu napowietrznych linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia.  

Wydaje się zrozumiałe, że właścicieli sadów, które znajdują się pod przewodami linii napowietrznej wysokiego napięcia najbardziej interesują potencjalne skutki oddziaływania tego rodzaju linii na rozwój i plonowanie drzew owocowych. Przy analizie tych sytuacji należy pamiętać, że na parametry roślin (drzew owocowych) rosnących pod liniami napowietrznymi wysokiego napięcia wpływa nie tylko towarzyszące ich funkcjonowaniu pole elektromagnetyczne, ale także, a może przede wszystkim, inne czynniki środowiskowe co sprawia, że problem ten jest wyjątkowo złożony i należy go rozpatrywać kompleksowo.

W dostępnej literaturze brak informacji o wpływie pól elektromagnetycznych o częstotliwości 50 Hz na drzewa owocowe. Jednak właściciele sadów, nad którymi biegną linie napowietrzne wysokiego napięcia (m.in. okolice Łowicza i Warki) nie odnotowują zmian w drzewostanie, produktywności drzew i wielkości owoców. Podobną opinię miało 75% sadowników z regionu Wielkopolski nie oponując przeciwko budowie linii znajdującej się nad ich sadami. Pochodzące z tych sadów owoce (głównie jabłka) były równie chętnie kupowane, jak owoce pochodzące z plantacji leżących z dala od wspomnianych linii.

Wiele doniesień literaturowych wskazuje, że przemienne pole magnetyczne niskiej częstotliwości korzystnie wpływa na kiełkowanie nasion drzew owocowych. W owocach jabłek odmiany Rubin, Ligol i Golden Delicious poddanych działaniu pola magnetycznego o częstotliwości 50 Hz i natężeniu 80 A/m stwierdzono zwiększenie zawartości cukrów prostych, szczególnie glukozy. Nie stwierdzono natomiast zmian w zawartości wody i kwasowości owoców. Wzrost zawartości glukozy, a tym samym zmiana stosunku glukoza/fruktoza, poprawia właściwości odżywcze owoców z powodu odmiennego metabolizmu tych cukrów w organizmie ludzkim. Fruktoza, metabolizowana szybciej, stymuluje wątrobę do produkcji tłuszczów oraz „złego” cholesterolu (LDL). Dlatego obniżenie jej zawartości podnosi walory żywieniowe owoców.

Dla prawidłowej produktywności wielu gatunków roślin, w tym drzew owocowych, konieczne są zapylacze, czyli organizmy przenoszące pyłek pomiędzy odpowiednimi roślinami. Dla większości gatunków rosnących w Polsce są to pszczoły miodne (Apis mellifera) zapylające 90% drzew i krzewów owocowych, a w dalszej kolejności trzmiele (Bombus), murarka ogrodowa zwana pszczołą samotnicą (Osmia rufa), a także osy np. osa pospolita (Vespula vulgaris).

Olbrzymie monokulturowe plantacje (np. rzepaku) czy wielkopowierzchniowe sady mają zbyt dużą powierzchnię, aby rośliny mogły być zapylone jedynie przez owady występujące w okolicy. Pszczelarze przewożą na takie plantacje ule z odległości nawet kilkuset kilometrów. Poważnym problemem jest występujące w wielu krajach wymieranie rojów pszczelich. Jako jedną z przyczyn tego zjawiska zaczęto wskazywać pola elektromagnetyczne wytwarzane przez linie napowietrzne wysokiego napięcia.  

Doniesienia literaturowe wskazują, że pole elektryczne powoduje zaburzenie zachowań pszczół. W polu elektrycznym o natężeniu 1,4 kV/m zużywają one więcej tlenu i pokarmu, a w polu o natężeniu 4 kV/m wytwarzają mniej miodu i zwiększa się ich śmiertelność. Przy natężeniu pola elektrycznego, którego wartość przekracza 7,4 kV/m rój produkuje więcej ciepła i wykazuje zwiększone ucieczki z ula, a przy natężeniu 50 kV/m pszczoły zaczynają walczyć ze sobą żądląc się na śmierć.

Pszczoły z rodzin żyjących pod linią napowietrzną o napięciu 765 kV (natężenie pola elektrycznego pod linią – 7 kV/m) wykazywały zwiększoną aktywność lokomotoryczną, spadek przyrostu masy roju, rozdrażnienie, utratę matki, nietypowy chów matek, spadek liczby komórek z czerwiem, gorsze zimowanie i zużywanie podczas zimy o wiele większej ilości zapasów. Potwierdza to negatywny wpływ tego rodzaju pola na te owady, powodowany najprawdopodobniej tzw. szokiem elektrycznym.

Składowa magnetyczna pola elektromagnetycznego o wartościach większych niż ok. 340 A/m, a więc niespotykanych w sąsiedztwie linii napowietrznych wysokiego napięcia, może powodować zaburzenia lokalizacji pożytku przez pszczoły poprzez zmianę percepcji pola magnetycznego Ziemi i tym samym zaburzać ich zachowania, szczególnie dotyczące wyszukiwania źródeł pożytku (pyłek i nektar).

Pszczoły posiadają w odwłoku specyficzne komórki zawierające znikomych rozmiarów (średnica 30 nm) cząsteczki o właściwościach magnetycznych, prawdopodobnie magnetytu, co umożliwia im wykrywanie linii sił pola magnetycznego Ziemi i posługiwanie się nim podczas swoich oblotów, w tym także w celu odnajdywania drogi powrotnej do ula.

Gdy robotnica znajduje bogate źródło pożytku po powrocie do ula informuje o tym inne pszczoły za pomocą „tańca” w którym liczba i kierunek obrotów oraz wibrowanie odwłokiem wskazują lokalizację pokarmu. Podczas lotu, na skrzydłach pszczoły gromadzą się ładunki elektryczne. Po powrocie pszczoła tańcząc potrząsa rytmicznie skrzydłami i pozbywa się ładunków, generując jednocześnie pole elektromagnetyczne o częstotliwościach z przedziału 180–250 Hz, które jest „odbierane” i „analizowane” przez towarzyszki. Ładunki powstają także w czułkach. Gdy dwie pszczoły o różnie naładowanych czułkach zetkną się ze sobą to prąd płynący w utworzonym w ten sposób obwodzie zamkniętym powoduje powstanie pola elektromagnetycznego. Zewnętrzne pole magnetyczne (np. pole wytwarzane przez linie napowietrzne) może wpływać na ekspresję pola geomagnetycznego, co może doprowadzić do zakłócenia nawigacji pszczół. Pszczoły pod wpływem tego pola traciły orientację i nie potrafiły wrócić do ula. Stwierdzono, że roje usytuowane pod liniami napowietrznymi wysokiego napięcia mają „tendencję do uciekania”, czyli nadmiernego lub przedwczesnego rojenia. Jest to zjawisko uznawane przez pszczelarzy za bardzo niekorzystne.

Wrażliwość pszczół na pole magnetyczne szybko spada wraz ze wzrostem częstotliwości i przy częstotliwości 60 Hz pszczoły mogą wyczuwać pole magnetyczne o natężeniu przekraczającym 80 A/m, natomiast zbierające pożytek robotnice są w stanie odbierać zmiany pola magnetycznego na poziomie ok. 0,03 A/m powyżej naturalnego poziomu pola geomagnetycznego, co pozwala im orientować się w środowisku. Słabe pola elektromagnetyczne powodują wzrost agresywnych zachowań pszczół, co wskazuje na ich wpływ na układ nerwowy tych owadów, szczególnie części koordynujących ich zachowanie i fizjologię. Pole magnetyczne może modyfikować typowy dla tych owadów „taniec”. Prawdopodobnie dlatego owady te unikają miejsc o podwyższonych w stosunku do tła, wartościach natężenia pola magnetycznego. Jednak poziom natężenia pola magnetycznego, które może wywołać niekorzystne zmiany ogranicza się do bezpośredniego sąsiedztwa linii przesyłowej.

Poszczególni badacze różnią się znacznie w określaniu parametrów linii napowietrznych mogących mieć negatywny wpływ na pszczoły. Jedni twierdzą, że mogą to powodować linie o napięciu 100 kV, a inni, że dopiero linie o napięciu powyżej 300 kV. Znakomita większość danych doświadczalnych wskazuje, że pole elektryczne o natężeniu nie przekraczającym 1 kV/m jest dla pszczół całkowicie bezpieczne, gdyż nie zmienia ich zachowania. Jedna z prac poświęconych tym zagadnieniom sugeruje, że ule powinny być oddalone od osi linii napowietrznych wysokiego napięcia o:

• 14,5 m od linii 110 kV,
• 23,0 m od linii 220 kV,
• 37,0 m od linii 400 kV,
• 65,0 m od linii 750 kV,

co oznacza, że mogą być one lokalizowane nieco poza „pasem technologicznym” linii 400 kV o szerokości 70 m (2×35 m).

Pomimo przypuszczeń o wpływie pól elektromagnetycznych na wymieranie pszczół, głównym winowajcą w tym względzie okazały się pestycydy coraz szerzej i w większych dawkach używane do ochrony roślin uprawnych. Inną przyczyną tego zjawiska mogą być mikroorganizmy, zwłaszcza bakterie i grzyby, zasiedlające ule i wywołujące choroby pszczół.

Pole elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości wytwarzane przez człowieka

Pola elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości (o częstotliwościach radiowych i mikrofalowych) wywołuje głównie efekty termiczne, chociaż obserwowane są również efekty niespowodowane podwyższeniem temperatury obiektu. Ponieważ pola, zwłaszcza o częstotliwości 300 MHz–300 GHz, wpływają na cząsteczki wody, rezultat ich działania zależny jest od stopnia uwodnienia obiektu. Długotrwała ekspozycja może spowodować niekorzystne efekty w postaci odparowania, a nawet wrzenia wody w całej objętości organizmu. Energia PEM wysokiej częstotliwości jest dostatecznie wysoka, aby zmieniać słabe wiązania chemiczne i np. spowodować zmianę budowy centrów aktywnych enzymów, co może z kolei prowadzić do zmian ich specyficzności, szybkości reakcji, a w efekcie zmian całych cykli metabolicznych. Odpowiednie (krótkotrwałe) stosowanie PEM wysokiej częstotliwości zwiększa zdrowotność nasion, bulw i cebul, zabijając znajdujące się na nich bakterie i grzyby, bez obniżenia zdolności kiełkowania i wzrostu rośliny, a nawet z ich stymulacją. Przyczynia się ono także do eliminacji nasion twardych i ma korzystny wpływ na mikroorganizmy symbiotyczne korzeni drzew. Dłuższe działanie PEM wysokiej częstotliwości na rośliny powoduje efekty niekorzystne — zwiększa liczbę nasion martwych oraz wywołuje zmiany w budowie kiełków i siewek wyrosłych z nasion poddanych działaniu pola tego czynnika.

Grupa badaczy z Niemiec i Hiszpanii przebadała wpływ pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości, emitowanego przez stacje bazowe telefonii komórkowej, na żywotność drzew.

Ponieważ badania te są reprezentatywne i często cytowane w grupie badaczy zajmujących się tym problemem, warto poświęcić im krótkie omówienie. Wspomniani badacze twierdzą, że można obserwować duże uszkodzenia drzew w pobliżu masztów telefonicznych a obiektywnym faktem, który został zaobserwowany przez badaczy są drzewa z jednostronnymi uszkodzeniami w polu oddziaływania wież bazowych. Wykluczona została możliwość uszkodzenia korzeni spowodowanego pracami budowlanymi lub zanieczyszczeniami powietrza – wtedy destrukcja dotyczyłaby całego drzewa a nie jego części wystawionej do stacji bazowej. Dokonano pomiarów pola elektromagnetycznego, w którym eksponowane są drzewa – zmierzone wartości   są znacznie niższe od dopuszczalnych przez normy, nawet te, obowiązujące przed 1 stycznia 2020 roku.

Ciekawym wnioskiem z omawianych badań jest stwierdzenie asymetrii w oddziaływaniu pola elektromagnetycznego – destrukcja drzewa przejawia się na początku w tej części drzewa, którą „widzi” antena bazowa. Charakterystyka emitowanej fali elektromagnetycznej, wykazująca hiperboliczny spadek wartości gęstości mocy (natężenia składowej elektrycznej PEM) może rzeczywiście dawać różnice w obszarze drzewa skierowanym do anteny i w tej oddalonej o szerokość konarów, choć przy dużych odległościach od anteny, wynikającej z bardzo małych wartości gęstości mocy, te różnice zanikają. W omawianej pracy te różnice są znacznie większe niż oczekiwane, ale z kolei istnieje duża rozbieżność pomiędzy maksymalną i minimalną wartością po tej samej stronie drzewa. Można mieć zatem duże zastrzeżenia co do techniki pomiarowej oraz co do interpretacji wyników pomiarów, a zatem można uznać, że wnioski o „niszczycielskiej” działalności stacji bazowej na żywotność drzew są mocno przedwczesne.

Grupa badawcza z Politechniki Wrocławskiej zajęła się oddziaływaniem pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości, emitowane przez system telefonii mobilnej (GSM900), na parametry akustyczne i termiczne, rejestrowane w koloniach pszczół miodnych.  Pierwsze wyniki badań wskazują na zmianę intensywności „brzęczenia” pszczół – pszczoły wystawione na działanie PEM o charakterystyce właściwej dla GSMM900 wykazywały większość intensywność „brzęczenia”. Ponieważ badania przeprowadzone były dla jednej częstotliwości, autorzy sugerują kontynuowanie badań dla powiększonego spektrum częstotliwości. Należy dodać, że oprócz zmiany w akustyce ula pszczelego, nie stwierdzono zmian w termice roju pszczelego, co jest ważniejszym, jak się wydaje, aspektem sprawy aniżeli „brzęczenie”. 

W przygotowaniu opracowania wykorzystano publikacje:

1. Małgorzata Rochalska, Wpływ pól elektromagnetycznych na florę i faunę, Medycyna Pracy 2009;60(1):43 – 50
2. Bartłomiej Zubrzak, et al., Thermal and acoustic changes in bee colony due to exposure to microwave electromagnetic field – preliminary research, Przegląd Elektrotechniczny, 12/2018
3.  Waldmann-Selsam, C., et al. “Radiofrequency radiation injures trees around mobile phone base stations.” Science of the Total Environment, vol. 572, 2016, pp. 554-69
4. https://ehtrust.org/electromagnetic-fields-impact-tree-plant-growth
5. Marek Szuba, Oddziaływanie pola elektromagnetycznego towarzyszącego funkcjonowaniu linii napowietrznych najwyższych napięć na uptrawy sadownicze oraz bezpieczeństwo prowadzenia prac sadowniczych, elektro.info 4/2020

---