Физические поля: влияние на здоровье человека

Благодаря открытиям квантовой физики принято считать, что окружающее нас пространство не пустое. Помимо обычных элементарных частиц — вроде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоят строительные блоки всей материи — Вселенная наполнена «полями взаимодействий», которые ничем не ощущаются, но могут передавать энергию или действовать с определенной силой на окружающие объекты. Одно из таких полей — гравитационное, притягивающее нас к планете. Второй вид поля — электромагнитное — итог взаимодействия электрического и магнитного полей, которые возникают вокруг заряженных тел.

Электрический заряд создает электрическое поле, которое представляет собой область пространства вокруг заряженной частицы. Заряд может быть как положительным, так и отрицательным — это свойство вещества, которое вызывает притяжение или отталкивание двух объектов. Если они заряжены противоположно, они будут притягиваться, если они заряжены одинаково — отталкиваться. В атомном масштабе электрическое поле отвечает за силу притяжения между ядром и электронами, оно же удерживает атомы и молекулы вместе. Когда заряд неподвижен, то вокруг него всегда есть электрическое поле, а при движении образуется еще и магнитное.

Земля похожа на гигантский магнит. Вращающийся шар жидкого железа в ядре планеты генерирует огромное магнитное поле, которое перемещает стрелку компаса, направляет перелетных птиц, летучих мышей и других животных. Магнитное поле возникает всякий раз, когда заряженная частица, например, электрон, движется в пространстве или внутри электростатического проводника. Возможно, мы не сможем увидеть, услышать или почувствовать поля, которые нас окружают, но мы часто сталкиваемся с ними в повседневной жизни. Поскольку электрические токи, проходящие через технику и провода, состоят из движущихся электронов, все они создают магнитные поля. Благодаря этим источникам человек ежедневно подвергается их воздействию, достигающему 0,1 мкТл. Для сравнения, магнитное поле Земли на поверхности примерно в 500 раз сильнее.

Известная история о том, как сэр Исаак Ньютон выдвинул идею закона гравитации, когда яблоко упало ему на голову, не соответствует действительности, хотя он действительно начал задумываться о проблеме тяготения на ферме своей матери, когда увидел, как яблоко упало с дерева. Он задавался вопросом, действовала ли такая же сила на яблоко и на Луну. Если так, почему яблоко упало на Землю, а не на Луну? В конце концов Ньютон пришел к выводу, что на самом деле и на яблоко, и на Луну влияла одна и та же сила. Он назвал ее «гравитация» в честь латинского слова «gravitas», которое буквально переводится как «тяжесть» или «вес» и означает силу притяжения между двумя объектами.

Яблоко падает, потому что оно притягивается Землей. Тем не менее, наша планета также притягивается яблоком, хотя эта форма гравитации настолько слаба, что ее невозможно обнаружить. Это означает, что объекты с большой массой (звезды, планеты) обладают большей гравитацией, чем объекты с малой массой (люди, яблоки). Вся материя, независимо от того, является ли она живой, предметом на поверхности планеты или небесным телом, подвержена гравитационному притяжению. Даже далекие звезды притягивают Землю. И хотя они столь же массивны, как и Солнце, гравитационная сила, которую они генерируют, оказывает на нас более слабое влияние. Так происходит потому, что гравитация зависит не только от массы объекта, но и от расстояния. Чем оно больше между двумя телами, тем слабее будет их взаимное притяжение. Но, тем не менее, оно никогда не будет нулевым. Во Вселенной нет такого места, где можно было бы спрятаться от силы притяжения. Поэтому невесомость — это иллюзия.

Ученые неизбежно стали задаваться вопросом, могут ли электрические и магнитные поля оказывать влияние на тело и мозг. На протяжении более 40 лет изучалось возможное влияние физических полей на здоровье человека. Сотни исследований были проведены на живых клетках, различных видах животных, а также на людях.

Было обнаружено, что некоторые живые организмы способны воспринимать магнитные поля. Это явление — ощущение магнитного поля — получило название магниторецепции. Птицам и бабочкам она, как компас, помогает пересекать континенты. К 2015 году магниторецепцию обнаружили у бактерий, некоторых видов летучих мышей, оленей, лис, замбийского землекопа и нематод C.elegans. Ученые установили, что человеческий глаз содержит криптохромный белок, который может обеспечивать некоторую степень магнитного восприятия. Эксперименты, проведенные в 2011 году американским нейробиологом Стивеном М. Реппертом с коллегами, показали, что этот человеческий белок способен работать в качестве магнитосенсора. В 2019 году в работе, опубликованной в журнале eNeuro, сообщается, что мозг человека содержит магнитные частицы, которые могут реагировать на изменение магнитного поля.

Существует относительно новая процедура, известная как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), которая используется для лечения умеренной депрессии, когда медикаментозное лечение и психотерапия неэффективны. Во время ТМС врачи прикладывают электромагнит к голове. В таком случае, в отличие от постоянных магнитов, эффективность которых пока не была доказана, поле генерируется только тогда, когда через магнит протекает электрический ток.

В журнале Nature communications в 2019 году были опубликованы результаты о том, что транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) может изменять нейронную активность у людей. Ранее в 2006 году ученые представили выводы о том, что ТМС низкими частотами снижают возбудимость коры головного мозга, а высокими частотами увеличивают. Доктор медицины Кристиан Герлоф с коллегами из Тюбингенского университета в Германии показали эффективность воздействия магнитных полей на мозг человека после инсульта. ТМС усиливает работу латеральной премоторной коры пораженного полушария, первичной сенсомоторной и теменной коры здорового полушария и мозжечка.

Помимо этого, многие исследования сообщают о том, что ТМС: изменяет работу памяти, модулирует липидный метаболизм, снижая уровни триглицерида и холестерина в крови, улучшает навыки рисования, чтения и счета, регулирует удовольствие от прослушивания музыки, может активировать или подавлять систему вознаграждения в коре головного мозга, ослабляет способность испытуемых различать правильные и неправильные суждения о стимулах и регулирует либидо.

В 2015 году учеными из института теоретической физики и перспективных биофизических исследований в США на основе проведенных ранее исследований была выдвинута гипотеза о воздействии физиологических магнитных полей PicoTesla на организм. Авторы предполагают, что воздействие полей такого диапазона на геном может остановить или замедлить биологические часы.

По сравнению с транскраниальной магнитной стимуляцией, электрическая стимуляция изучается и применяется в медицине на протяжении десятков лет. И если первая вызывает токи в мозгу с помощью изменений магнитного поля, то вторая доставляет в ткани мозга постоянный электрический ток, который создает электрическое поле и меняет функцию коры полушарий.

Опубликовано множество научных исследований о том, что транскраниальная электростимуляция (ТЭС) модулирует и снимает боль в определенном, узком диапазоне параметров тока и при строгой ориентации электродов, устраняет депрессию и хроническую усталость, стимулирует работу иммунной системы, ускоряет заживления ран и ожогов, может стимулировать регенерацию кожи и соединительной ткани, эффективна при лечении последствий инсульта, способствует восстановлению поврежденных нервных волокон, ускоряет также регенерацию печеночной ткани и восстановление ее функции, может улучшать многие когнитивные функции здоровых людей: концентрацию внимания, математические способности, память, скорость реакции.

При помощи электростимуляции головного мозга можно сокращать время сна, улучшить выносливость, силу мышц и координацию движений. Ученые предлагают ТЭС в качестве альтернативного подхода при лечении наркомании и алкоголизма. Считается, что она способна активизировать собственную опиатную систему, чтобы внешние стимуляторы стали не нужны.

С развитием космических технологий появились научные работы, изучающие действие гравитационного поля на живые организмы. Как выяснили ученые, можно потерять до 20% костной и мышечной массы, проведя более шести месяцев в условиях микрогравитации. Есть и другие проблемы, например, со сном, дефицитом иммунной системы и т. д. Одними из самых серьезных последствий могут быть нарушения в сердечно-сосудистой системе. В космосе вены и артерии становятся толще и менее эластичными, что может увеличить риск развития сердечных заболеваний.

Удивительно, но эта среда, по своей природе опасная для сердечно-сосудистой системы, может помочь в ее лечении. Исследователи из Университета Лома Линда в Калифорнии опубликовали статью в журнале Stem Cells and Development, в которой показали, что микрогравитационная среда помогает ускорить производство прогениторных клеток сердца — зародышевых стволовых клеток. «Они немного возвращаются назад в развитии, что позволяет им быстрее двигаться вперед», — объясняет иммунолог Мэри Кернс-Йонкер. Она обнаружила, что микрогравитация может активировать определенные генетические пути, которые включаются когда поврежденные ткани начинают регенерацию. На Земле в условиях нормального тяготения такие клетки очень медленно растут, что затрудняет проведение терапии стволовыми клетками.