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次聲的存在及其基本生物效應和研究意義

  次聲的存在及其基本生物效應和研究意義
  當今認為:頻率為0.000 1 Hz~20 Hz的聲波即次聲。它的產生和聲波相同,都是由于物質(或物體)的機械性振動。次聲在本質上與可聽聲和超聲沒有區別,但當聲頻處于次聲頻率范圍內時,可呈現一些新的特性,例如:已知聲在空氣中傳播時頻率高,衰減大,熱傳導和粘滯吸收效應與頻率的平方成正比,故對次聲波的吸收非常小(如0.1 Hz的次聲在空氣中傳播時,比頻率為1 000 Hz的可聽聲吸收系數小1億倍!);大氣中的聲波導對次聲傳播發揮積極的作用,波導的作用與管子相當,它可使聲波沿波導層傳播,從而保障次聲波可遠距離傳播?;谏鲜鲈?故次聲在大氣中具有衰減小,傳播遠的特性。據觀察;一顆氫彈在地面爆炸時產生的次聲波可繞地球數圈;由于次聲波在空氣、水中、地面障礙物之間傳播時的吸收效應很小,作用距離遠,穿透能力強,用通常的隔聲或吸聲材料難以阻擋其作用,因此防護十分困難。
 
  次聲在自然界和各種環境中比較廣泛地存在,其聲源主要有以下四個方面:
 
  1 在自然界存在次聲的聲源
 
  當地震或火山噴發時產生次聲;在海洋中當風速大于8~10 m/s時,由于浪對浪的拍擊可產生8~13 Hz的次聲;出現颶風時,所產生的次聲功率可達數十千瓦,甚至數百千瓦,可傳播數千公里,當這種強大的次聲包圍船只時,有迅速致人死亡的危險;當天氣變壞,狂風大作時,在十幾層的高樓內可產生1~10 Hz的次聲,因而人們感到頭暈、厭倦、惡心和心神不安[1]。
 
  2 在工業生產及交通運輸等環境中存在次聲聲源
 
  次聲是生產噪聲和公共噪聲的重要組成部分,已引起不少國家的重視!由于在生產環境中采取吸聲和隔聲措施,在噪聲中可聽聲的比重下降,次聲的比重上升。在冶金生產、機器制造、建筑、交通、運輸、筑路等行業的生產環境中均有次聲的存在,大功率的聯合機械設備、渦輪機、壓縮機、振動設備、通風設備、推土機、挖掘機、各類汽車、火車、電機車、船舶、港口設備等在工作時間均可產生次聲[2,3]。
 
  3 人工次聲裝置
 
  實驗用次聲發生裝置,即次聲壓力倉系統部分包括次聲信號發生器、功率放大器、共振室(密閉倉和共振喇叭)、次聲測量裝置(傳聲器、超低頻信號數據采集系統);另一類型為機械振蕩式次聲源,主要由活塞式次聲源、聲振動阻尼裝置及隔聲的密閉倉組成。其振動面為金屬板,由電動活塞推動,與電動揚聲器相比,其振動面積和振幅均顯著增加,因此可產生高強度次聲[4]。
 
  4 人體次聲
 
  研究次聲之所以具有重要的意義,最根本的原因在于人體內存在次聲。從物理角度看,人體器官是一系列多支點,多重心的彈簧模型,其固有振動頻率在次聲頻率范圍,例如頭部為8~12 Hz、胸腔為4~6 Hz、心臟為5 Hz、腹腔為6~9 Hz、盆腔為6 Hz;據報告:在人體經絡也可測到次聲;心音頻率范圍在5~400 Hz以內,其中也含次聲成分;人在呼吸時可產生次聲;人在活動時,如走路、跑步、游泳也可產生次聲,但強度較低,作用時間較短[1,5]。
 
  次聲的物理性質及其生物學作用問題首先由法國學者加夫洛(Gavreau)于1966年提出[6]、1972年巴黎國際噪聲專業會議正式確定了次聲的定義,并就有關次聲的研究問題展開了討論。此后,次聲研究逐漸在法、前蘇聯、美、英、日等國展開、故其研究的歷史較短。
 
  在國際上有關次聲的生物效應研究主要包括關于次聲的流行病學調查及相應的臨床研究和動物實驗研究。流行病學調查發現:長期受環境中的低、中、強度次聲影響主要引起人體的應激反應及植物神經和內分泌系統功能紊亂,進而可致腦皮質功能失調,例如:對居住在高速公路附近,長期受到67~92 dB次聲作用的909名居民調查結果,主訴表現為:易怒(62.4%)、頭痛(57.6%)、頭重(52.8%)、肢體疼痛(52.4%)、疲倦(48.0%)、失眠(47.6%)、思維障礙(42.6%)等共21種癥狀[7]。加夫洛把現代化的都市疲勞(city fatigue)歸咎于次聲暴露。據衛生學調查:生產環境中存在的次聲對中樞神經系統、前庭分析器、心血管系統、呼吸系統以及工作效率等有不良影響,且次聲與可聽聲綜合作用于人體時,不良作用加重[1]。
 
  在有關次聲的實驗研究方面,國際上主要是前蘇聯、法、英、美、日等國的報道,其內容涉及次聲對紅細胞膜及酶的作用效應,例如:2 Hz、90 dB的次聲作用后,與紅細胞膜結合的乙酰膽堿脂酶活性升高,而4 Hz或8 Hz、90 dB作用后其活性降低[8];次聲對神經系統的作用效應,例如:8 Hz、大于90 dB的次聲作用后,動物定向反應潛伏期延長,拮抗肌時值比降低;以8 Hz、120 dB的次聲作用后,大鼠大腦皮層第3、4層神經元的結構變化明顯,淡染色細胞增多、血管中度擴張且周圍水腫,作用到第5 d,在上述部位有出血灶,作用到第10~14 d,出現死亡的神經元。當140 dB的次聲作用時,不論作用天數多少,均可見軟腦膜充血、蛛網膜下腔出血、皮質區點狀出血、病變神經元內神經纖維分解[9];次聲對垂體-腎上腺皮質系統的作用,例如:8 Hz、16 Hz、110~135 dB的次聲作用小鼠20 min后,血漿中ACTH含量明顯升高,血清中皮質醇含量也明顯上升;分別以波動(2~20 Hz、100~110 dB)次聲和穩態(16 Hz、110 dB)次聲作用15 min后,大鼠血漿中ACTH含量均上升,但波動次聲的作用較穩態次聲強[10];次聲對聽覺系統的作用效應,當今認為:在一般條件下人耳聽不到次聲,而當其聲壓達到一定強度時,則可聽到,此時所聽到的是次聲在中耳、內耳失真所造成的綜合諧音;在8 Hz或16 Hz、90~120 dB的次聲作用下,電鏡觀察到耳蝸毛細胞出現多形性核,停止作用后可恢復正常核形;次聲與低頻噪聲或低頻振動聯合作用,對聽力及前庭器官影響更大[11];次聲對心臟的作用效應,例如:以10 Hz、100~110 dB的次聲,每天6 h作用于兔,可引起心肌細胞線粒體內琥珀酸脫氫酶和細胞色素氧化酶活性降低,其部位主要局限在左心室和室間隔的內膜下層;以8 Hz、16 Hz、120 dB、140 dB的次聲作用后,大鼠心臟動脈管徑變小,毛細血管擴展,血液循環障礙,形成貧血區和局限性的肌原纖維溶解、氧化還原酶活性降低、線粒體腫脹、內質網擴張[12];次聲對肝臟的作用效應,例如:8 Hz、90 dB的次聲作用2 h后,出現大鼠個別肝細胞活性喪失的病灶,135 dB作用后出現肝細胞顆粒樣和脂肪樣萎縮,140 dB次聲作用后首先損傷肝細胞核,部分肝細胞死亡[13]。
 
  國內有關次聲的生物效應、衛生學調查等開展的工作不多,中國科學院聲學所建有電動揚聲器式次聲壓力倉系統,并觀察了次聲對人體的血壓、脈搏的影響[14];廈門大學采用低頻信號發生器推動單個揚聲器產生的次聲場研究了次聲對酶的影響[15];衛生部工業衛生實驗所觀察了次聲作用對血中ACTH及皮質酮含量的影響、次聲對小鼠生育能力及免疫功能的影響[16];第四軍醫大學在科學院聲學所和航天工業總公司第41所的指導和協作下建立了兩套聲源為電動揚聲器的次聲壓力倉系統,并且開始了次聲對學習能力的影響[17]、次聲引起的腦應激反應及分子機制[18]、次聲對聽覺系統[19]、視覺系統的作用效應和機制、次聲對一些主要系統器官的危害評價等方面的實驗研究,以為進一步研究次聲的防護和利用奠定基礎。
 
  次聲對機體的基本作用原理是生物共振,即次聲引起的原發性作用機制是引起器官、組織直至分子水平的共振反應。次聲的作用效應與其各種參數如頻率、聲壓級水平、作用時間(每次作用時間和作用次數)等有關。在生產環境中工作人員受到次聲作用的最大聲能相應在16 Hz,其次在8 Hz[1]。
 
  關于次聲的安全閾水平,Johnson提出:120 dB是引起次聲效應的閾水平,但只限短時間作用;美國環保局認為:低于130 dB的次聲不構成公害;前蘇聯學者認為:90 dB基本是次聲的生物效應閾水平、90~110 dB次聲長期作用是一種強烈的應激因子,可破壞機體的適應機能[1]。
 
  關于次聲的生物學作用研究存在的問題,總的看來,至今關于次聲的生物學作用研究在國際范圍尚不夠普遍,一些國家對其效應的實驗觀察尚不夠系統,其作用的分子機理不夠清楚,尚無公認的衛生安全標準。我國開展此項研究工作的單位甚少。
 
  開展次聲的生物學作用研究具有多方面的重要意義,主要是:①次聲在各類工業生產環境、交通環境、自然環境以及軍事環境中比較廣泛存在,已成為公共噪聲和生產噪聲的重要組成部分,且難于防護。因此,關于次聲的生物學作用及防護問題研究應予重視,這一研究方向涉及環境醫學、公共衛生學、勞動衛生與職業病學、軍事醫學、航空航天醫學、航海醫學等;②人體從腦到各內臟器官存在次聲頻率范圍內的固有振動,人體的這一基本物理信息在生命活動中的作用,尚不明了。體內次聲頻率的振動在體外次聲作用下肯定會發生共振反應,因此它又是人類與外界環境進行信息和能量交流的方式之一,故研究人體次聲也具有十分重要的意義,這一研究方向涉及生命科學、生物物理學、基礎醫學等;③低強度、小劑量的次聲對人體可能還有良好的作用,如俄羅斯學者提出弱次聲對人體的精神情緒有振奮作用[20];已有報道發明了次聲診斷骨質疏松、次聲按摩治療學生的漸進性近視[21];據初步分析,次聲頻段的心音變化可能反映心臟某些病變。進一步研究次聲在臨床診斷和治療中的應用具有一定的理論和實際意義??傊?在生物醫學領域,開展次聲研究的內容是豐富的,具有寶貴的科學價值、社會價值和經濟價值。
 
  參 考 文 獻
 
  1 陳景藻.次聲的產生及生物學效應.國外醫學物理醫學與康復分冊,1999,19:15-17.
 
  2 Backteman O,Kohler J,Sjoberg L.Infrasound-tutorial and review:part 2.J Low Freq Noise Vib,1983,2:176-210.
 
  3 妙中啟子.超低周波空氣振動にすゐ的研究.日本耳鼻喉科學會學報,1989,92:1399-1415.
 
  4 馬大猷.聲學手冊.北京:科學出版社,1984.20-34.
 
  5 Backteman O,Kohler J,Sjoberg L.Infrasound-tutorial and review:part 4.J Low Freq Noise Vib.1984,3:28-67.
 
  6 Gavreau V.Infrasound:generateurs detecturs proprietes physiques,effects biollgiques.Acustica,1966,17:1-4.
 
  7 Naoko N,Masanobu M,Yasukiyo Y,et al.Process and emergence on the effects of infrasounic and low frequency noise on inhabitants.J Low Freq Noise Vib,1989,8(3):87-99.
 
  8 Свидовый ВИ,Колмаков ВН,Кузнецова Г В.Изменение активности аминотрансфераз и проницаемости эритроцитарных мембран при воздействии инфразвука и низкочастотного шума Гиг.н Санит,1985,10:73-74.
 
  9 Нехорошев А С.Патологическое изменение в слуховой зоне коры головного мозга,вызванное инфразвуком Гиг.и Санит,1992,78,62-64.
 
  10 Yamsumi Y.The pituitary adrenocortical response in rats exposed to fluctuating infrasound.J Low Freq Noise Vib,1994,13(3):89-90.
 
  11 Нехорошев АС.Механизм эффекта придлействии инфразвука Косм-Биол-Авиакосм Мед,1990,24(6):39-41.
 
  12 Нехорошев АС,Глинчиков ВВ.Морфофункциональные изменения в миокарде при действии инфразвука.Гиг.и Санит,1991,12:56.
 
  13 Нехорошев АС,Глинчиков В В.Реакция гепатоцитов на воздействие инфразвука.Гиг.и Санит,1991,2:45-47.
 
  14 田時秀,李金錫,胡冰.次聲對人血壓和脈搏的影響.聲學學報,1996,21:254-258.
 
  15 沈持衡,歐陽培.次聲信號對堿性磷酸酶活力的影響.生物化學與生物物理進展,1987,5:38-43.
 
  16 趙乃坤,杜維霞,劉秀敏,等.次聲對動物生物效應的研究.中華勞動衛生與職業病雜志,1993,11:338-340.
 
  17 王斌,陳景藻,易南.不同聲強8 Hz次聲對小鼠學習能力的影響.第四軍醫大學學報,1997,18:442-445.
 
  18 袁華,陳景藻,李玲.次聲作用后大鼠皮質和海馬HSP70表達的實驗研究.解放軍醫學雜志,1998,23:472-473.
 
  19 邢曉輝,賈克勇,陳景藻.次聲刺激誘導中樞Fos表達.中國公共衛生學報,1998,17:259-260.
 
  20 Арабаджи ВИ.Инфразвук и биоритмы мозга человека биофизика,1992.153-154.
 
  21 Sidorenko EI.Experience of clinical use infrasound pneumomassage in the treatment of progressive myopia in schoolchildren.Vestn Oftalmol,1997,113(3):18-20.

 

 

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