高频电磁波对基本生命单元的影响及探讨

高频电磁波对基本生命单元的影响及探讨 科 别:物 理 科组 别:国 中 组作品名称:高频电磁波对基本生命单元的影响及探讨关 键 词: 电磁辐射 、 单元细胞生命体 、 屏蔽效应编 号:030111学校名称:台南市立复兴国民中学作者姓名:傅冠豪指导老师:吴家增摘 要 本研究探讨高频电磁场作用对单元细胞生命体作用的影响与电磁屏蔽环境的保护效能。实验研究使用酵母菌和雄鸡精子，施加 20KHz 至1MHz 电磁场，并系统化在不同选定频率下，以不同时间施加电磁作用，观察电磁辐射对动物精子和菌类生命活动各有何影响。本实验比较乾酵母菌粉与潮湿活化酵母菌受电磁作用状态，以了解休眠状态中的生物体对电磁波有没有保护作用。进一步使用铁磁性金属与非铁磁性非金属物质，作成完全密闭及部分遮蔽容器，探讨电磁屏蔽环境的保护效能。 归纳实验观察结果得到:一受电磁场作用的潮湿活化酵母菌比没有受电磁场作用的酵母菌，对葡萄糖溶液的发酵能力明显减弱。二电磁场作用在乾酵母菌粉，对葡萄糖溶液的发酵能力有点变弱，但是并没有明显衰竭。三施加电磁场的鸡精子生命活动力明显地比没有施加电磁场者还要弱。四施加较高频率电磁场的鸡精子生命活动力比施加较低频率电磁场者易提早衰竭。於电磁屏蔽环境实验结果归纳得到:一使用铁磁性金属完全密闭容器，能有部分电磁防护效能。二 铁磁性金属之部分遮蔽容器，会有些许电磁保护功能，但是并未十分有效。三非铁磁非金属之纸黏土物质作成完全密闭及部分遮蔽容器，则几乎不具有电磁保护作用。 上述结果近一步结论:一电磁波辐射对动物精子和菌类的生命活动力都有负面影响。二休眠状态中的菌类生物对电磁辐射具有明显的保护作用。三较高频率的电磁场会对动物精子活动力造成较高的衰竭影响。四使用铁磁性金属作成完全密闭容器，才能有良好电磁作用防护效能，而作成部分遮蔽容器，则未具有完全保护作用。另外，本实验还发现，电磁场作用对动物细胞造成生理机能的破坏，是随著电磁场作用的时间渐渐累积而衰微，并不是突变式的破坏。这告诉我们在使用方便的无线通讯和高速电子运算的时候，除需避免长时间曝受高频电磁场作用外，应该留意如何有效屏蔽或减少电磁场的作用。 1一、研究动机 人和各类生物不能避免活在电磁场作用的环境里～尤其因为现在是无线通讯的时代，大哥大被许多人普遍的使用，为了使无线通讯更有效率、方便，到处都密集建设各式各样的基地台。而且在电脑资讯处理也讲究速度快，目前也已经达到每秒十亿讯息量的频率，因此高速电讯在运作处理时会产生的高频率电磁辐射。另外，像微波炉等许多的生活电器用品，也会发出高频率的电磁波。这些高频率的电磁场，就像空气和地球静磁场一般的在我们周遭存在，所以不容易被知觉。 那麼电磁波对生物有没有产生任何影响呢,阅读生物进化的相关研究报导就可以知道，生命体的演化，其中有一部份是和电磁波和粒子辐射的影响有关。许多与电磁波辐射相关的研究，都报导电磁波会使生物发生病变、基因突变;电磁波不只影响细菌等微生物，甚至到哺乳类的大型动物，都有可能受到电磁波影响到他们的生理或生命活动。但是也有少部份的报导，大哥大的电磁波并没有发现会对人产生负面的影响～请教相关的专家来得知，最近有份研究，整理了许多已发表的报导，综合结论就是:还没有确定电磁波会不会对人体和生物产生负面的作用～ 电磁波到底对生物有没有负面影响呢,到底电磁波对生物体有没有关联，是什麼关联呢,另外，在生物科也学习到，菌类在恶劣的环境中会行成孢子囊，变成休眠状态保持生存延续。那麼，电磁波对休眠状态中的生物体有没有作用呢,电磁波对动物生存延续又有什麼影响呢,因为好奇心使我想要获得答案，想尝试用比较容易控制的微生物，例如:酵母 菌…等，来著手进行研究;至於动物部份，又想到许多动物的精子细胞，在离开生物体后的生命很短，可能会对电磁波很敏感，所以可以考虑作为实验研究的样品。 另一方面，由过去阅读的科学小百科等书籍得知，完全密闭的金属容器，可以屏蔽电磁场，即在密闭的金属容器内的物体以避免电磁波作用; 2法拉第曾有著名的实验，人坐於金属导体壳层内，施以高电压而人丝毫未受损伤，因此用以屏蔽电磁场的密闭金属容器，也被称为法拉第容器。查阅相关电磁波防护，知道目前多数市售所谓大哥大电磁波保护器件，大都是使用具有铁磁性质的材料，将电磁波的辐射由铁磁材料局限著，但是对於其实际电磁屏蔽的功能，多数未被严谨验证。我好奇的想了解怎样的结构才能有效的防护电磁波作用，是否一定需要密闭金属容器才能完全屏蔽电磁波作用，或是部分遮蔽和其他非金属物质也可以有相同效能。而本研究中，单元细胞生命体受高频电磁场作用的现象，正可检验材料与结构性质对电磁波屏蔽作用的效果。 电磁辐射对细胞作用的卡通示意图 在电磁辐射对细胞作用的卡通示意图中，拟呈现电磁辐射对细胞的影响情形，以此做为我研究的方向，应是可行的。 「心动不如马上行动」，我要藉由这次科展的机会，亲自实验探讨高频电磁波对基本生命单元的作用影响和探讨几种电磁屏蔽环境的保护效能～ 3 二、研究目的 在无线通讯与高速电子资讯的时代，人和各类生物体不能避免活在高频电磁场作用的环境里。虽然有许多电磁波辐射相关研究报导，电磁波会对生物产生负面影响，但是仍然也有少部份报导不会明确对生物产生负面作用，因此我想亲自动手实验来观察了解，电磁波对生物体生命作用的影响。而电磁波防护是近来越被重视，怎样的材料和结构会有怎样地效屏绝电磁波辐射作用，也是我想配合本实验研究探讨的目的。 本研究因此针对电磁波对於单元细胞生命体作用影响从事实验观察。采用单元细胞体，如原生细胞类生物和动物的精子细胞，是因其为生物体繁殖和生存延续的基本单元，又可能对电磁波作用较敏感，适合作为电磁波作用影响研究的题材;而且菌类具有休眠状态，又可以选采适当种类样品，观察电磁辐射对它休眠状态的生命力是否有影响。为了方便进行实验观察安排，我尝试使用比较容易获得和控制的微生物，例如:酵母菌和动物精子等，来著手进行研究。实验上将对乾燥的酵母菌、经活化的酵母菌和动物精子，各施加不同频率电磁波，并且系统化施以不同电磁作用时间，以达成一观察比较电磁波辐射对动物精子和菌类单元生命体生命活动各有什麼影响。二了解休眠状态中的菌类生物对电磁辐射是不是仍然能具有保护作用。三不同频率电磁场对动物精子生命活动的影响。 为了解屏蔽电磁辐射的作用，因此进一步使用铁磁性金属与非铁磁性非金属物质，作成完全密闭及部分遮蔽容器，探讨电磁屏蔽环境的保护效能。以明白是否一定需要密闭金属容器才能完全屏蔽电磁波作用，或是部分遮蔽和其他非金属物质也可以有相同效能。而本研究中，单元细胞生命体受高频电磁场作用的现象，正可检验几种材料与结构性质对电磁波屏蔽作用的效果。而本部分实验又可模拟种子藏置於高金属成分岩矿中，能否有效保护成长因子以免受到电磁作用而变异，另一方面并可探讨对人类在大量使用高频器件时，应如何如何有效屏蔽或减少电磁场的作用。 4三、实验样品和器材一实验样品 为了探讨电磁波对於单元细胞生命体作用影响;了解休眠状械纳命体对电磁波辐射是不是仍然能具有保护作用、比较电磁波辐射对动物和非动物单元生命体生命活动的影响、比较不同电磁波辐射频率对生命活动的作用…等实验目的，本实验使用比较容易获得和对电磁波辐射反应比较敏感的生物样品，就是发酵面粉使用的酵母菌 和健康公鸡的精液来著手进行研究。发酵面粉使用的酵母，又分成乾燥的酵母粉和经活化过的酵母团，这次实验两者皆采用以作观察比较。 所以实验样品使用三类，就是:1. 乾燥的酵母粉实验样品: 这次实验在一般超级市场购买到酵母菌粉，是一种冷冻乾燥发酵菌粉，有白色粉粒状 如下图 ，是高活化性发酵乳酸菌粉，含双叉发酵杆菌，又可以作成自制发酵乳饮料。 乾燥发酵菌粉具白色粉粒状 52. 活化湿酵母团实验样品: 活化酵母菌样品来源有两类:第一类是将乾酵母菌粉加入面粉和温水搅拌均匀活化，有淡黄色类似面粉团状 如左下图。第二类是从制作面包商店购买的潮湿酵母菌团。这是一种潮湿的酵母菌团、高活化性发酵乳酸菌，是面包及糕饼店专门使用的、用来高效率发酵面粉使用。面包店在制作面包时，将这个活化湿酵母团加适量温水稀释后，混入高筋面粉，再用机器均匀混合。这次研究中的第二类潮湿酵母菌团，效能会比第一类的潮湿酵母菌团好，能提供实椴慰际褂谩?. 公鸡精子实验样品: 则由台南县新化镇台南畜产试验所提供。公鸡精子离开本体后的生命存活时间只有 12 小时，蓄产试验所一般在早晨采集，样品取得之后，必须马上进行实验观察，不能放置很久。在显微镜底下可以看到每一单位的精虫，都有椭圆形的主体，而并带有卷长的尾巴，刚采集新鲜的公鸡精子，生命活动力很强，卷长的尾巴弯曲摆动得十分活跃，但是隔了大约半天后，公鸡精子的生命活动力变弱，卷长的尾巴仍然会弯曲摆动，但是比较缓慢而且不活跃。 活化湿酵母团 公 鸡 精 子 为了比较高频电磁场对实验样品生命活动现象的影响，上面各实验样品都分成:1受高频电磁场作用组、2没有受高频电磁场作用组。 6二实验器材 为了对实验样品施以高频电磁场作用，所以需要使用能改变电磁波辐射频率和作用时间…等实验目的的高频电磁仪器。要观察酵母菌实验样品生命活动现象，如对醣类发酵作用，就是将醣类分解为酒精与二氧化碳的过程，所以需要使用到化学实验观察量测反应生成物的器材，如烧杯、锥形瓶、石灰水等。另一方面，这次实验也观察鸡精子，受高频电磁场作用时的生命活动现象，所以需要用显微镜从事观察，并且制作细胞试片来进一步观察。 将本实验所使用到器材整理如下:1. 蒸馏 水………………………………………………………700 克2. 面 粉…………………………………………………………1 台斤3. 酵母菌粉……………………………………………………100 克4. 活化酵母菌团………………………………………………600 克5. 葡萄 糖………………………………………………………100 克6. 石 灰…………………………………………………………50 克7. 烧 杯…………………………………………………………2 杯8. 保丽 龙………………………………………………………40 立方公分9. 橡皮管………………………………………………………4 条10.锥形 瓶………………………………………………………4 瓶11.玻璃 棒………………………………………………………4 枝12.酒精温度计…………………………………………………4 枝13.光学显微 镜…………………………………………………1 组14.阻抗量测 仪…………………………………………………1 组 注:阻抗量测仪:本实验中作为施加高频电磁场的仪器，向高雄师范大学固 态物理实验室傅昭铭教授借来使用，由此实验室研究生教导与协助操作使用。 7 水、烧杯 面粉 酵母粉 葡萄糖 石灰 橡 皮管 保丽龙、温度计 乾酵母 A 组 乾酵母 B 组 活化酵母 C 组 活化酵母 D 组 各组发酵装置各组显微镜观查试片 显微镜 阻抗量测仪 8 为了解屏蔽电磁辐射的作用，因此进一步使用铁磁性金属与非铁磁性非金属物质纸黏土，制作成完全密闭及部分遮蔽容器，以探讨电磁屏蔽环境的保护效能。为能定量分析讨论此部分研究，电子微量天平配合电脑介面读取酵母与葡萄糖水作用之重量变化。 将本部分实验所使用到器材整理如下:1. 电子微量天 平…………………………………………………1 座2. 电脑介面读取软体……………………………………………1 组3. 铁盒和铁 罐……………………………………………………数个4. 纸黏土 团………………………………………………………数块 电子微量天平 电脑介面读取软体 酵母团 密闭铁盒开启 密闭铁盒 纸黏土制成容器 含碎铁片纸黏土容器 铁罐 碎铁片 注:电子微量天平和电脑介面读取软体，向高雄县路竹高中借得使用。 9四、实验步骤及结果讨论一研究步骤与方法 这次实验目的是探讨高频电磁场对於单元细胞生命现象作用的影响。在实验时使用酵母菌和鸡的精液著手进行电磁场作用和观察生命活动现象，来比较电磁波辐射对菌类微生物和动物单元细胞生命活动的影响。为了更进一步使用乾燥的酵母粉和经活化过的酵母团两类，来比较休眠状态的乾燥酵母对电磁波辐射是不是比活化酵母更有保护作用。本实验将使用阻抗量测仪对样品施加高频电磁场，实验进行的步骤，可以归类成以下几点:1. 首先从事改变电磁波的频率实验: 也就是系统化由小变大改变施加样品电磁波的频率。阻抗量测仪本身除了能对样品施加高频电磁场以外，还可以同时量测样品吸收多少电磁场能量。从这个实验结果可以提供选择适合的频率，使不同样品吸收电磁场能量能够相近;避免电磁场能量被样品吸收不同而影响到实验的正确性。然后，从事电磁波辐射对乾燥酵母菌、活化酵母菌、鸡精子的生命活动影响实验。2. 电磁场对乾燥酵母菌作用实验: 将乾酵母菌实验样品都分成两个部份:1是受高频电磁场作用组、2没有受高频电磁场作用组。以被样品吸收电磁场能量最大的频率对1组施以电磁场能量，然后，1组和2组样品，加入葡萄糖溶液活化，搅拌均匀并且制成活化样品，1组和2组样品的观察生命活动现象。 103. 电磁场对活化酵母菌作用实验: 活化酵母菌样品是将乾酵母菌粉加面粉及温水搅拌均匀活化。这个部份实验样品也分成两部份:1受高频电磁场作用组、2没有受高频电磁场作用组。以被样品吸收电磁场能量最大的频率对1组施以电磁场能量，然后，1组和2组样品，加葡萄糖溶液活化，搅拌均匀并且制成活化样品，观察1组和2组样品生命活动现象。另外，从制作面包商店购买的潮湿酵母菌团也做同样的实验，供作参考。4. 电磁场对鸡精子作用实验: 首先以一般显微镜观察生物样品的玻璃片，加上自制的两导电极片，并且以环氧树酯胶涂玻璃片上，形成封闭环状，鸡精子样品用吸管滴入玻璃片封闭环状区，并且涵盖到自制两导电极片。以高频率电磁场对鸡精子作用，直接在显微镜下观察，观察不同时间电磁场作用对於鸡精生命活动的影响。 鸡精子实验样品，用吸管滴入玻璃并且涵盖两导电极片 11 所以将实验以底下结构表示才方便明白。1. 改变电磁场频率实验 电磁场辐射作用於乾燥酵母菌、活化酵母菌 gt选择被各个样品吸收电磁场能量的最大频率，再使用在实验上。2. 电磁场对乾燥酵母菌作用实验 乾酵母菌粉分成: 1受电磁场作用组:葡萄糖溶液活化，观察生命活动的现象。 2没有受电磁场作用组:葡萄糖溶液活化，观察生命活动现象。3. 电磁场对活化酵母菌作用实 验 活化酵母菌乾酵母菌粉加面粉及温水搅拌均匀活化。 1受电磁场作用组:葡萄糖溶液活化，观察生命活动现象。 2没有受电磁场作用组:葡萄糖溶液活化，观察生命活动现象。4. 电磁场对鸡精子作用实验 1高频率电磁场对鸡精子作用。 2直接在显微镜下观察不同时间电磁作用下鸡精的生命活动现象。 定量分析 以上第 2 与第 3 项之实验 也同时使用电子微量天平配合电脑介面读取 ， 酵母与葡萄糖水作用之重量变化以作定量分析 并与屏蔽材料与结构对 ， 电磁辐射的屏蔽作用之实验结果比较。 125. 屏蔽材料与结构对电磁辐射的屏蔽作用: 为了解几种屏蔽材料与结构对电磁辐射的屏蔽作用，因此准备1完全密闭铁盒、2制作的完全密闭纸黏土罐、3制作的两端开启的纸黏土罐、4将铁罐减成碎铁片，混以纸黏土制成完全密闭罐、5将铁罐剪成碎铁片，混以纸黏土制成两端开启的罐子、6将铁罐戳剪成成孔洞，但仍保持罐子结构、7将两端开启孔洞铁罐。 再将活化酵母团悬置其中。个别进行电磁场对活化酵母菌作用实验，再为能定量分析此部分研究结果，使用电子微量天平配合电脑介面读取酵母与葡萄糖水作用之重量变化。 实验步骤与内容如下:1. 几种屏蔽材料与结构准备 1完全密闭铁盒 铁磁性材料和密闭结构 2完全密闭纸黏土罐子 非铁磁性材料和密闭结构 3两端开启的纸黏土罐子 非铁磁性材料和不完全遮蔽结构 4含铁碎片混纸黏土完全密闭罐子 混合铁磁性材料和完全遮蔽结构 5含铁碎片混纸黏土两端开启罐子 混铁磁性材料和不完全遮蔽结构 6将铁罐戳剪成成孔洞罐子 铁磁性材料和不完全遮蔽结构 7将两端开启孔洞铁罐 铁磁性材料和不完全遮蔽结构2. 电磁场对活化酵母菌作用实验 活化酵母菌乾酵母菌粉加面粉及温水搅拌均匀活化，再悬置容器中。 1受电磁场作用组:葡萄糖溶液活化，观察生命活动现象。 2没有受电磁场作用组:葡萄糖溶液活化，观察生命活动现象。为能定量分析讨论此部分研究，电子微量天平配合电脑介面读取酵母与葡萄糖水作用之重量变化。 13二实验结果与讨论1. 改变电磁波的频率实验结果: 系统化的由小变大改变施加样品电磁波的频率。阻抗量测仪本身除了能对样品施加高频电磁场以外，还可以同时量测样品吸收多少电磁场能量。为了从事电磁场对乾燥酵母菌粉作用实验，必须先将乾燥酵母菌粉装入小径口的玻璃管内，用做好一端有电极、并且中间穿孔的橡皮塞，将酵母菌粉末的样本紧压在玻璃管中。橡皮塞有电极的一端压住样品，并且由电极从橡皮塞的中孔，接线到阻抗量测仪。下图为，由较低频率100Hz系统化增加到较高频率100kHz，阻抗量测仪测量得到的电磁场能量被样品吸收的程度。 100 电磁场能量在样品中吸收程度 90 电磁场能量被装管乾酵母 轴单位以最大吸收为100参考值 80 粉吸收程度 70 60 50 40 30 20 10 0 0.1 1 10 100 1000 电磁场频率kHz 电磁场能量被装管乾燥酵母粉吸收程度和频率的关系图 14 从.