Biologische Wirkungen magnetostatischer Felder

Schwache magnetostatische Felder wie das Erdmagnetfeld stellt für mehrere Tierarten eine Orientierungshilfe dar. Dies gilt besonders für Zugvögel. Die Wahrnehmung der schwachen Erdmagnetfelder durch manche Tiere wirft die Frage auf, ob auch für den Menschen mit einer biologischen Beeinflussung zu rechnen ist.

Trennung von Ladungsträgern im Inneren des Körpers

 Bewegt sich allgemein ein Ladungsträger mit der Ladung Q mit der Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld, so wirkt auf ihn die Lorentzkraft F, die nach dem Induktionsgesetz eine Ladungstrennung bewirkt.
  F in [N]; Q in [C=As]; v in [m/s]; B in [T=Vs/m2]
Die Kraft ist maximal, wenn Induktion und Bewegungsrichtung senkrecht aufeinander stehen.
Dann gilt:

Die Kraft auf die bewegte elektrische Ladung kann auch durch die Wirkung einer durch das Magnetfeld induzierten elektrischen Feldstärke Ei erklärt werden.
Durch gleichsetzen

erhält man:

In unserem leitfähigen Körper wird dadurch in bewegten Teilen ein (Wirbel-) Strom verursacht, dessen Stromdichte Si nach dem allgemeinen ohmschen Gesetz berechnet werden kann.
  ..spezifischer ohmscher Widerstand
Da die Richtung der Ablenkkraft vom Vorzeichen der Ladung abhängt, kommt es bei gleichgerichteter Bewegung ungleichnamiger Ladungsträger zu einer Ladungstrennung und zum Auftreten einer elektrischen Spannung, die umso größer ist, je größer die Breite der Teilchenströmung ist.

Bewegen sich also, wie zum Beispiel in Blutgefäßen, positiv und negativ geladene Teilchen in gleicher Richtung, so wirken die Magnetfeldkräfte entgegengesetzt und führen zu einer Ladungstrennung und damit nach dem Induktionsgesetz zum Auftreten einer elektrischen Spannung quer zur Bewegungsrichtung. Diese Spannung steigt mit steigender Bewegungsgeschwindigkeit an. Das bedeutet, dass biologische Auswirkungen überall dort denkbar sind, wo im Körper schnelle Bewegungsabläufe auftreten oder sich der Körper z.B. im fahrenden Auto im Magnetfeld bewegt. Die größten Bewegungsgeschwindigkeiten im menschlichen Körper treten im Herzen auf. Bei der Kontraktion des Herzmuskels wird das Blut mit großer Geschwindigkeit in die Aorta gepumpt und erreicht dabei Spitzengeschwindigkeiten von über 1 m/s. Bei gesteigerter Herztätigkeit z.B. durch Sport oder körperliche Arbeit erreicht die Blutgeschwindigkeit das 5fache des Wertes, was bedeutet, dass quer zur ca. 2,5 cm messenden Aorta ein Spitzenwert der Spannung von 125 mV pro Tesla erreicht werden kann. Dadurch können außerhalb der Aorta im Takt der Herzfrequenz Stromdichten – Spitzenwerte von ca. 10 µA/cm2 pro Tesla verursacht werden, die mit steigender Entfernung jedoch rasch abnehmen. Durch die Bewegung des Herzmuskels von ca. 5 cm/s entstehen auch dort elektrische Stromdichten, die im Bereich von 1 bis 2 µA/cm2 liegen. Die Möglichkeit einer Gefährdung ist jedoch in diesem Fall gering, da die Stromdichten in jenem Zeitabschnitt auftreten, in dem die Herzmuskelzellen bereits erregt sind bzw. noch nicht oder nur schwer erregbar sind. Risiken können bei Patienten mit bestehenden Erregungsausbreitungsstörungen bei Induktionen über 300 mT jedoch nicht mehr ausgeschlossen werden. Die durch das Magnetfeld verursacht elektrischen Vorgänge zeigen sich bei der Ableitung des EKG durch eine Veränderung der Kurvenform in der Auswurfphase des Ventrikels, also dem Zeitabschnitt großer Bewegungsgeschwindigkeiten, bei Induktionen über 300 mT.

Abb.1 Veränderung der Kurvenform des Elektrokardiogramms durch magnetisch verursachte Vorgänge
(P,Q,R,S,T = genormte Kennzeichnung der EKG-Zeitabschnitte)

In Tierversuchen konnten bei Feldstärken von 300 mT keine Veränderung der Herzfrequenz oder Arhythmien festgestellt werden, bei Beendigung der Feldexposition stellte sich sofort der Ausgangszustand wieder ein. Versuche an Menschen zeigten eine Veränderung des EKG bei einer Induktion von 350 mT, die jedoch erst bei 2 T außerhalb des Normalbereiches lagen. Bei Bewegung einer Person im Magnetfeld, kommt es zu Ladungstrennungen, die z.B. zwischen Scheitel und Sohle eine elektrische Spannung hervorrufen. Bei Abschätzungen zeigte sich jedoch, dass diese selbst unter ungünstigsten Vorraussetzungen vernachlässigbar ist. Bewegt sich ein Mensch mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h so entstehen dadurch ca. 50 V pro Tesla. Das bedeutet, dass bei der Bewegung im Erdmagnetfeld eine Spannung von ca. 2,5 mV entsteht, welche wiederum im Körperinneren eine Stromdichte von 0,025 µA/cm2 verursacht. Dieser Stromdichtewert liegt weit unterhalb jenem Bereich, in dem relevante biologische Wirkungen beginnen.

Ist eine Beeinflussung von Nervenleitungen möglich ?

 Die Fortleitungsgeschwindigkeit von Nervenimpulsen liegt bei maximal 120 m/s und ist vom Aufbau und Durchmesser der Nervenfasern abhängig. Bei der Erregungsausbreitung in der Herzkammer treten im Erregungsleitsystem Geschwindigkeiten von 2 m/s im Herzmuskel 1 m/s auf. Allerdings ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Ladungsträger wesentlich geringer und hängt von der Beweglichkeit der Ionen ab.
Werden nun bewegte Ladungsträger durch das Magnetfeld abgelenkt, dann würde die Übertragungsgeschwindigkeit geändert, was wiederum eine Beeinflussung der Reizleitung bedeuten könnte.
Unsere Nervenfasern besitzen eine elektrisch isolierende Hülle, die in regelmäßigen Abständen durch Einschnürungen unterbrochen ist.
Die Fortpflanzung der Erregung erfolgt durch Teilströme, die sich über den Außenraum von Schnürring zu Schnürring schließen und dort zu einer erneuten Erregung führen. Durch diese sogenannte saltatorische Reizleitung wird eine Abschwächung des Nervensignals verhindert.
Eine Ablenkung der Stromwege ist nur möglich, indem die Ablenkkräfte gegenüber den Antriebskräften der Ionen nicht vernachlässigbar klein sind.
Abschätzungen haben aber ergeben, dass selbst bei den höchsten derzeit auftretenden Magnetfeldern eine Beeinflussung der Reizleitung vernachlässigt werden kann.
Auch experimentell konnten keine Verhaltensänderungen als Hinweis für eine Beeinflussung des Gehirns und damit der Nervenleitungen festgestellt werden.

Magnetisierung von Zellen und Molekülen

 Es ist möglich Gegenstände zu „magnetisieren", welche danach ihr magnetisches Kraftfeld auch über lange Zeit ungeschwächt beibehalten können. Dies gilt auch für Atome und Moleküle, die sich ebenfalls aus bewegten elektrischen Ladungsträgern zusammensetzen. Jeder dieser Ladungsträger verursacht auch kleinste magnetische Felder, die sich je nach Ladungsvorzeichen und Bewegungsrichtung gegenseitig aufheben oder auch verstärken können, so dass das Atom oder Molekül ein resultierendes Gesamtfeld besitzen kann. Im allgemeinen sind die atomaren Magnetfelder ungeordnet und die Gegenstände erscheinen nach außen hin als unmagnetisch. Starke äußere Magnetfelder können nun eine Orientierung der Atome bewirken , die jedoch nach Ausschalten des Feldes nach verschieden langer Zeit wieder verloren geht. Diese „Relaxationszeiten" sind je nach Atom unterschiedlich und können auch in der Medizin für Diagnostische Zwecke ausgewertet werden. Durch äußere Magnetfelder können Kräfte auf Atome und Moleküle in unserem Körperinneren ausgeübt werden. Die Stärke der Kräfte ist umso größer, je größer das Eigenfeld der Atome und je stärker das äußere Magnetfeld ist. Bei ferromagnetischen Molekülen sind jedoch die Feldkräfte wesentlich stärker, so dass angenommen wird, dass derartige Moleküle, z.B. Fe3O4, bei der Magnetfeldorientierung eine Rolle spielen. Da diese Moleküle jedoch das dichteste und härteste Material bilden, das von Organismen aufgebaut werden kann, wird es auch zu anderen Zwecken als zur Orientierung eingesetzt. Wenngleich Zellen und Moleküle keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen, sind sie doch leicht diamagnetisch, so dass auch auf sie magnetische Kräfte wirken können, die eine Orientierung in Feldrichtung anstreben. Derartige Orientierungseffekte wurden in vitro, z.B. an Suspensionen von Sichelzellen der Netzhaut, bei Induktionen von 1 T beobachtet. Da die Zeitkonstante der Ausrichtung ca. 4 s betrug, sind diese Vorgänge jedoch zu träge, um schnelleren Richtungsänderungen, z.B. Bewegung der Person oder magnetischen Wechselfeldern, folgen zu können. Komplexere Moleküle mit inhomogenen Eigenschaften, wie z.B. Enzyme oder DNS als Träger unserer Erbanlagen konnten bei hohen Induktionen von 1 T in vitro Orientierungseffekte nachgewiesen werden. Untersuchungen der Beeinflussbarkeit chemischer Vorgänge ergaben eine Änderung der Aktivität von Enzymen bei Induktionen über 6 T. Irreversible Veränderungen, die auch nach Beendigung der Feldwirkung erhalten blieben, konnten nicht festgestellt werden.

Konnten Laborstudien einen Zusammenhang zwischen magnetostatischen Feldern und Krebs nachweisen?

Karzinogene, Stoffe die Krebs verursachen, können gentoxisch oder epigenetisch (Initiatoren oder Promoter) wirken. Gentoxische Stoffe (sog. Gentoxine) können direkt Schäden am genetischen Material der Zelle verursachen. Gentoxine wirken dabei auf mehrere Arten von Zellen, und verursachen so auch mehrere Arten von Krebs. Sie haben dabei keinen Schwellwert für ihre Wirkung , so dass bei Verringerung der Dosis des Gentoxins auch das Krebsrisiko sinkt, jedoch dabei nie zu Null wird.

Sind magnetostatische Felder gentoxisch?
Nachdem eine Vielzahl von Studien an gesamten Organismen und Zellen durchgeführt wurden, kann man diese Frage eindeutig mit nein beantworten.

Studien von gesamten Organismen waren zum Beispiel die Studie von Beniashvili et al [12], der Mäuse einem statischen Feld von 0,02 mT aussetzte und keinen Zusammenhang zwischen Exposition und Brustkrebshäufigkeit feststellte. Mahlum et al [13] exponierte Mäuse einem Feld von 1000 mT. Das Feld verursachte keine Mutationen. Ähnliche Ergebnisse ergaben Experimente an Fruchtfleisch, das einem Feld von 1000 bis 3700 mT ausgesetzt wurde.[14,15,16]
Nur eine Studie berichtete über eine gentoxische Wirkung magnetostatischer Felder. In der Studie von Koana [65] wurde ein vermehrtes Auftreten von Mutationen in DNA- Reparaturgeschädigtem Fruchtfleisch bei Exposition von 600 mT über 24 h nachgewiesen. Dieser Effekt konnte bei Fruchtfleisch mit normaler DNA Reparaturkapazität nicht beobachtet werden.
Veröffentlichte Zellulärstudien konnten keinen gentoxischen Effekt nachweisen. So verursachen magnetostatische Felder keine DNA Strang-Brüche [76] , Chromosonale- Abnormalitäten [18,19,20,21,22,23,79], sister-chromatid-exchanges [18,20,22,24], Zelltransformationen [19,25] , Mutationen [26,27,28,94] oder mikronucleus Formationen [78].

Auch eine Krebspromotion durch statische Felder ist eher unwahrscheinlich. Die Studien die einen solchen Effekt nachwiesen, konnten nicht reproduziert werden. Drei Studien [14,30,31] fanden keine Promotion von ionisierender Strahlung hervorgerufenen Mutationen bei einer Exposition von 140 bis 3700 mT. Eine vierte Studie [32] berichtete über einen schwachen Anstieg von Chromosonalen-Abnormalitäten bei Exposition von 1100 – 1400 mT und Initiierung durch eine hohe Dosis ionisierender Strahlung. Eine fünfte Studie [33] fand einen schwachen Anstieg der Zellsterblichkeit ebenfalls bei Initiation durch ionisierende Strahlung.

Laborstudien konnten keinen Effekt magnetostatischer Felder auf das (Tumor-) Zellwachstum, Immunsystem oder Hormonale Gleichgewicht nachweisen. Zwar hat das magnetostatische Feld reproduzierbare biologische Effekte , diese haben jedoch offensichtlich keine Verbindung mit der Krebsentstehung oder dem Krebswachstum. Einige biologische Effekte konnten in Laborstudien schon bei Feldstärken von weniger als 20 mT nachgewiesen werden, und manche Organismen scheinen die Änderungen der Stärke und Orientierung des Erdmagnetfeldes zu spüren [1,54]. Chemische Reaktionen können durch Feldstärken kleiner als 10 mT beeinflusst werden.[56,57]

Wurde in Epidemiologien ein Zusammenhang nachgewiesen?

Nur wenige epidemiologische Studien befassten sich bisher mit dem möglichen Zusammenhang zwischen Krebs und magnetostatischen Feldern. Budinger et al[7] konnte dabei kein erhöhtes Krebsrisiko bei Arbeitern an Teilchenbeschleunigern, die Feldstärken von bis zu 300 mT ausgesetzt waren, festgestellt. Barregard et al [6] fand ebenfalls keinen Zusammenhang zwischen beruflicher Exposition von bis zu 10 mT und Krebs. Weiterhin existieren Studien in Aluminium-Fabriken [8,9,10,61], die zwar nicht darauf zielten einen Zusammenhang zwischen magnetostatischen Feldern und Krebs herzustellen, aber die Arbeiter in solchen Fabriken sind Feldstärken von 5 bis 15 mT ausgesetzt [2,3,4]. Ein erhöhtes Krebsrisiko konnte in nur einer Studie nachgewiesen werden [8]. Die einzige dieser Studien die direkt den Zusammenhang zwischen Krebs und magnetostatischen Feldern untersuchte, konnte keinerlei Zusammenhang feststellen.[61]

Die Bewertung von Epidemiologien und Laborstudien erfolgt mit Hilfe weitgehend anerkannter Kriterien, sogenannter „Hill-Kriterien".

Die Hill-Kriterien auf eine mögliche Assoziation zwischen statischen Feldern und Krebs angewendet, deuten auf einen sehr schwachen bis nicht existenten Zusammenhang hin.

  1. Es existiert nur ein schwacher Zusammenhang zwischen magnetostatischen Feldern und Krebs. Nur eine Studie berichtete über einen Zusammenhang zwischen statischen Feldern und Krebs [8], die Assoziation ist nicht stark und scheint nur für eine Krebsart zu gelten.
  2. Der Zusammenhang zwischen statischen Feldern und Krebs ist nicht konsistent. Studien von beruflich exponierten Personen konnten keinen Zusammenhang nachweisen [6,7]. Nur eine Studie über Arbeiter in der Aluminiumindustrie stellte einen Zusammenhang zwischen Krebs und magnetostatischen Feldern fest. Alle weiteren waren ebenfalls „negativ".
  3. Seitdem nur eine Studie über einen Zusammenhang berichtete, ist der Punkt der Spezifizierung strittig.
  4. Es gibt kein Anzeichen für eine Dosis-Wirkungs-Beziehung. Die einzige Studie, die über einen Zusammenhang berichtete, konnte keine Dosis- Wirkungs-Beziehung nachweisen.

Gefährdung durch auf ferromagnetische Gegenstände wirkende Kräfte

 Ferromagnetische Stoffe besitzen ein besonders hohes magnetisches Moment. Auf sie wirken im Magnetfeld Drehmomente, die mit steigender Induktion zunehmen. In inhomogenen Feldern wirken zusätzlich Verschiebungskräfte, die vom magnetischen Moment und von der lokalen Feldstärkeänderung (Feldgradient) abhängen. Starke Magnetfelder können daher im Körperinneren gefährliche Lageveränderungen von ferromagnetischen Implantaten verursachen. So sind z. B. Blutungen bei Verschieben von ferromagnetischen Klammern zur Behandlung von Arterienerweiterungen oder Änderung der Lage von Stimulationselektroden von Herzschrittmachern möglich. In Räumen mit starken inhomogenen Magnetfeldern, z.B. in der Umgebung von MR- Tomographen können ferromagnetische Gegenstände mit großer Kraft in das Magnetfeld hineingezogen werden. Bei großen Beschleunigungen könnten sie dabei zu gefährlichen Geschossen werden.


Natürliche statische Felder Technisch erzeugte statische Felder Biologische Wirkungen elektrostatischer Felder
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Literaturverzeichnis