Wirkungsmechanismen und biologische Wirkungen

Die wichtigsten Wirkungsmechanismen beim Eindringen hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung in biologisches Material sind Polarisationen auf atomarer und molekularer Ebene. Dazu gehören periodische, mit der Frequenz des Feldes oszillierende Verschiebungen und Schwingungen von Elektronen und Atomen sowie von Dipolen, wie zum Beispiel des Wassermoleküls, oder von Seitenketten größerer Moleküle. Die Absorption von Hochfrequenzstrahlung infolge der Orientierungspolarisation von Wasser ist der Hauptabsorptionsmechanismus im GHz-Bereich. Bei der Orientierungspolarisation der Wassermoleküle kommt es zu Kraftwirkungen auf benachbarte Wasserdipole, die bei hinreichend starker Hochfrequenz-Einstrahlung infolge von Reibungsverlusten zu einer Wärmewirkung führen können.
Verschiebungen von Raumladungen sind vor allem in der Umgebung von Strukturen mit elektrisch unterschiedlichen Eigenschaften von Bedeutung. Beispielsweise entstehen an Zellmembranen elektrische Potentialdifferenzen, die mit der Frequenz des eingestrahlten Feldes variieren und sich dem Ruhepotential der Zelle überlagern.
Wichtig ist, daß biologische Wirkungen als Folge von Wärmeeffekten und Kräfte aufgrund von Dipolwirkungen oder von Potentialdifferenzen Schwellenwerte zu ihrer Auslösung erfordern.
Diese Wechselwirkungsmechanismen folgen aus Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften verschiedener Gewebe, zum Beispiel der Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten oder der Leitfähigkeit.
Aufgrund der elementaren Wirkungsmechanismen ergibt sich die starke Frequenzabhängigkeit für die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung bei wasserreichen Gewebearten, wie zum Beispiel Muskelgewebe. In dem für den Mobilfunk relevanten Frequenzbereich liegen die Eindringtiefen in der Größenordnung weniger cm, im Radarbereich oberhalb von 10 GHz in der Größenordnung von Millimetern oder niedriger. Die Wirkung dieser hochfrequenten Mikrowellen ist vergleichbar mit der von Infrarotstrahlung.

Thermische Effekte

Die thermischen Effekte hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung sind größtenteils an Tieren untersucht worden. Die quantitativen Daten aus Tierversuchen (einschließlich Primaten) legen die Annahme nahe, daß ähnliche Effekte auch am Menschen auftreten, wenn die Exposition (spezifische Absorptionsrate) von vergleichbarer Größenordnung ist. Die Extrapolation der Tierversuche auf Verhältnisse beim Menschen ist aber nicht nur wegen der unterschiedlichen Resonanzabsorption schwierig, sondern auch aufgrund von Unterschieden zwischen den Spezies und physiologischer Unterschiede wie der Fähigkeit zur Thermoregulation.
Unter internationalen Experten ist man sich einig, daß es nötig ist, die Energieabsorption zu begrenzen, um den Menschen bei Einwirkung von Hochfrequenzstrahlung zu schützen. Die bestehenden Grenzwertempfehlungen basieren auf der Erwärmung des Gewebes durch Hochfrequenzstrahlung.

 
Nicht thermische Wirkungen

Die grundlegenden Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit biologischen Systemen auf atomarer und molekularer Ebene sind nicht thermischer Art, das heißt nicht mit einer Temperaturerhöhung verbunden. Gut untersuchte nicht thermische Wirkungen auf Zellebene sind Kraftwirkungen und feldererzeugte Zellmembranspannungen.
Bei Kraftwirkungen können aufgrund von Ladungsverschiebungen auf zellulärer Ebene Dipole entstehen. Benachbarte Dipole können Kräfte aufeinander ausüben. Die Konsequenzen sind, daß (außer den bereits erwähnten Wärmewirkungen) Zellen sich kettenförmig anordnen oder auch so orientieren können, daß sie im inhomogenen Feld wandern oder es zu Drehbewegungen (Zellrotation) kommt. Die Kraftwirkungen lassen sich quantitativ mit der Dipoltheorie beschreiben. Aus experimentellen und theoretischen Untersuchungen hat sich ergeben, daß die Schwellenwerte bei normaler physiologischer Leitfähigkeit so hoch liegen, daß sie von den Wärmewirkungen überdeckt werden und daher für die Risikobewertung keine Rolle spielen.
Bei Spannungsdifferenzen an Zellmembranen hat die Membran der Zelle eine im Vergleich zum Zellzytoplasma und zum Zellaußenraum sehr geringe Leitfähigkeit. Ferner wirkt die dünne Doppel-Lipidschicht (Dicke etwa 5 nm) im Hochfrequenzfeld der Umgebung der Zelle wie ein Kondensator (Kapazität etwa 1 µF/cm² Zellmembranfläche). Dies hat zur Folge, daß bei einer Gewebefeldstärke von 100 V/m über der Zellmembran Potentialdifferenzen in der Größenordnung von einigen mV entstehen, die sich dem normalen Ruhepotential von 20 bis 60 mV mit der Frequenz des Hochfrequenzfeldes überlagern. Die Schwellenwerte für die Auslösung von Reizwirkungen sind bekannt und liefern die wesentliche Datenbasis für Grenzwertfestlegungen unterhalb einiger MHz. Wichtig ist, daß bei Frequenzen oberhalb von 1 bis 10 MHz die Zellmembran aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften kapazitiv überbrückt wird und die felderzeugten Potentialdifferenzen oberhalb von etwa 100 MHz vernachlässigbar klein werden.
Effekte, die bei amplitudenmodulierter Mikrowellenstrahlung oder bei gepulster Mikrowellenstrahlung beobachtet werden, lassen sich daher mit großer Wahrscheinlichkeit nicht mit felderzeugten Potentialdifferenzen über Zellmembranen erklären. Membranpotentiale spielen daher für die bei der digitalen Mobilfunktechnik relevanten Frequenzen kein Rolle. Über die Exposition durch sehr niedrige Leistungsflußdichten amplitudenmodulierter Hochfrequenzfelder - zu niedrig, um zu einer Erwärmung zu führen - wird in der Literatur seit ungefähr 25 Jahren berichtet.
Einige Forschergruppen berichten über Änderungen der elektrischen Gehirnaktivitäten von Katzen und Kaninchen, über Veränderungen der Aktivität des Enzyms Ornithin-Decarboxylase (ODC) sowie über veränderte Kalziumkonzentrationen in Gehirngewebe sowohl in vivo als auch in vitro. Die effektiven Werte der spezifischen Absorption in vitro waren dabei niedriger als etwa 0,01 W/kg, wobei eine komplexe Abhängigkeit innerhalb von "Frequenzfenstern" der Modulation (meistens zwischen 10 und 100 Hz) beobachtet wurde.
Nicht geklärt sind auch Beobachtungen, die über Veränderungen von EEG-Signalen bei Probanden in unmittelbarer Nähe von Mobilfunkgeräten berichten. Bei einer von der Internationalen Kommission zum Schutz vor nicht ionisierenden Strahlen (ICNIRP) mit der WHO im November 1996 durchgeführten internationalen Konferenz in München mit weltweit anerkannten Experten hat es keine Hinweise gegeben, daß schwache Feldexpositionen, wie sie gegenwärtig in der Umwelt auftreten, gesundheitliche Auswirkungen haben. Die Beobachtung einiger subtiler Effekte erfordert jedoch Forschungsanstrengungen, insbesondere um die Relevanz für den Mobilfunk abschließend abzuklären.