universita` degli studi di roma tor vergata tesi di

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA
FACOLTA’ DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE, NATURALI
TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN FISICA
STUDIO DI POSSIBILI EFFETTI MUTAGENI INDOTTI
DA CAMPI ELETTROMAGNETICI A RF (915 MHz)
SU CELLULE DI APICI RADICALI DI VICIA FABA
RELATORI
CANDIDATO
Prof. Giovanni CARBONI
Roberto PETRILLO
Prof. Marco RIZZONI
Anno Accademico 2009-2010
2
SOMMARIO
1
INTRODUZIONE ..............................................................................................................7
2
LE RADIAZIONI NON IONIZZANTI, SORGENTI NATURALI ED ARTIFICIALI .12
2.1
2.1.1
Radiazioni ionizzanti ........................................................................................14
2.1.2
Radiazioni non ionizzanti RNI .........................................................................15
2.2
Sorgenti naturali di RNI ............................................................................................16
2.3
Sorgenti artificiali di RNI a bassa frequenza ...........................................................17
2.4
Sorgenti artificiali di RNI ad alta frequenza .............................................................18
2.4.1
Stazioni Radio e TV ..........................................................................................18
2.4.2
Radar .................................................................................................................20
2.4.3
Dispositivi Wireless ..........................................................................................20
2.4.4
Dispositivi Bluetooth ........................................................................................22
2.4.5
DECT ................................................................................................................22
2.5
Telefonia mobile .......................................................................................................22
2.5.1
Funzionamento della rete cellulare ...................................................................24
2.5.2
Evoluzione della tecnologia ..............................................................................25
2.6
3
La radiazione elettromagnetica .................................................................................12
Esposizione alle radiazioni e.m. emesse dai sistemi di telefonia mobile .................27
2.6.1
Potenza di trasmissione dei telefoni cellulari....................................................27
2.6.2
Caratteristiche del campo irradiato dalle antenne dei telefonini .......................29
2.6.3
Esposizione alla radiazione emessa da un telefono cellulare (SAR) ................31
2.6.4
Esposizione alla radiazione emessa dalle Stazioni Radio Base ........................33
MECCANISMI DI INTERAZIONE DEI CAMPI E.M. CON I SOGGETTI BIOLOGICI
ESPOSTI...................................................................................................................................36
3.1
Interazione dei campi e.m. con la materia ................................................................36
3.2
Interazione della radiazione e.m. con un corpo macroscopico .................................42
3.3
Assorbimento della radiazione e.m. – Spessore di penetrazione .............................45
3.4
Proprietà elettriche dei tessuti biologici....................................................................48
3.5
Tasso di Assorbimento Specifico SAR .....................................................................49
3.5.1
Misura della SAR..............................................................................................51
4
EFFETTI BIOLOGICI DEI CAMPI E.M. ....................................................................... 53
4.1
Effetto biologico ed effetto sanitario ........................................................................ 53
4.2
Effetti deterministici ed effetti stocastici.................................................................. 54
4.3
Frequenza delle RNI ed effetti biologici .................................................................. 54
4.4
Effetti biologici dei campi e.m a bassa frequenza .................................................... 55
4.5
Effetti biologici dei campi ad alta frequenza............................................................ 57
4.5.1
Effetti termici ................................................................................................... 57
4.5.2
Effetti atermici (effetti a lungo termine) .......................................................... 59
4.6
4.6.1
Potenziale di ionizzazione dei campi RF ......................................................... 63
4.6.2
Struttura a collana di perle................................................................................ 63
4.6.3
Fenomeno uditivo da microonde ...................................................................... 63
4.7
5
Studi sperimentali di effetti a livello cellulare delle radiazioni RF.................. 64
4.7.2
Mutagenesi ....................................................................................................... 66
4.7.3
Studi sperimentali su effetti genotossici ........................................................... 66
4.7.4
Test dei micronuclei ......................................................................................... 68
4.7.5
Scelta del sistema biologico ............................................................................. 69
ESPERIMENTO .............................................................................................................. 71
5.1
Apparati sperimentali per l’esposizione alle RF – camera anecoica ........................ 71
5.2
Cella TEM – caratteristiche generali ........................................................................ 72
5.3
Caratteristiche e taratura della cella TEM utilizzata per l’esperimento ................... 75
5.3.1
Alimentazione della cella TEM ........................................................................ 76
5.3.2
Taratura del wattmetro ..................................................................................... 78
Procedura sperimentale ............................................................................................ 81
5.4.1
Preparazione del sistema biologico e germinazione......................................... 81
5.4.2
Esposizione alla radiazione RF ........................................................................ 82
5.4.3
Fissaggio, colorazione e allestimento dei vetrini ............................................. 85
5.5
4
Studi a livello cellulare ............................................................................................. 64
4.7.1
5.4
6
Altri effetti delle radiazioni e.m. .............................................................................. 63
Osservazione dei vetrini ........................................................................................... 87
5.5.1
Il metodo di osservazione ................................................................................. 87
5.5.2
I vetrini osservati – controllo negativo e controllo positivo............................. 90
5.6
Secondo conteggio ................................................................................................... 91
5.7
Misura della SAR ..................................................................................................... 92
RISULTATI E DISCUSSIONI ........................................................................................ 96
6.1
Risultati ed analisi dati del primo conteggio.............................................................96
6.2
Risultati ed analisi dopo il secondo conteggio..........................................................99
6.3
Discussione dei risultati e conclusioni ....................................................................101
APPENDICE ..........................................................................................................................103
A1 Campo irradiato dalle antenne – Campo vicino e campo lontano ...............................104
A2 Richiami di biologia ......................................................................................................107
A2.1 Struttura cellulare degli organismi .........................................................................107
A2.2 DNA e Cromosomi ...............................................................................................108
A2.3 Mitosi ....................................................................................................................109
A2.3.1 Profase................................................................................................................110
A2.3.2 Metafase .............................................................................................................111
A2.3.3 Anafase ..............................................................................................................111
A2.3.4 Telofase ..............................................................................................................112
A3 Sintesi dei risultati di ricerche sugli effetti biologici delle RNI ...................................113
A3.1 Studio di danni al DNA indotti da RF usando il metodo elettroforesi a singola cella
........................................................................................................................................113
A3.2 Indagini citogenetiche sulla genotossicità delle RF ..............................................113
A3.3 Studi sulla genotossicità delle RF su animali vivi ................................................115
A4 Limiti di esposizione alle RNI .....................................................................................117
A4.1 ICNIRP .................................................................................................................117
A4.1.1 Restrizioni di base ..............................................................................................118
A4.1.2 Livelli di riferimento ..........................................................................................121
A4.2 Normativa Italiana sui limiti di esposizione alle RNI ...........................................122
A5 Test statistici di significatività .....................................................................................125
A5.1 Test di ipotesi sulla differenza tra due medie - Test t-student ...............................127
A6 Risultati dettagliati dell’esperimento ...........................................................................129
A6.1 Risultati del primo conteggio .................................................................................129
A6.2 Risultati dopo il secondo conteggio ......................................................................131
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................133
5
6
1 INTRODUZIONE
Le radiazioni non ionizzanti (RNI) sono onde elettromagnetiche che si propagano nel vuoto o
nei mezzi materiali, e che, a differenza delle radiazioni ionizzanti (RI), non hanno energia
sufficiente per ionizzare atomi o molecole. Le caratteristiche delle RNI sono molto diverse a
seconda della frequenza dell’onda e.m., così come sono diverse le sorgenti. Vengono
normalmente inclusi nelle RNI anche i campi elettrici e magnetici statitici, o quelli a
bassissima frequenza, sebbene essi non siano a rigore campi di radiazione.
Oggi l’ambiente è pervaso da segnali elettromagnetici propagati dai più diversi apparecchi, al
punto che si parla apertamente di inquinamento elettromagnetico (elettrosmog). In realtà i
campi elettromagnetici di origine naturale sono stati sempre presenti nella storia dell’uomo, e
nella storia della vita sulla terra in generale. Sono campi e.m. la luce proveniente dalle stelle
(e in particolare dal sole), e la radiazione infrarossa proveniente dagli oggetti caldi1; sono
fonte di radiazione e.m. i fulmini ed altri fenomeni atmosferici (es. aurore boreali); l’intero
pianeta terra si comporta come un’enorme calamita, generando un campo magnetico statico
tra i due poli.
La vita sulla terra è nata e si è sviluppata in presenza di questi campi, i quali in realtà hanno
avuto ed hanno un ruolo essenziale nei processi biologici (basta pensare alla fotosintesi).
A questi campi di origine naturale si sono aggiunti nel recente passato quelli creati dall’uomo;
le linee e le apparecchiature elettriche emettono (seppur non intenzionalmente) campi elettrici
e magnetici a bassa frequenza (50Hz in Europa, 60 Hz in America); le stazioni di trasmissione
radio televisive emettono intenzionalmente campi e.m. ad alta frequenza; tali radiazioni
operano con intensità e frequenze diverse da quelle naturali, e costituiscono una novità per i
soggetti biologici che vi si trovano ad essere esposti.
In particolare la recente diffusione dei telefoni cellulari e di dispositivi wireless ha
incrementato e avvicinato alle persone le sorgenti di onde radio, aumentando di conseguenza
il livello di esposizione ai campi elettromagnetici; questo ha creato una crescente
preoccupazione sui possibili effetti negativi alla salute, ed in particolare il timore che i campi
e.m. possano essere causa dell’insorgenza di tumori, specialmente nei bambini. Il principio
precauzionale ha portato i diversi stati a emanare leggi e norme atte a limitare l’esposizione ai
campi elettromagnetici.
1
In realtà qualsiasi oggetto a temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione e.m., ad una
frequenza proporzionale alla temperatura dell’oggetto; i corpi a temperatura ambiente emettono nella
regione dell’infrarosso.
7
La materia resta comunque controversa, e molto ancora si discute sui quelli che dovrebbero
essere i valori limite dei campi elettromagnetici, da imporre nei diversi ambienti frequentati
dagli esseri umani.
La ricerca scientifica ha cercato di dare delle risposte a queste preoccupazioni attraverso studi
di tipo sperimentale (in vitro ed in vivo), e di tipo statistico (studi epidemiologici). Mentre per
gli effetti acuti e a breve termine i fenomeni sono ormai chiari (le onde e.m. particolarmente
intense scaldano, e al limite cuociono, i tessuti biologici, come in un forno a microonde), per
gli effetti dovuti ai campi e.m. di bassa intensità e prolungata esposizione gli studi hanno
fornito risultati contraddittori.
Gli studi epidemiologici, in base a dati statistici, hanno cercato di stabilire una correlazione
tra esposizione ai campi e insorgenza di malattie; in particolare gli studi epidemiologici sulle
leucemie infantili per soggetti che vivono in prossimità di linee elettriche hanno portato lo
IARC (Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro) a classificare come “possibili
cancerogeni”2 i campi magnetici a bassa frequenza (campi ELF 0-300Hz).
Anche per i campi ad alta frequenza sono stati svolti studi epidemiologici; in particolare lo
IARC ha promosso un importante studio internazionale (Studio INTERPHONE)
sull’insorgenza di tumori cerebrali ed uso del telefonino cellulare, i cui risultati sembrano
escludere una correlazione tra i due (per alcuni casi le analisi dei dati indicano che l’uso del
cellulare diminuisce il rischio di malattia).
In realtà questa tipologia di studi presenta diversi punti deboli. In primo luogo vi è la
difficoltà a stabilire con la dovuta precisione la dose effettivamente assorbita dai soggetti
esposti. Nel caso dello studio Interphone l’esposizione è stata determinata tramite domande ai
2
Lo IARC classifica gli agenti cancerogeni nei seguenti gruppi:
gruppo 1 cancerogeni per l’uomo: agenti con evidenza sufficiente di cancerogenità per l’uomo e con
qualsiasi livello di evidenza per gli animali
gruppo 2A: probabile cancerogeno: agenti con limitata evidenza di cancerogenità per l’uomo e con
evidenza sufficiente per gli animali
gruppo 2B: possibile cancerogeno: agenti con limitata evidenza di cancerogenità per l’uomo e
assenza di evidenze sufficienti per gli animali
gruppo 3 non classificabile: agenti con evidenza limitata, inadeguata o assente per gli animali e con
evidenze inadeguate o assenti per l’uomo
gruppo 4 probabile non cancerogeno: evidenza di assenza di effetti cancerogeni per l’uomo
Lo IARC classifica nel gruppo 3 i campi elettici e magnetici statici ed i campi elettrici ELF
8
soggetti esposti circa il loro abituale utilizzo del cellulare negli anni passati, con le
conseguenti incertezze derivanti dalla memoria umana e dai condizionamenti psicologici.
Negli studi epidemiologici inoltre risulta spesso abbastanza difficile stabilire una separazione
netta tra soggetti esposti, e soggetti non esposti, per poter fare un confronto dei dati,
considerato che ormai tutti sono esposti ai campi e.m. presenti nell’ambiente.
Un campo di ricerca ulteriormente complicato degli studi epidemiologici sono le indagini
volte ad accertare possibili effetti combinati di più cause tossiche concorrenti insieme a quella
dei campi e.m.; l’ipotesi da verificare (non escludibile a priori) è che una data radiazione em
possa essere innocua se agente da sola, ma possa innescare effetti biologici dannosi in
presenza di altri agenti chimici o fisici; allo stato attuale, non esistono evidenze per questa
tipologia di rischio.
Gli studi sperimentali consistono nell’osservazione di eventuali effetti biologici su soggetti
esposti in condizioni controllate. Essi comprendono studi in vitro (ovvero su campioni
biologici isolati) e studi in vivo (su soggetti macroscopici vivi).
Gli studi in vitro sono generalmente più semplici, più economici e non comportano l'uso di
animali. D'altra parte, l'uso di un animale vivo consente di verificare il destino di una
molecola in un organismo complesso, in cui organi e sistemi funzionano insieme e non in
modo separato come negli organi isolati. Negli studi in vivo i risultati saranno pertanto molto
più rispondenti a quello che si verifica in un organismo umano. Attualmente quindi i metodi
in vitro e in vivo sono approcci complementari che non possono essere utilizzati in
alternativa.
Anche gli studi sperimentali, come quelli epidemiologici, presentano una serie di difficoltà, e
vanno svolti con le dovute cautele per poter trarre conclusioni di carattere generale. Vi sono
diversi punti critici da analizzare per arrivare a definire una corretta valutazione del rischio
per la salute. In primo luogo vi è da mettere in conto l’estrema complessità della macchina
biologica, dei delicati meccanismi biochimici con la quale funziona, e delle naturali difese che
ogni organismo adotta contro gli agenti esterni, in grado di riparare possibili danni. Va inoltre
distinta e valutata la differenza tra effetto biologico ed effetto sanitario; l’abbronzatura è un
effetto biologico dell’esposizione all radiazione solare, ma questo non comporta
necessariamente effetti sanitari, a meno che la dose assorbita non superi certi livelli, per i
quali aumenta il rischio di ustioni (effetto acuto a breve termine) e tumori della pelle (effetto a
lungo termine).
In secondo luogo vi è la difficoltà a valutare correttamente gli effettivi livelli e tempi di
esposizione ai campi e.m., e la loro particolare interazione con i diversi soggetti biologici
9
esposti. Tali considerazioni sono essenziali per poter poi stabilire una correlazione tra i
risultati sperimentali e le reali condizioni ambientali (e quindi tra causa ed effetto); questo
problema va generalmente sotto il nome di dosimetria, ovvero delle dosi effettivamente
assorbite e determinanti per causare significativi effetti biologici. Anche le grandezze fisiche
coinvolte sono diverse (campo elettrico, campo magnetico, densità di potenza, correnti
indotte, energia assorbita, ..), ed è importante individuare quelle che siano maggiormente
significative per gli eventuali effetti biologici. Molto dipende anche dalla diversa natura delle
onde e.m. (legate principalmente alla frequenza). Per i campi ad alta frequenza è opinione
ormai condivisa che la grandezza maggiormente rilevante per valutare gli effetti biologici
delle radiazioni e.m. sia la SAR (Specific Absorbition Rate), ovvero la potenza specifica
assorbita per unità di massa. Il valore della SAR dipende dal valore dei campi all’interno del
soggetto esposto, e non da quello della radiazione incidente dall’esterno; l’intensità dei due
campi (esterno e interno) può essere sensibilmente diversa; il campo interno infatti dipende
fortemente dalle modalità di accoppiamento, e quindi da forma e dimensioni del soggetto
esposto; adulti, bambini, cavie animali, per le loro diverse dimensioni fisiche, interagiscono in
modo diverso con i campi e.m., e possono subire pertanto effetti diversi; un topo esposto ad
una radiazione e.m. a 2450 MHz, per fenomeni di risonanza, assorbe una SAR circa dieci
volte superiore a quella assorbita da un uomo nelle stesse condizioni di esposizione.
Negli anni sono stati pubblicati numerosi lavori di studi sperimentali. Sono state prese in
considerazione diverse sorgenti di campi e.m. (e quindi con diverse caratteristiche fisiche, in
primo luogo la frequenza), diversi soggetti esposti (batteri, vegetali, animali, umani), e sono
stati indagati diversi effetti biologici (danni al DNA, al sistema immunitario, alterazione di
cicli biochimici, …); i risultati ottenuti sono diversi e, come per gli studi epidemiologici, a
volte in contraddizione tra loro.
In questo lavoro di tesi viene discusso un esperimento volto a indagare i possibili effetti
mutageni causati dalle radiazioni e.m. a 915MHz, frequenza tipica dei segnali emessi dai
telefoni cellulari. I soggetti esposti sono stati germogli di Vicia faba, una leguminose della
famiglia delle fave, già abbondantemente utilizzata per indagare gli effetti tossici di diversi
agenti inquinanti. L’eventuale effetto mutageno (di danno al DNA) è stato valutato con il test
dei micronuclei, un test ampiamente utilizzato in biologia, che consiste nell’osservazione al
microscopio di cellule esposte, e nella determinazione quindi della frequenza di micronuclei.
L’apparato sperimentale è costituito da una cella TEM, un dispositivo che, opportunamente
alimentato, è in grado di creare al suo interno un campo e.m. uniforme di intensità e frequenza
note, e nel quale sono state lasciate esposte in modo continuo e per un certo tempo i germogli
10
di Vicia faba. La cella TEM è stata alimentata con un segnale CW (Continuos Wave) a 915
MHz; tramite un wattmetro per alta frequenza è stata misurata la potenza in ingresso alla cella
TEM (e l’eventuale potenza riflessa), e da questa è stata ricavata l’intensità della radiazione
all’interno. Tramite considerazioni di tipo calorimetrico, è stata fatta una stima della SAR a
cui sono sottoposti e germogli, e confrontata con quella oggi dichiarata dai costruttori di
cellulari.
Prima di affrontare nel dettaglio la discussione dell’esperimento, nei capitoli successivi verrà
fatta una panoramica delle sorgenti di radiazioni e.m. (naturali e umane); con maggiori
dettagli verrà descritto il funzionamento dei sistemi di telefonia mobile, ed in particolare le
caratteristiche dei segnali emessi; tali considerazioni saranno necessarie per poter
correttamente valutare gli effettivi livelli di esposizione alle radiazioni emesse dai cellulari.
Nel capitolo 3 verranno descritti i meccanismi fisici di interazione dei campi con la materia (e
dei tessuti biologici in particolare) e verrà discusso il problema della dosimetria. Nel capitolo
4 verranno descritti i principali effetti biologici osservati e lo stato delle ricerche scientifiche;
in particolare ci soffermeremo sugli studi a livello cellulare e sugli effetti mutageni.
11
2 LE RADIAZIONI NON IONIZZANTI, SORGENTI
NATURALI ED ARTIFICIALI
2.1 La radiazione elettromagnetica
Il campo elettromagnetico è dato dalla combinazione del campo elettrico e del campo
magnetico.
Le equazioni di Maxwell descrivono il comportamento di questi due campi, e la loro reciproca
interazione (un campo elettrico variabile genera un campo magnetico e viceversa); in
particolare dimostrano che nello spazio vuoto il campo e.m. si propaga come un’onda
trasversale; il campo elettrico E ed il campo magnetico H sono perpendicolari tra loro e
perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda k.
Figura 2-1 Propagazione di un’onda elettro magnetica
La velocità di propagazione dell’onda dipende dalle caratteristiche del mezzo in cui la
propagazione avviene; nel vuoto tale velocità è la ben nota velocità della luce c = 3·108 m/sec;
nel caso generale la velocità è data dalla 2.1.
v=
ω
k
=
c
1
=
µ ⋅ε n
(2.1)
dove µ è la permeabilità magnetica, ε è la permittività elettrica, n è l’indice di rifrazione,
caratteristici del materiale.
La velocità di propagazione è legata alla frequenza f tramite la lunghezza d’onda λ, secondo
la relazione 2.2.
v = λ·f
12
(2.2)
Il rapporto tra l’intensità del campo elettrico E e di quello magnetico H risulta costante per
un’onda e.m. piana; nel vuoto vale la relazione 2.3.
E
=
H
ε0
= Z0 = 377 Ω
µ0
(2.3)
Z0 prende il nome di impedenza caratteristica nel vuoto.
A livello macroscopico la potenza associata ad un’onda elettromagnetica è descritta dal
vettore di Poynting S, definito dalla 2.4, che esprime la potenza irradiata in una certa
direzione per unità di superficie.
S=ExH
(2.4)
A grande distanza dalla sorgente e se le dimensioni dell’oggetto investito dalla radiazione
sono abbastanza piccole per considerare il fronte d’onda piano, l’intensità dell’onda, definita
come la potenza trasportata per unità di area è data dalla 2.5
E2
Watt 
Intensità  2  = S (t ) =
Z0
 m 
(2.5)
Per descrivere correttamente l’interazione delle onde e.m. con la materia, il modello
ondulatorio classico in alcuni casi può risultare non adeguato (in particolare quando la
frequenza della radiazione e.m. è alta). Secondo il modello quantistico la luce (e in generale la
radiazione e.m.) si propaga attraverso quanti discreti (fotoni), ciascuno dotato di una certa
energia W, legata alla frequenza f dell’onda del modello classico, tramite la costante di Plank
W = h·f
(2.6)
dove h = 6,626 10-34 Joule·sec = 4,136 10-15 eVolt·sec è la costante di Plank
Le caratteristiche fisiche di un’onda e.m. dipendono fortemente dalla frequenza; a questa
abbiamo visto sono legate anche la lunghezza d’onda e l’energia quantistica trasportata; alla
bassa frequenza corrisponde grande lunghezza d’onda e bassa energia; all’alta frequenza
viceversa piccola lunghezza d’onda e alta energia.
Il range di frequenze in cui spaziano le onde e.m. è quanto mai ampio; una prima importante
divisione dello spettro elettromagnetico è legata alla possibilità di ionizzare la materia da
parte delle radiazioni a più alta energia, le quali vengono appunto dette Radiazioni Ionizzanti
(RI) e distinte dalle Radiazioni Non Ionizzanti (RNI) a più bassa energia. In figura 2.2 un
esempio di suddivisione dello spettro elettromagnetico e delle loro sorgenti.
13
Figura 2.2 Suddivisione dello spettro elettromagnetico. Le radiazioni hanno nomi, caratteristiche e
sorgenti diverse in base alla loro frequenza (e all’energia). Di particolare rilevanza per la nostra
salute è la suddivisione in radiazioni non ionizzanti e ionizzanti.
2.1.1 Radiazioni ionizzanti
Quando un fotone colpisce un atomo o una molecola, può cedere la sua energia; se questa è
sufficientemente elevata, può determinare l’allontanamento di un elettrone dall’atomo,
trasformandolo in uno ione; il valore minimo di energia necessario è detto energia di
ionizzazione, e varia a seconda dell’atomo o della molecola in esame. In figura 2.3 viene
mostrata l’energia di ionizzazione dei singoli atomi in natura.
Figura 2.3 Energia di ionizzazione in eV per i singoli atomi
Le radiazioni elettromagnetiche i cui fotoni hanno energia superiore all’energia di
ionizzazione della materia, sono dette appunto radiazioni ionizzanti (RI). Esse sono anche in
14
grado di rompere i legami chimici delle molecole; in particolare possono quindi danneggiare
in maniera irreversibile le complesse molecole biologiche che sono alla base del
funzionamento degli organismi (DNA, proteine, ..), innescando processi che portano ad effetti
patogeni gravi come i tumori. Nella tabella 2.1 sono riportati i valori di energia media che
caratterizzano i diversi tipi di legame chimico.
Tabella 2.1 Energia media per diverse tipologie di legame chimico
Tipo di legame
Kcal/mole
eV/molecola
50-100
2,2 – 4,8
Van der Vals
1-2
0,04 – 0,08
Legame Idrogeno
3-7
0,13 – 0,30
5
0,2
0,62
0,027
Covalente
Ionico
Energia termica a 310K
2.1.2 Radiazioni non ionizzanti RNI
Per radiazioni non ionizzanti in senso lato intenderemo quei campi elettromagnetici che non
hanno energia sufficiente per rompere i legami chimici. La loro interazione con la materia
agisce prevalentemente sugli stati vibrazionali o rotazionali delle molecole, determinandone
principalmente un riscaldamento a livello macroscopico; il loro effetto quindi, anche con
livelli di intensità molto elevati, è profondamente diverso da quello delle radiazioni ionizzanti.
Nella tabella 2.2 è riportato uno schema di suddivisione delle RNI in base alla frequenza, alla
lunghezza d’onda e all’energia.
Tabella 2.2 Suddivisione delle RNI in base alla frequenza, alla lunghezza d’onda λ, e all’energia
frequenza
lunghezza d'onda
Energia
f < 100 kHz
λ < 3 km
E < 4,1 10-10 eV
RF Radio Frequenza
100 kΗz − 300 GHz
1 mm − 3 km
4,1 10-10 eV – 1,2 meV
MO Micro Onde
300 ΜΗz − 300 GHz
1 mm − 1 m
1,2 µeV – 1,2 meV
IR
Infrarosso
(3 1011 − 4 1014) Hz
0,75 µm − 1000 µm
1,2 meV – 1,65 eV
LV
Luce visibile
(4 − 7,9) 1014 Hz
380 nm − 750 nm
(1,65 – 3,27) eV
UV Ultravioletto
(7,9 − 30) 1014 Hz
100 nm − 380 nm
(3,27 – 12,4) eV
LF
Bassa Frequenza
Nota La banda delle micro onde si sovrappone a quella delle radio frequenze
Oggi l’ambiente è pervaso da RNI provenienti dai più diversi dispositivi; alcuni sono
realizzati per emettere intenzionalmente onde e.m., altri diffondono i campi come
15
conseguenza del loro funzionamento; tali campi prodotti dall’attività umana si sommano a
quelli già presenti in natura. Nello studio degli eventuali effetti biologici, le sorgenti di RNI
vengono solitamente distinte in due gruppi:
1. sorgenti a bassa frequenza (da 0Hz a 100kHz), rappresentate principalmente dalle
linee e dalle apparecchiature elettriche;
2. sorgenti ad alta frequenza (da 100kHz a 300 GHz), spesso indicate anche come Radio
Frequenza (RF), rappresentate principalmente dalle antenne.
Daremo nei seguenti paragrafi una caratterizzazione sintetica delle principali sorgenti naturali
ed artificiali, a bassa ed ad alta frequenza; tratteremo in maggior dettaglio i sistemi di
telefonia mobile, e le caratteristiche dei segnali da questi emessi; potremo così meglio
contestualizzare l’esperimento oggetto di questa tesi che descriveremo nel capitolo 5.
2.2 Sorgenti naturali di RNI
Se ci limitiamo a considerare le frequenze inferiori a 300 GHz, le radiazioni RF di origine
naturale sono estremamente basse, se confrontate con quelle di origine umane. La
caratteristica spettrale dei campi presenti in natura è quella di avere un fondo continuo e di
bassa intensità, al quale si sommano di tanto in tanto brevi picchi.
Al di sotto di 30 MHz il fondo di radiazione elettromagnetica è generato principalmente da
scariche di fulmini. Le osservazioni satellitari hanno permesso di stabilire un numero annuale
di fulmini sulla terra compreso tra 2 e 50 per chilometro quadrato. L’intensa corrente
associata al fulmine genera un impulso elettromagnetico a banda larga che si propaga
nell’atmosfera; a breve distanza (meno di 100m) l’intensità del picco del campo elettrico è
dell’ordine di 10 kV/m; a 30 km il valore misurato scende a 1-5 V/m (Willet et al 1990 [2]).
Alle radio frequenze superiori a 30 MHz il campo e.m. è generato dalla radiazione a banda
larga del calore della terra e da quello proveniente dallo spazio, principalmente dal sole;
l’atmosfera terrestre (ionosfera) riflette una buona parte della radiazione spaziale,
specialmente in alcune fasce di frequenza.
Il sole è la principale fonte di radiazione extraterrestre; se consideriamo anche tutto lo spettro
elettromagnetico, l’intensità della radiazione solare sulla terra è di circa 1370 W/m²; tale
valore viene indicato come “costante solare” e rappresenta l’intensità della radiazione solare
che raggiunge il pianeta Terra al di fuori dell’atmosfera (che invece attenua l’intensità della
radiazione che giunge al suolo). L'energia al livello del suolo è minore rispetto alla costante
solare a causa dei fenomeni atmosferici di assorbimento e diffusione. Circa il 55%
16
dell'energia viene assorbita o riflessa dalle nubi e dall'aria. La stratosfera assorbe i raggi
ultravioletti grazie all'ozono (assorbe a 200-300 nm), la troposfera riflette, assorbe e diffonde
l'infrarosso grazie al vapore acqueo e alla CO2. Il valore di massima radiazione "orizzontale"
(ossia misurata sul piano) al suolo viene normalmente assunto pari a 1000 W/m². In Italia la
potenza specifica solare oscilla mediamente da 900 a 1100 W/m². 3
La densità di potenza della radiazione termica dalla terra a 300K è di pochi mW/m2 ; la
radiazione extraterrestre è 1000 volte inferiore (esclusa la radiazione luminosa dal sole).
Figura 2.4 Sorgenti naturali di campi e.m. [1]
2.3 Sorgenti artificiali di RNI a bassa frequenza
Le linee di trasmissione e di distribuzione dell’energia elettrica, così come la maggior parte
delle apparecchiature elettriche, funzionano con tensioni e correnti sinusoidali a bassa
frequenza (50Hz in Europa, 60 Hz in America); inevitabilmente esse generano campi elettrici
e magnetici, che però a queste frequenze restano indipendenti tra loro, e che quindi possono
essere analizzati separatamente. Il campo elettrico E viene generato dai conduttori in tensione,
e quindi anche dalle apparecchiature elettriche quando sono spente ma collegate alla presa; i
3
http://www.ecoage.it/la-radiazione-solare-al-suolo.htm
17
valori più elevati si riscontrano generalmente in prossimità delle linee elettriche di
trasmissione in alta tensione; la sua propagazione può essere facilmente limitata tramite
schermi metallici; all’interno dei conduttori infatti, il campo E risulta nullo. Il campo
magnetico B viene generato dal passaggio di corrente elettrica nei conduttori; sono pertanto
fonte di campo magnetico le apparecchiature elettriche funzionanti, la cabine di
trasformazione, e le linee elettriche percorse da corrente. Diversamente dal campo elettrico, il
campo magnetico viene schermato con più difficoltà e può quindi propagarsi liberamente;
nella maggior parte dei casi pratici comunque, la geometria dei conduttori è tale che esso
decade abbastanza velocemente con il quadrato della distanza dalla sorgente.
A titolo di esempio nella tabella 2.3 vengono dati dei valori indicativi di campo magnetico B
e campo elettrico E per vari casi pratici.
Tabella 2.3 Intensità del campo magnetico e del campo elettrico per diverse condizione di esposizione
da sorgenti a bassa frequenza (valori indicativi)
Condizioni di esposizione
Induzione magnetica (µT)
Campo elettrico E (Volt/m)
Sotto una linea elettrica di
trasmissione
5 - 20
1000 - 5000
A 50 m da una linea elettrica di
trasmissione
1-2
50 - 200
A 30 cm da un elettrodomestico
1 - 1000
5 - 50
2.4 Sorgenti artificiali di RNI ad alta frequenza
Le maggiori sorgenti di onde e.m. a radio frequenza sono le antenne, dispositivi
intenzionalmente preposti alla diffusione di segnali tramite energia elettromagnetica. Diversi
sono gli usi civili e militari derivanti dalla diffusione dei segnali e.m. Norme nazionali ed
internazionali disciplinano l’uso delle bande di frequenza del campo e.m., attribuendo un uso
specifico alle varie bande.
2.4.1 Stazioni Radio e TV
La maggior parte delle stazioni per la radiodiffusione sonora trasmette segnali nei canali
compresi in due bande di frequenze:
da 148 kHz a 283 KHz e da 526 kHz a 1606 kHz per i segnali modulati in ampiezza AM
da 88 MHz a 108 MHz per i segnali modulati in frequenza FM
18
Le stazioni televisive trasmettono su diversi canali, la maggior parte compresi tra 470 e 854
MHz.
Le antenne per le radio trasmissioni consistono generalmente in 3 o 4 dipoli verticali, istallati
su 3 o 4 lati di una torre. La potenza di ingresso al sistema complessivo di antenne varia da 10
a 50 kW, mentre la potenza fornita a ciascun dipolo varia da 50 a 500 W [1]. I dipoli più
vicini sono la principale fonte di esposizione; la fonte secondaria è generata dalle correnti
indotte nelle strutture metalliche; parte di tali correnti possono accoppiarsi direttamente con le
mani e le gambe in contatto con scale o altre parti metalliche in prossimità dell’antenna.
Le antenne sono progettate per irradiare una raggio a forma di disco, poco sotto l’orizzonte; in
direzione verticale il campo risulta di intensità inferiore; nelle immediate vicinanze al di sotto
di tali antenne sono stati registrati campi dell’ordine di 2 – 200 V/m [1]. I valori misurati sono
molto diversi tra i vari autori, anche perché la presenza di strutture metalliche nelle immediate
vicinanze delle antenne può rendere i campi molto non uniformi.
Figura 2.6 Irraggiamento tipico di un’antenna
In tabella 2.4 sono riportate l’intensità del campo elettrico indotto e della corrente misurata in
prossimità delle antenne di trasmissione. I dati MF e HF sono stati misurati a livello del suolo
a distanze diverse dalla antenna. La maggior parte delle misurazioni VHF e UHF sono stati
effettuati nelle torri nei pressi del antenne.
19
Tabella 2.4 Misure di campo elettrico in prossimità di antenne per la diffusione radio – televisiva [1]
Range di
frequenza
(MHz)
Potenza
media di
trasmissione
(kW)
Modulazione
Campo
elettrico
(V/m)
Distanza e
localizzazione
1 - 50
AM
3 - 800
1 – 100 m
600
AM
40 - 500
10 – 100 m
-
AM
2 - 200
0 – 300 m
500
AM
35 - 120
5 – 100 m
4
FM
60 - 900
Sulla torre
-
FM – AM
(TV)
Fino a 430
Sulla torre
-
FM
300
40
FM
20 - 150
0,3 – 3 (MF)
3 – 30 (HF)
30 – 300
(VHF)
300 – 3000
(UHF)
30
16
DVB o
FM/AM (TV)
DVB o
FM/AM (TV)
10 – 15 cm dal
cavo RF
20 cm dalla
scala
Fino a 620
Sulla torre
Fino a 526
10 – 20 cm
dall’antenna
Riferimento
Mantiply et
al. 1997 [3]
Jokela et al.
1994 [4]
Mantiply et
al. 1997 [3]
Jokela et al.
1994 [4]
Mantiply et
al. 1997[3]
Mantiply et
al. 1997 [3]
Hansson
Mild 1981
Jokela et al.
1999
Hansson
Mild 1981
Jokela et al.
1994
2.4.2 Radar
I sistemi radar generano microonde di frequenza tra 500 MHz e 15 GHz; i segnali prodotti
sono impulsi con un duty cycle molto basso, per cui la potenza media è alcuni ordini di
grandezza più bassa di quella del picco. Le antenne radar generano un raggio di pochi gradi di
ampiezza, che ruota e varia periodicamente di elevazione. La potenza di picco di questi raggi
può raggiungere i 10 MW/m2, cui corrisponde una potenza media fino a 100 W/m2. Le
antenne radar per il controllo del traffico aereo (ATC) operano con frequenza di 2,8 GHz,
potenza di picco 650 kW, cui corrisponde una densità di potenza di 0,5 W/m2 a 60 m di
distanza; se il raggio ruota, il valore medio risulta un ordine di grandezza inferiore.
2.4.3 Dispositivi Wireless
Negli ultimi anni si sono sviluppate tecnologie per la comunicazione senza fili (wireless), con
la conseguente creazione di reti locali WLAN (Wireless Local Area Network), in cui
avvengono comunicazioni a corto raggio tra un punto di accesso (stazione base) e diversi
utenti. Sistemi WLAN sono stati installati in abitazioni domestiche, hotel, cafè, aeroporti,
parchi cittadini, campus universitari; le stazioni base sono solitamente connessi alla rete
20
internet. La tecnologia WLAN è stata standardizzata; lo standard più diffuso è IEEE 802.11,
le cui caratteristiche si sono evolute nel tempo come mostrato nella tabella 2.5.
Tabella 2.5 Caratteristiche delle trasmissioni WLAN per lo standard IEEE 802.11 [1]
Standard
Descrizione
Frequenza
Velocità di
trasmissione
Anno
IEEE
802.11
Standard originario, usa la banda ISM
2.4 GHz
2 Mb/s
1997
IEEE
802.11b
Incremento della velocità di trasmissione
nella banda ISM
2.4 GHz
11 Mb/s
1999
IEEE
802.11a
Versione più veloce dello standard,
usando la banda UNII
5.7 GHz
54 Mb/s
1999
IEEE
802.11g
Stessa velocità della 802.11, ma nella
banda ISM
2.4 GHz
54 Mb/s
2003
IEEE
802.11h
Modifica della 802.11 per garantire
l’usabilità in Europa
5.7 GHz
54 Mb/s
2003
Lo standard IEEE 802.11 non impone alcun limite alla massima potenza irradiata, perchè tali
limiti sono stabiliti dai diversi enti regolatori nazionali (in Europa dal CEPT, negli USA
l’FCC); in tabella 2.6 sono riportati la suddivisione delle bande di frequenza è il limite di
potenza irradiata
Tabella 2.6 Assegnazione delle bande di frequenza e potenza di trasmissione consentita per le reti
LAN Wireless [1]
Banda di
frequenza [MHz]
USA (FCC)
Europe (CEPT)
Potenza irradiata
EIRP4
Potenza irradiata
EIRP
2400 ÷ 2483.5
30 dBm
36 dBm
-
20 dBm
5150 ÷ 5250
17 dBm
23 dBm
-
23 dBm
5250 ÷ 5350
24 dBm
30 dBm
-
23 dBm
5470 ÷ 5725
24 dBm
30 dBm
-
30 dBm
5725 ÷ 5850
30 dBm
36 dBm
Banda di frequenza non disponibile
Le trasmissioni WLAN sono intermittenti, il che porta a fluttuazioni di potenza dipendenti dal
flusso dei dati trasmessi, ed ad una potenza media inferiore a quelle indicate in tabella.
4
EIRP Equivalent Isotropical Radiation Power è la potenza che un’antenna isotropica emetterebbe per produrre
il picco di potenza osservato nella direzione di guadagno massimo dell’antenna
21
2.4.4 Dispositivi Bluetooth
Al posto dei cavi, è possibile connettere due dispositivi vicini tramite il sistema bluetooth, che
opera tramite trasmissione di segnali wireless a 2,45 GHz. Diversi apparecchi utilizzano oggi
la tecnologia buetooth, tra cui accessori per computer come stampanti, tastiere, mouse, ed
anche cellulari. Il raggio di azione è normalmente abbastanza limitato, da pochi metri ad una
decina di metri; le potenze di uscita sono di pochi milliwatt, circa 100 volte inferiori a quelle
dei cellulari, da cui risulta un livello di esposizione comunque basso. In base alla potenza
irradiata si distinguono tre classi.
Tabella 2.7 Classi di potenza dei dispositivi Bluetooth [1]
Classe
Potenza
(mW)
Potenza
(dBm)
Distanza
(m)
Classe 1
100
20
~ 100
Classe 2
2,5
4
~ 10
Classe 3
1
0
~1
2.4.5 DECT
Il DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) è un sistema di comunicazione
sviluppato in Europa, utilizzato in ambiente domestico e negli uffici. L’applicazione
principale è quella della comunicazione vocale di buona qualità, cui si sono affiancate anche
accesso ad internet e comunicazioni di rete. La banda di trasmissione è suddivisa in dieci
sottobande, nell’inervallo (1880 – 1900) MHz; all’interno di ciascun canale la trasmissione e
la ricezione sono separate tramite uno schema TDMA5. La potenza di trasmissione di picco è
250 mW.
2.5 Telefonia mobile
I telefoni mobili o cellulari sono oggi parte integrante delle moderne telecomunicazioni. In
molti paesi, oltre metà della popolazione usa telefoni cellulari e il mercato è in rapida crescita.
Alla fine del 2009, si stimava vi fossero globalmente 4,6 miliardi di abbonamenti. In alcune
parti del mondo, i telefoni cellulari sono i telefoni più affidabili o gli unici disponibili; altrove,
5
TDMA Time Division Multiple Access (accesso multiplo a ripartizione nel tempo) è una tecnica di
multiplazione numerica in cui la condivisione del canale è realizzata mediante ripartizione del tempo
di accesso allo stesso da parte degli utenti.
22
i telefoni cellulari sono molto popolari perché permettono alle persone di mantenere la
comunicazione senza limitare la libertà di movimento.
In Europa l’industria di telefonia cellulare ha conosciuto un rapidissimo sviluppo negli ultimi
anni; nella EU 27 il numero di abbonamenti agli operatori di telefonia mobile è passato da 55
milioni nel 1997 a oltre 600 milioni nel 2008, con un numero medio di sottoscrizioni salito da
12 ogni 100 abitanti, a 122 ogni 100 abitanti (per cui alcune persone hanno più di un
abbonamento); gli italiani hanno contribuito non poco a questo incremento, e nel 2008
risultavano secondi solo ai greci in Europa per numero medio di abbonamenti. [5]
175
100
150
80
125
60
100
75
40
50
20
0
1996
25
1998
2000
2002
2004
2006
2008
Figura 2.7 Numero di abbonamenti di telefonia
mobile in Italia, valori in milioni [5]
0
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
Figura 2.8 Numero medio di abbonamenti di
telefonia mobile per 100 abitanti in Italia, [5]
Figura 2.9 Numero medio di abbonamenti di telefonia mobile per
100 abitanti in Europa nel 2008 [5]
23
2.5.1 Funzionamento della rete cellulare
La rete di telefonia mobile è costituita da un insieme di aree contigue chiamate celle (di solito
di forma esagonale), da cui il nome di telefonia cellulare.
Figura 2.10 Suddivisione del territorio in celle; al centro di cella è posta
una Stazione Radio Base [6]
Al centro di ciascuna cella viene posta una SRB (Stazione Radio Base), in inglese BTS (Base
Transceiver Station), con un’antenna in cima ad una torre, che ha il compito di collegarsi a
mezzo di onde elettromagnetiche con i cellulari presenti nella sua area d’azione.
Figura 2.11 Stazione Radio Base in collegamento un
dispositivo cellulare posto all’interno della cella [6]
Il singolo telefono cellulare è in collegamento via radio con la SRB più vicina, quella che si
trova al centro della sua cella.
Le dimensioni delle celle in cui è suddiviso il territorio possono essere varie, e dipendono
dalla tipologia di area e dal numero di utenti normalmente presenti. Le macrocelle
costituiscono la struttura principale della rete di SRB. Le potenze trasmesse dalle stazioni
base variano da decine a centinaia di Watt. La distanza massima alla quale può avvenire la
24
comunicazione con il dispositivo mobile è di 35 km (ma di solito le celle hanno dimensioni
inferiori)6.
Dato che una cella radio può consentire contemporaneamente un numero limitato di
telefonate, in città è necessario installare un numero di stazioni di base contigue più elevato
rispetto alla campagna. Le microcelle servono a migliorare l’efficienza della rete,
specialmente in zone dove vi è un alto numero di chiamate; si trovano in aeroporti, stazioni
ferroviarie, centri commerciale, ed il loro numero è in crescita, coerentemente con la crescita
della domanda di cellulari. La potenza trasmessa dalle stazioni è minore rispetto a quella delle
macrocelle, è il loro range è di alcune centinaia di metri. Il livello di esposizione è
generalmente basso, considerato che l’involucro protettivo delle antenne impedisce di
avvicinarsi troppo.
Le picocelle hanno una potenza di uscita inferiore alle microcelle (alcuni Watt), e sono poste
all’interno di edifici con grande traffico di chiamate telefoniche.
2.5.2 Evoluzione della tecnologia
L’onda RF usata per la comunicazione viene detta onda portante. L’informazione trasmessa
(voce, messaggi, immagini, ..) è aggiunta all’onda portante attraverso un processo chiamato
modulazione. L’informazione può essere trasmessa con tecniche analogiche o digitali.
La trasmissione digitale offre molti vantaggi tecnici rispetto sistemi di trasmissione analogica.
È, per esempio, meno soggetta a distorsione da interferenze e rumore elettrico, e sta
sostituendo progressivamente la trasmissione analogica in nella telefonia mobile.
Le caratteristiche del segnale trasmesso dipendono dal tipo di tecnologia utilizzata; questa si è
evoluta molto velocemente nel tempo, e nel corso degli ultimi anni si sono succedute diverse
generazioni tecnologiche.
La prima generazione di telefonini si basava su un sistema di trasmissione analogico, operante
con una modulazione di frequenza su portanti di 450 MHz e di 800/900 MHz. Negli USA
venne sviluppato negli anni 70 un sistema chiamato AMPS (Advanced Mobile Phone
Standard), mentre in Europa un sistema simile chiamato TACS (Total Access Communication
6
La potenza delle antenne consentirebbe di coprire distanze maggiori . Il limite è dovuto alla difficoltà di
centrare il cosiddetto timeslot overlap (dove il timeslot è il tempo allocato per ciascuna chiamata) quando il
terminale si trova a grande distanza dalla stazione radio-base. Infatti, i canali TDMA (vedi oltre) consentono una
tolleranza di temporizzazione di poco più di 100 microsecondi: ciò significa che il segnale tra SRB e terminale
mobile non può impiegare un tempo superiore a propagarsi, pena l'overlap tra canali. Dal fatto che le onde
elettromagnetiche percorrono un chilometro in 3,2 microsecondi circa, la massima distanza risulta essere,
appunto, di 100/3,2 = circa 31 km.
25
System) venne adottato a partire dagli anni 80. Tali sistemi analogici garantivano
principalmente servizi vocali, e vennero progressivamente abbandonati sostituiti da più
moderni sistemi digitali.
Agli inizi degli anni 90 si sviluppa un nuovo sistema di comunicazione digitale chiamato
GSM (Global System for Mobile communication). In Europa è caratterizzato da una
frequenza portante di 900 MHz e 1800 MHz (850 MHz e 1900 MHz in america). La codifica
digitale dei segnali avviene con un processo di modulazione di fase, che determina una
variazione molto contenuta dell’ampiezza della portante. Il cellulare trasmette verso la SRB
(uplink) nell’intervallo di frequenza (890 – 915) MHz, riceve il segnale dalla SRB (downlink)
nell’intervallo (935 – 960) MHz.
Per incrementare il numero di utenti con i quali può comunicare una SRB, viene impiegata
una particolare tecnica, chiamata accesso multiplo a divisione di tempo TDMA (Time
Division Multiple Access), che consente ad uno stesso canale di essere utilizzato da otto
telefoni; un pacchetto di informazioni di 4,6 msec viene compresso e trasmesso con un
impulso di 0,58 msec; quindi un telefonino trasmette segnale per 0,58 msec in un intervallo di
4,6 msec; ne risulta un segnale finale modulato in impulsi a 217 Hz.7
La potenza massima di trasmissione consentita è di 2 Watt per i telefonini a 900 MHz, e di 1
Watt per quelli a 1800 MHz. Considerando la tecnica TDMA, la potenza media di
trasmissione di un telefonino può raggiungere al massimo un ottavo di tali valori (0,25 W e
0,125 W), ma risulta spesso ridotta per effetto del controllo adattativo di potenza (APC) e
dalla discontinuità di trasmissione.
La crescente popolarità di internet e di connessioni wireless ha determinato la necessità di
trasmissione dati con una velocità maggiore da quella consentita dal sistema 2G, progettato
principalmente per applicazioni vocali; una evoluzione del sistema 2G ha portato al GPRS
(General Racket Radio Service); il GPRS supporta una velocità di trasmissione dati di 140,8
kbit/sec, ed è un sistema orientato alla trasmissione per pacchetto.
L’ultima generazione di tecnologia cellulare (3G) è nota in Europa come UMTS (Universal
Mobile Telecommunication System). Le bande di frequenza in cui opera sono 18852010MHz e 2110-2200MHz. L’alta velocità di trasmissione dati (384 kbit/sec) consente ai
7
Con il funzionamento TDMA, la batteria del cellulare genera corrente in modo periodico,
determinando una componente di radiazione a bassa frequenza a 217 Hz (e multipli interi di 217Hz).
In questa tesi ci occuperemo solo della componente a RF, sebbene anche la componente di bassa
frequenza possa essere interessante.
26
telefonini di terza generazione di navigare su internet, di fare video chiamate, di scaricare
musica e applicazioni. Lo standard globale della tecnologia 3G prende il nome di IMT-2000;
tale tecnologia si basa su un sistema W-CDMA (Wide Code Division Multiple Access). Gli
utenti che fanno capo a una stazione di base non sono ripartiti in intervalli di tempo ma in
codici. Durante il collegamento, il telefono cellulare trasmette costantemente. La radiazione
non è quindi pulsata. Una cella radio UMTS raggiunge la capacità di trasmissione massima se
tutti i collegamenti utilizzano una potenza di trasmissione minima. La stazione di base può
quindi escludere dalla comunicazione e indirizzare a un'altra cella i telefonini che si trovano al
margine dell'area di copertura e che possono essere raggiunti solo con una maggiore potenza
di trasmissione. La dimensione della cella radio varia entro un certo margine in base alla
quantità di dati trasmessi.
2.6 Esposizione alle radiazioni e.m. emesse dai sistemi di telefonia
mobile
Il campo e.m. diffuso dalle antenne dei sistemi cellulari è legato alla potenza di trasmissione.
Sia nel telefono cellulare, sia nella stazione radio base, la potenza emessa si regola
automaticamente e costantemente sul valore minimo necessario (Controllo Adattativo di
Potenza). Poiché la presenza di muri o altri ostacoli ha un effetto schermante sul segnale,
telefonando da ambienti chiusi o addirittura sotterranei (cantine, garage ecc.) occorre una
potenza di trasmissione molto più elevata che non all’aperto. In entrambi i casi, sia il cellulare
che la stazione radio base aumentano la potenza del segnale emesso. Perciò a seconda del
luogo in cui si trova chi telefona, l’intensità del segnale emesso tanto dal cellulare quanto
dalla stazione radio base fissa varia costantemente. Se nessuno sta telefonando, le radiazioni
emesse dalla stazione radio base sono ridotte al minimo. Se i telefoni cellulari venissero
utilizzati solo all’aperto, la potenza emessa da entrambi i dispositivi potrebbe essere ridotta
notevolmente.
2.6.1 Potenza di trasmissione dei telefoni cellulari
I telefoni cellulari sono delle piccole ricetrasmittenti manuali a bassa potenza. È importante
distinguere tra potenza di picco, potenza (media) di trasmissione massima e potenza (media)
di trasmissione effettiva. Per potenza di picco s'intende l'irradiazione massima istantanea
raggiunta da un cellulare. La potenza di trasmissione massima indica l'irradiazione massima
di un cellulare mediata nell'arco del tempo (ad esempio l’intervallo di invio di un pacchetto
dati). Per quanto detto prima, i cellulari usano tale potenza di trasmissione massima solo nelle
27
condizioni più avverse, quando ostacoli naturali (muri, solai, ecc..) schermano la trasmissione
verso la SRB. I cellulari regolano automaticamente i livelli di potenza al minimo necessario
(anche per consentire una durata maggiore delle batterie), per cui la potenza di trasmissione
effettiva è generalmente inferiore alla potenza di trasmissione massima.
I livelli di potenza trasmessi dai cellulari dipendono dalla tecnologia che essi utilizzano; la
potenza di trasmissione si è progressivamente ridotta nel tempo come conseguenza dell’uso di
tecnologie più efficienti; in tabella 2.8 si riporta una sintesi delle caratteristiche di trasmissioni
delle ultime generazioni tecnologiche (GSM e UMTS).
Tabella 2.8 Caratteristiche dei segnali trasmessi per i sistemi GSM e UMTS
GSM
UMTS
Frequenza di trasmissione (MHz)
900
1800
2100
Potenza di picco (mW)
2000
1000
125 - 250
Potenza di trasmissione
massima (mW)
240
120
125 -250
Controllo della potenza (Hz)
1-2
1500
Frequenza della radiazione
pulsata (Hz)
217
Standard attuale (FDD, tecnica di
suddivisione della frequenza): niente
impulsi per dati e telefonia
12 -240
5 - 720, attualmente ca. 33
Impulso di trasmissione in standby
ogni … min
Per i sistemi GSM, In Europa la potenza di picco massima consentita è di 2 Watt per i
telefonini a 900 MHz, e di 1 Watt per quelli a 1800 MHz. Considerando la tecnica TDMA, la
potenza media di trasmissione di un telefonino può raggiungere al massimo un ottavo di tali
valori (0,25 W e 0,125 W), ma risulta spesso ridotta per effetto del controllo adattativo di
potenza (APC) e dalla discontinuità di trasmissione. Nella trasmissione dei dati con le
tecnologie GPRS o Edge la potenza di trasmissione massima varia da 1 a 0,5 W in quanto per
½ - ¼ del tempo la trasmissione avviene con gli apparecchi attualmente disponibili; le
condizioni di esposizione in quest’ultimo caso sono molto diverse da quelle del traffico voce,
in quanto l’utente generalmente tiene il dispositivo ad una distanza maggiore. La potenza di
trasmissione viene adeguata 1-2 volte al secondo a seconda della qualità del collegamento; nei
casi ottimali la potenza di trasmissione può diminuire di un fattore 1000. Essa viene
ulteriormente indebolita di circa 2 volte utilizzando la modalità di trasmissione discontinua
(Discontinuous Transmission Mode - DTX), che interrompe la trasmissione durante le pause
nella conversazione.
28
Figura 2.11 Schema di trasmissione GSM. Nel corso di una telefonata il singolo
cellulare trasmette soltanto per 1/8 del tempo
Nel sistema UMTS la potenza di picco e la potenza di trasmissione massima durante il
collegamento (traffico dati e conversazioni telefoniche) sono pari a 250 mW, in quanto la
trasmissione è continua. La potenza di trasmissione viene adeguata 1500 volte al secondo alla
qualità del collegamento e alla capacità di trasmissione. Questo riduce considerevolmente la
potenza di trasmissione media rispetto alla tecnologia GSM (a pari velocità di trasmissione e
numero di conversazioni telefoniche).
2.6.2 Caratteristiche del campo irradiato dalle antenne dei telefonini
Pur non essendo specificatamente direzionale, le antenne dei telefonini irradiano in modo non
uniforme, per cui ci sarà più potenza verso alcune direzioni rispetto ad altre; in prossimità
dell’antenna, inoltre, siamo nella regione di campo vicino, caratterizzato da un andamento
assai irregolare dei campi, con rapida variazione di intensità fra punti vicini e con flussi di
potenza emessa e riassorbita dal generatore (antenna); la valutazione dell'energia associata ad
un punto è legata alla misura di entrambi i campi presenti, elettrico e magnetico, considerati
separatamente8; per particolari tipi di antenna sono stati calcolati i valori massimi dei campi a
2,2 cm di distanza dall’antenna; i valori trovati per il campo elettrico sono di 400V/m per i
telefonini GSM 900 MHz (2Watt), e 200 V/m per quelli GSM 1800 MHz [79]; per il campo
magnetico il valore calcolato è di 1µT per entrambe le frequenze; per entrambi inoltre è stata
8
Si fa notare che i campi elettrici e magnetici variano in modo piuttosto complicato a distanze da
un'antenna che sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda λ della radiazione (33,3 cm a 900 MHz e
16.7 cm a 1800 MHz). Quindi sono necessari calcoli dettagliati per ottenere valori esatti per le
intensità dei campi vicini a un telefono e le approssimazioni qui riportate hanno solo lo scopo di
fornire indicazioni di massima. Per maggiori dettagli, si veda l’appendice A1
29
stimata a 2,2 cm una intensità massima di radiazione di circa 200 W/m2. Questi valori si
riferiscono alla condizione di telefonino in campo aperto, quando non vi sono ostacoli intorno
all’antenna; quando l'antenna è vicino al corpo, la radiazione penetra, ma i campi all'interno
sono sensibilmente più bassi, rispetto ai valori che si avrebbero all’esterno (fenomeni di
riflessione, accoppiamento, attenuazione della radiazione, vedi cap 3). Per esempio, è stato
calcolato che il campo di maggiore intensità che si può avere all'interno di una testa umana
posta a 1,4 cm dall’antenna è circa tre volte inferiore ai valori sopra riportati. C’è da
sottolineare comunque che i valori medi di campo effettivi sono tutti sensibilmente inferiore a
questi valori massimi riportati sopra per le ragioni spiegate in precedenza (controllo adattativi
di potenza APC, accesso multiplo a divisione di tempo TDMA).
A titolo di esempio si riportano alcune misure di campi elettrici e magnetici in prossimità di
cellulari eseguite da una ditta specializzata9 su incarico dell’ospedale Fatebenefratelli di
Roma. Le misure sono state eseguite su un campione di 60 persone nel periodo gennaio/marzo
2001 negli uffici siti all’interno dell’ospedale Fatebenefratelli simulando le normali
condizioni in cui si opera. Si è posizionato il sensore10 per eseguire la misura in prossimità
dell’orecchio dell’utilizzatore del telefonino cellulare e si è dato luogo alla chiamata del
telefonino, simulandone quindi le normali modalità di utilizzo. I valori ottenuti durante le
misure sono riportati nella tabella 2.9.
Si precisa che il valore massimo si ha durante la chiamata nell’istante in cui arriva la
chiamata, in tale istante il telefonino cellulare è interrogato dalla Stazione Radio Base (SRB) e
squilla. Nell’istante in cui il telefonino è individuato dalla SRB e l’utilizzatore risponde
aprendo la comunicazione il valore di campo elettrico si porta a valori determinati dalla
minima potenza necessaria in emissione da parte del telefonino per essere visto dalla SRB. Si
stabilisce quindi un valore medio di campo elettrico necessario affinché i due apparati
(telefonino e SRB) possano colloquiare.
9
10
MPB Srl Roma
Sonda utilizzata sensore: EMCO model 7405/905
30
Tabella 2.9 Valori di campo elettrico e magnetico misurati in prossimità di cellulari durante il loro
funzionamento in trasmissione
Si precisa che i valori max ottenuti si hanno per uno o due secondi, dopo di che siamo in presenza dei
valori medi, determinati da una comunicazione stabile tra i due apparati telefonino e SRB.
2.6.3 Esposizione alla radiazione emessa da un telefono cellulare (SAR)
Come accennato nell’introduzione (e come vedremo più in dettaglio nel capitolo 3), la
grandezza che meglio caratterizza il livello di esposizione di un soggetto alla radiazione e.m.
ad alta frequenza, è il tasso d'assorbimento specifico SAR (W/kg), che indica la potenza
rilasciata dalla radiazione nel corpo. La SAR dipende fortemente dalle modalità di
accoppiamento dei campi (ed in particolare della sorgente) con il soggetto esposto. Quello
dell’uso del cellulare rappresenta un caso peculiare, in quanto le sue modalità di utilizzo, ed in
particolare il fatto che venga normalmente tenuto vicino ad un orecchio, rendono abbastanza
standardizzabili le modalità di accoppiamento tra sorgente di radiazione RF (l’antenna del
cellulare) e soggetto esposto (testa dell’utente).
I valori di SAR possono essere misurati attraverso un apposito apparato sperimentale; questo
comprende un fantoccio, che viene realizzato con caratteristiche e materiali tali da simulare il
comportamento elettrico di una testa umana e dei suoi tessuti biologici.
Figura 2.12 Fantoccio con cellulare per la misura della SAR
31
Data l’enorme diffusione dei telefonini e l’importanza economica e sociale della questione
sanitaria legata ai possibili effetti biologici delle radiazioni emesse, sono stati fissati dei
protocolli da seguire nell’esecuzione delle misure. In tabella 2.10 sono riportati i diversi
protocolli da seguire per i paesi occidentali, insieme ai limiti di esposizione ed ai riferimenti
alla normativa.
Tabella 2.10 Protocollo di riferimento per la misura della SAR; sono indicati anche i valori limite [8]
Area
Protocollo di Misura della SAR
Riferimento per il
limite di SAR
Limite
ICNIRP Guidelines 1998
(ICNIRP 1998) [16]
2,0 W/Kg in 10g di
tessuto per 6
minuti
Australian Standard
AS/NZS 2772.1
1,6 W/Kg in 1g di
tessuto
European Specification
Europa
ES 59005 (1998)</FONT< td>
Australia
Australian Communications Authority
(ACA) Standard
(ACA RS 1999)
US
Federal Communications Commission
(FCC)
American Standard ANSI
C95.1 (ANSI 1992)
Guidelines (FCC 1997)
1,6 W/Kg in 1g di
tessuto per 30
minuti
I produttori di cellulari sono obbligati a mettere in commercio solo apparecchi che abbiano
valori di SAR inferiori ai limiti indicati in tabella; i valori di SAR misurati devono inoltre
essere resi pubblici; vi è però ancora un po’ di confusione per chi debba eseguire le misure (il
produttore stesso o un ente autonomo)11, e sulla modalità di diffusione dei valori di SAR
misurati12 ([8] [44]).
11
Attraverso una semplice informativa pubblicata sul suo sito internet, la Federal Communications Commission
(FCC) americana ha rivisto la propria posizione in merito alla sicurezza dei telefonini.
L'Ente ha deciso di far ricadere sui costruttori l'obbligo di condurre i test sul livello di emissioni SAR. Devono
essere i produttori a testare il funzionamento dei cellulari, per stabilire il livello di emissioni in ogni possibile
condizione e per tutte le bande di frequenza. La Federal Communications Commission ha imposto un limite SAR
medio di 1,6 W/kg di tessuto corporeo.
12
A titolo di esempio, la NOKIA pubblica sul suo sito internet le informazioni relative alla SAR dei suoi modelli
di cellulari; interrogata sul modello NOKIA 5800, fornisce le seguenti informazioni:
“Questo dispositivo cellulare è conforme ai requisiti delle direttive vigenti per l’esposizione alle onde radio. […]
È stato ideato per non superare i limiti per l'esposizione alle onde radio raccomandati dalle direttive
internazionali. […] Il limite SAR indicato nelle direttive ICNIRP è pari a 2,0 W/kg su una media di oltre 10
grammi di tessuto. […]. I test per i livelli di SAR vengono eseguiti utilizzando le normali posizioni d'uso con il
dispositivo che trasmette al massimo livello di potenza certificato in tutte le bande di frequenza testate. Il livello
massimo di SAR in base alle direttive ICNIRP per l’uso del dispositivo sull’orecchio è 0,97 W/kg.”
32
2.6.4 Esposizione alla radiazione emessa dalle Stazioni Radio Base
L’esposizione ai campi prodotti dalle SRB è generalmente più bassa di quella dovuta ai
cellulari; nonostante le potenze delle SRB siano certamente maggiori di quelle dei cellulari, la
distanza dai soggetti esposti (pochi centimetri per i cellulari, centinaia di metri per le SRB
delle macrocelle), rende sicuramente minore l’esposizione alle radiazioni provenienti dalle
SRB.
Le antenne delle stazioni radio base SRB che servono le macrocelle sono montate su torri a
stelo, in genere a 10-30 m di altezza, su torri più basse in cima agli edifici, o attaccate su una
facciata degli edifici. In una configurazione tipica, ogni torre supporta tre antenne, ciascuna
delle quali trasmette in un settore di 120°.
Per ottenere una copertura mirata, nelle telecomunicazioni si utilizzano antenne speciali il cui
fascio di radiazione ha uno specifico angolo d’emissione orizzontale e verticale, col risultato
che queste antenne non inviano il segnale uniformemente nello spazio, ma quasi tutta
l’intensità viene trasmessa in una direzione soltanto. In questo modo si evita di disperdere
inutilmente energia verso luoghi in cui non ci sono utenti. In prima approssimazione ci si può
immaginare la radiazione emessa dall’antenna simile al fascio di luce emesso da una torcia
elettrica o da un faro, che parte dall’antenna e si propaga espandendosi in funzione della
distanza, ma perdendo gradualmente d’intensità.
Gran parte della potenza è concentrata in un raggio di ampiezza di circa 60, ed il resto va in
una serie di deboli raggi (chiamati lobi laterali) ai due lati del fascio principale. Il raggio
principale è leggermente inclinato verso il basso (Figura 2.13) ma non raggiunge il livello del
suolo fino a quando la distanza dalla torre è di almeno 50 m (di solito 50-200 m).
Figura 2.13 Lobo principale del fascio di radiazione emesso da un’antenna di telefonia mobile; il
fascio ha un’ampiezza di circa 60, ed è leggermente inclinato verso il basso, raggiungendo il terreno ad
una distanza di variabile a seconda le circostanze, generalmente tra 50 e 200m.
33
Figura 2.14 Fascio di radiazione emesso da un’antenna di telefonia mobile. Il
grafico riporta approssimativamente la distribuzione percentuale dell’intensità di
campo prodotta da un’antenna montata sul tetto di un edificio. Di regola, anche
nella direzione del fascio non si supera la soglia preventiva di legge (6 V/m a
partire da una distanza di 30 - 40 metri dall’antenna. La casa che ospita le antenne
ha un’esposizione minima.
Figura 2.15 Radiazioni emesse da un’antenna. Con l’aumentare della distanza dalla
stazione radio base cala l’esposizione alle onde elettromagnetiche. Tuttavia, benché
l’edificio A si trovi ad una distanza maggiore dalla stazione, la sua esposizione alle onde
elettromagnetiche risulta maggiore, poiché è ubicato in corrispondenza della direzione di
massimo irraggiamento. Anche in questa posizione, il campo a partire da una distanza di
30-40 metri dall’antenna non supera quasi mai la soglia preventiva di 6 V/m che la legge
italiana stabilisce. L’edificio C, posto dietro all’antenna trasmittente, non è interessato
dalle radiazioni.
Il limite alla potenza di trasmissione delle SRB è di fatto fissato dalla necessità di evitare
interferenze RF con le celle vicine, ed è definito da una licenza rilasciata da parte dell'agenzia
delle radiocomunicazioni. Queste disposizioni non limitano direttamente la potenza totale
emessa ma lo fanno indirettamente fissando l'intensità massima che una antenna in grado di
34
trasmettere nel raggio principale. Ciò viene fatto definendo la massima "potenza isotropa
irradiata equivalente" (Equivalent Isotropically Radiated Power EIRP) che può essere
trasmessa. L'EIRP è la potenza equivalente che dovrebbe emettere l’antenna se irradiasse in
modo isotropo in tutte le direzioni. In realtà, come già osservato, le antenne utilizzate sono
molto lontane dalla emissione isotropa, con la maggior parte della potenza emessa nel raggio
principale, e il rapporto tra la EIRP e la potenza totale di uscita è chiamato il guadagno
dell'antenna. Per un settore di 1200 il guadagno di antenna è di solito compreso tra 40 e 60.
Henderson e Bangay [9] hanno riportato i risultati dei livelli di esposizione da radiazioni
provenienti dalle antenne di stazioni radio base; le misure sono state fatte a distanze variabili,
da 50 a 500 m dalle sorgenti, in cinque città australiane.
Tabella 2.10 Misure eseguite a varie distanze dalle stazioni radio base [1]
Livelli di flusso di potenza media misurati W/m-2
Tecnologia
50 m
200 m
500 m
Massimo1
CDMA (UMTS)
(29 torri)
2.7·10-5
3.3·10-5
5.9·10-6
8.1·10-5
GSM900
(51 torri)
3.3·10-4
2.6·10-4
2.3·10-5
7.1·10-4
-4
-5
-6
GSM1800
(12 torri)
3.1·10
3G
(35 torri)
Tutti
4.1·10
4.7·10
4.1·10-5
5.6·10-5
7.6·10-6
3.8·10-4
2.8·10-4
2.8·10-5
4.3·10-4
1.4·10-4
8.1·10-4
1
Massimo si ha a distanza compresa tra 50 e 200 m
Tramite la 2.5 è possibile determinare il campo elettrico; I = 8,1 10-4 W/m2 → E = 0,55 V/m
Misure in prossimità di SRB di micro e pico celle di sistemi GSM sono state eseguite da
Cooper [10]. Sono state scelte in modo random 20 antenne GSM, situate ad un altezza
compresa tra 2,5 m e 9 m, con potenze nominali per ciascun antenna compresa tra 1 e 5 Watt.
Il 95% delle misure è risultato compreso in un intervallo di 21 dB. La densità di potenza
media alla distanza di un metro è stata di 2 10-2 W/m2, scesa a 3 10-3 W/m2 a 10 m e a 2 10-6
W/m2 a 100m.
35
3 MECCANISMI DI INTERAZIONE DEI CAMPI E.M.
CON I SOGGETTI BIOLOGICI ESPOSTI
3.1 Interazione dei campi e.m. con la materia
Abbiamo già visto che l’interazione delle radiazioni ad alta energia può determinare nella
materia fenomeni quantistici di ionizzazione e di rottura di legami chimici. Le radiazioni a RF
non hanno l’energia sufficiente a determinare tali fenomeni, ma interferiscono ugualmente
con le cariche elettriche costituenti la materia; il campo elettrico e magnetico esterni infatti,
causano delle forze su tali cariche, facendone variare la distribuzione originaria (equilibrio); la
nuova distribuzione che si viene a determinare, crea a sua volta dei campi all’interno della
materia, che si vanno a sommare a quelli esterni. Per quanto riguarda gli effetti magnetici,
questi sono rilevanti per i materiali ferromagnetici (ferro, nichel, cobalto, e alcune leghe); per
i rimanenti materiali (compresi, con rarissime eccezioni, i tessuti biologici), gli effetti
magnetici sono trascurabili, e ci si può limitare ai soli effetti del campo elettrico, che
possiamo sintetizzare:
1. polarizzazione delle cariche legate
2. orientamento dei dipoli permanenti
3. spostamento delle cariche libere (conduzione)
I materiali soggetti principalmente ai primi due fenomeni sono detti dielettrici; i materiali
soggetti principalmente al terzo fenomeno sono detti conduttori.
Il primo fenomeno avviene nelle molecole neutre; la presenza di un campo esterno induce le
cariche presenti nella molecola a spostarsi, le cariche positive in direzione del campo, quelle
negative dalla parte opposta; si viene così a creare un dipolo elettrico indotto (vedi figura 3.1).
Figura 3.1 Polarizzazione di un atomo o di
una molecola in presenza di un campo
elettrico esterno
36
Il secondo effetto riguarda l’azione del campo elettrico esterno sull’orientazione dei dipoli
permanenti (quelli presenti anche senza il campo esterno, sono principalmente rappresentati
da molecole polari come l’acqua); in assenza di campo i dipoli sono orientati in modo casuale,
per cui l’effetto complessivo è nullo; in presenza di campo esterno i dipoli tendono ad
orientarsi in maniera parallela al campo; l’orientazione rimane parziale per effetto
dell’agitazione termica; rimane comunque un effetto complessivo che si somma al campo
esterno.
Figura 3.2 Orientazione di un dipolo in
presenza di un campo elettrico esterno
Dal punto di vista formale, lo stato di polarizzazione di un materiale viene descritto da vettore
spostamento elettrico D, legato al campo esterno E dalla relazione:
D = ε·E =εr ε0·E
(3.1)
Dove ε è la permittività elettrica (o costante dielettrica), εr è permittività elettrica relativa
(entrambe dipendenti dal particolare materiale), ε0
13
è una costante universale (costante
dielettrica del vuoto).
Nel caso di campi variabili nel tempo, gli spostamenti delle cariche elettriche danno origine
ad una corrente, la cui densità si calcola:
JS =
∂D
∂t
(3.2)
Dove JS indica il vettore densità di corrente di spostamento; nel caso di variazioni nel tempo
di tipo sinusoidale, le grandezze possono essere rappresentate con i corrispondenti fasori:
J S = iω ⋅ D = iω ⋅ ε ⋅ E
13
(3.3)
ε0 = 8,85·10-12 F/m
37
Il terzo fenomeno si ha in presenza di cariche libere all’interno del materiale; il campo esterno
agisce su tali cariche (elettroni o ioni), causandone il movimento (deriva) nel materiale;
l’effetto macroscopico è una corrente di conduzione, che dà origine ad un campo magnetico.
L’equazione che caratterizza questo fenomeno è la 3.4.
JC = σ·E
(3.4)
Dove JC è la densità superficiale di corrente di conduzione [A/m2] e σ è la conducibilità
elettrica del materiale [S/m].
Oltre che dalla natura del materiale, ε e σ dipendono dalla temperatura e, nel caso di campo
elettrico variabile nel tempo con legge sinusoidale, dipendono dalla frequenza f del campo (o,
che è lo stesso, dalla pulsazione ω = 2πf).
Questa dipendenza dalla frequenza riflette il fatto che la polarizzazione di un materiale non
risponde istantaneamente a un campo applicato. La risposta deve essere sempre causale (deve
manifestarsi dopo il campo applicato), e questo può essere rappresentato da una differenza di
fase tra causa (campo esterno) ed effetto (polarizzazione della materia). Per questo motivo la
permittività è spesso trattata come una funzione complessa della pulsazione ω del campo
applicato (in quanto i numeri complessi permettono di specificare modulo e fase). La
definizione di permittività diventa quindi:
)
ε (ω ) =
E
D
(3.5)
e la 3.1 viene riscritta:
)
D = ε (ω ) ⋅ E
(3.6)
dove D e E sono i fasori del vettore di spostamento e del campo elettrico.
La risposta del mezzo al campo elettrico statico è descritta dal limite a bassa frequenza della
)
permittività ε (ω ) , chiamata permittività statica :
ε s = lim εˆ(ω )
ω →0
(3.7)
Nel limite ad alta frequenza, la permittività complessa è comunemente indicata con ε∞.
Poiché la risposta dei materiali ai campi alternati è caratterizzato da una permittività
complessa, è naturale separare le parti reali e immaginarie, che si fa per convenzione nel
seguente modo:
38
εˆ(ω ) = ε ' (ω ) − iε ' ' (ω ) = ε (cos δ − isenδ )
(3.8)
dove
ε" è la parte immaginaria della permittività, ed è legata alla dissipazione (o perdita) di energia
all'interno del mezzo.
ε' è la parte reale della permittività, che è legata alla energia immagazzinata all'interno del
mezzo.
È possibile dimostrare che la parte immaginaria della costante complessa deve essere
negativa; si può arrivare a questa conclusione anche attraverso semplici considerazioni.
Prendiamo in esame un piccolo volume di materiale omogeneo, sottoposto a campo elettrico;
possiamo schematizzare il piccolo volume come un parallelepipedo al quale su due facce
opposte applichiamo una differenza di potenziale.
Figura 3.3 Volume elementare di resistività ρ
e permittività elettrica ε
Il volume di materiale di sezione S e altezza d si comporta come un circuito costituito da una
resistenza in parallelo con un condensatore; si ha:
C =ε⋅
S
d
(3.9)
R=ρ
d
S
(3.10)
dove ρ è la resistività del materiale, pari al reciproco della sua conducibilità σ; è possibile
calcolare l’impedenza equivalente Z del circuito parallelo:

1 1
1 S
= + iωC = jω  ε +

Z R
iωρ  d

(3.11)
39
Possiamo vedere il prisma come un condensatore in cui le perdite nel dielettrico sono causate
da una costante dielettrica complessa, la cui parte immaginaria vediamo essere negativa.
εˆ = ε +
1
iωρ
=ε −i
σ
= ε '−iε ' '
ω
(3.12)
La parte immaginaria della costante dielettrica è sempre negativa per ragioni fisiche, dato che
essa è responsabile dell’effetto dissipativo. Una parte immaginaria positiva corrisponderebbe
a una non fisica produzione di energia nel materiale.
La corrente totale che attraversa il materiale può essere espressa come somma dei due
contributi di conduzione e di spostamento:
J T = J S + J C = i ω ε·Ε + σ ·Ε
(3.13)
Mettendo in evidenza il campo E:
σ
σ 


J T = (iωε + σ ) ⋅ E = iω ⋅  ε +  ⋅ E = iω ⋅  ε − i  ⋅ E = iω ⋅ εˆ ⋅ E
iω 
ω


(3.14)
Dove εˆ è la permittività complessa.
I diversi materiali possono essere classificati in base a quale dei due contributi di corrente (di
spostamento Js o di conduzione Jc) risulta essere prevalente, e quindi in base alla permittività
ε e alla conducibilità σ del materiale stesso. Definiamo p il rapporto tra la corrente di
conduzione e quella di spostamento (in modulo):
p=
JC
σ
ε''
=
=
J S ωε ' ε '
(3.15)
I materiali per i quali prevale la corrente di conduzione, JC >> JS e p >> 1, sono detti
conduttori.
I materiali per i quali prevale la corrente di spostamento, JS >> JC e p << 1, sono detti isolanti.
I materiali buoni conduttori sono caratterizzati da una grande quantità di perdita, e tendono ad
attenuare la propagazione delle onde elettromagnetiche.
Viceversa i materiali isolanti (detti anche dielettrici) sono caratterizzati da basse perdite, e
consentono la propagazione delle onde e.m. con bassa attenuazione.
Un dielettrico perfetto è un materiale che non ha la conducibilità; esso accumula e restituisce
l'energia elettrica come se fosse un condensatore ideale.
In generale, l'assorbimento di energia elettromagnetica da parte dielettrici è determinato da
una serie di vari meccanismi, che influenzano la forma della permittività in funzione della
40
frequenza. n primo luogo, vi sono gli effetti di rilassamento associati ai dipoli molecolari
permanenti e indotti. Alle basse frequenze il campo cambia abbastanza lentamente da
permettere ai dipoli di raggiungere l'equilibrio, prima che il campo possa cambiare.
L’orientazione dei dipoli segue quella del campo esterno. All’aumentare della frequenza i
dipoli non riescono più a seguire il campo di applicazione a causa della viscosità del mezzo, e
l'assorbimento di energia del campo porta alla dissipazione di energia. Tale fenomeno e per i
dipoli ideali è descritto dal classico rilassamento di Debye.
In secondo luogo vi sono da considerare gli effetti di risonanza, che derivano dalla rotazioni o
vibrazioni degli atomi, degli ioni o degli elettroni. Questi processi si osservano in prossimità
delle frequenze caratteristiche di assorbimento.
Gli effetti sopra descritti spesso si combinano per causare effetti non lineari, e ne risulta un
andamento con la frequenza abbastanza irregolare.
Un materiale che assorbe una notevole quantità di energia per un dato campo applicato viene
detto materiale dispersivo.
Una misura della dispersività di un materiale è il valore immaginario della costante dielettrica
ε": maggiore è la ε", maggiore sarà la perdita per il materiale. In alcuni manuali viene
riportata la tangente di perdita, definita come:
tgδ p =
ε''
ε'
(3.16)
La tangente di perdita varia con la frequenza; per l’acqua pura è pari a 0,040 alla frequenza di
1MHz, e 0,265 a 25 GHz [11]. Generalmente più un materiale è umido, maggiori saranno le
sue perdite.
In regime sinusoidale è possibile ricavare la potenza media assorbita all’interno ad un corpo
esposto ai campi RF tramite la 3.17
P = σ·E2
(3.17)
dove σ è la conducibilità del materiale ed E è l’intensità del campo elettrico nel punto
considerato interno al materiale; dividendo questo valore per la densità di massa ρm, si ottiene
la SAR in quel punto:
SAR =
σ ⋅ E2
ρm
(3.18)
41
3.2 Interazione della radiazione e.m. con un corpo macroscopico
Quando un’onda e.m. che si propaga in un dato mezzo incontra un corpo con caratteristiche
elettriche diverse, subisce alcune significative modificazioni, riguardanti l’intensità dei campi
e la velocità di propagazione. Sulla superficie di separazione tra i due mezzi inoltre,
l’interazione tra campi e cariche elettriche della materia determina la riflessione parziale (in
alcuni casi totale) dell’onda incidente; i fenomeni sono fortemente dipendenti dalla frequenza
dei campi, dalla natura elettrica dei materiali, e dalla geometria dei corpi considerati; a
seconda del tipo di materiale, si possono distinguere tre casi tipici, come illustrato in figura
3.5.
Figura 3.5 interazione di un onda e.m. piana con una superficie piana;
a) materiale conduttore; b) tessuto biologico; c) materiale isolante
La prima immagine mostra il caso in cui l’onda e.m. impatta un conduttore (ad esempio un
metallo); in questo caso tutta l’energia incidente viene riflessa.
Nella parte bassa della figura (caso c) viene mostrato il caso in cui l’onda incontri un
materiale isolante; la maggior parte dell’energia attraversa l’oggetto, una parte viene riflessa
indietro, e una parte (modesta) viene dissipata all’interno dell’oggetto stesso.
Il caso intermedio, mostrato al centro della figura, è quello caratteristico dei materiali
biologici, in cui la permittività e la conducibilità elettriche presentano valori intermedi a quelli
dei conduttori e degli isolanti; se lo spessore dell’oggetto è sufficiente, l’energia dell’onda
viene riflessa o dissipata all’interno, e solo una piccola parte viene trasmessa.
42
Considerando il caso semplice di un’onda piana a RF incidente su una superficie di
separazione piana, possiamo andare a definire i seguenti coefficienti.
coefficiente di riflessione
Γ=
Er
Ei
(3.19)
coefficiente di trasmissione
T=
Et
Ei
(3.20)
Dove Ei , Er , Et sono rispettivamente l’intensità del campo elettrico dell’onda incidente,
riflessa, trasmessa.
Le relazione per Γ e T diventano piuttosto semplici per dielettrici senza perdite (p « 1) e per
buoni conduttori (p » 1). Poiché le sostanze biologiche non sono né l'uno né l'altro, sono
necessarie le espressioni più generali per Γ e T, applicabili alla superficie piana.
Figura 3.6 Interazione di un onda e.m. piana con una superficie piana [12]
Per incidenza perpendicolare, illustrata in fig. 3.6, i coefficienti di riflessione e di trasmissione
si possono ricavare dalla 3.21 e 3.22
η 2 − η1
η 2 + η1
(3.21)
2 ⋅η2
= 1+ Γ
η 2 + η1
(3.22)
Γ=
T=
ove η1 ed η2 sono le impedenze d'onda, rispettivamente del mezzo 1 e 2.
43
L'impedenza d'onda di un mezzo è il rapporto del campo E su quello H in un'onda piana che si
propaga attraverso quel mezzo; essa ed è data dalla 3.23
η=
iωµ
σ + iωε
(3.23)
Chiaramente Γ e T sono in generale numeri complessi, anche quando il mezzo 1 è l'aria per la
quale l'equazione 3.23 si riduce alla quantità reale η0= (µ0/ε0)1/2 = 377Ω; il mezzo 2 che
considereremo infatti, è la materia vivente, che usualmente ha un'impedenza d'onda
complessa alle RF. Le potenze incidente, riflessa e trasmessa sono date dalle 3.24
Pi =
Pr =
Pt =
Ei
2
η1
Er
η2
(3.24a)
⋅ R1
(3.24b)
⋅ R2
(3.24c)
2
η1
Et
⋅ R1
2
Dove R1 e R2 sono la parte reale di η1 e η2. Se il mezzo 1 è l'aria, η1=R1=377Ω.
L'ampiezza del coefficiente di trasmissione T per l'interfaccia aria-muscolo nell'intervallo di
frequenza 1÷100 MHz è riportata in fig. 3.7; l'ampiezza del campo E trasmesso nel tessuto
muscolare è considerevolmente più piccola di quella del campo E nell'aria.
Figura 3.7 Rapporto tra potenza trasmessa e potenza incidente
espresso come percentuale della potenza incidente. Interfaccia
aria-muscolo, incidenza perpendicolare (eq. 3.29). [12]
44
Oltre alla riflessione sulla superficie di separazione aria-tessuto, ulteriori riflessioni hanno
luogo ad ogni discontinuità tra materiali diversi. Come esempio, è mostrata in tabella 3.1
l'ampiezza del coefficiente di riflessione sulla superficie di separazione tra muscolo e
materiali organici con basso contenuto d'acqua, tipo grasso od osso.
Tabella 3.1 Coefficiente di riflessione al passaggio di un’onda piana su una superficie piana di
separazione tra muscolo e altro materiale organico con basso contenuto di acqua [12]
Freq. (MHz)
σ
εr
σ/ωε0εr=p
1
0.40
2000
3.6
10
0.63
160
7.1
100
0.89
72
2.2
103
1.65
50
0.59
104
10.3
40
0.46
105
80
6
2.4
La situazione ovviamente si complica nel caso di incidenza non normale con i coefficienti di
trasmissione e riflessione che dipendono dall’angolo di incidenza e dallo stato di
polarizzazione della radiazione.
Quando sono presenti vari strati di tessuto si deve tener conto delle riflessioni nelle varie
interfacce e del fatto che una parte dell’energia riflessa all’indietro può nuovamente essere
riflessa in avanti.
3.3 Assorbimento della radiazione e.m. – Spessore di penetrazione
L’assorbimento di energia da parte di un corpo investito da un onda elettromagnetica è
fortemente dipendente dalla frequenza dell’onda; molte misure sui diversi materiali e tessuti
biologici sono stati eseguiti nel corso degli anni dai diversi ricercatori, fornendo una serie di
dati caratteristici.
Il primo modello con il quale spigare il fenomeno è quello dell’onda piana che investe una
superficie piana; si tratta di un modello poco realistico, ma utile per definire alcune importanti
caratteristiche del mezzo in esame; penetrando nel mezzo, l’onda gradualmente cede la sua
energia e si attenua; si verifica che l’intensità dei campi (elettrico e magnetico) dell’onda
diminuiscono con una legge esponenziale:
45
E = E0 ⋅ e
−
x
(3.25)
δ
dove E0 è l’intensità del campo trasmesso sulla superficie piana di ingresso dell’onda, x è la
distanza percorsa nel mezzo, δ è una distanza caratteristica, definita spessore di penetrazione
(skin depth); δ è la distanza alla quale l’onda, ovvero l’intensità del campo elettrico E e del
campo magnetico H, si è attenuata di un fattore e-1.
Lo spessore di penetrazione δ dipende dalle caratteristiche del materiale (permittività e
conducibilità elettriche) e dalla frequenza dell’onda, come si vede nella 3.26 [12]
δ=
1
µ ε'
ω⋅ 0
 2
p=
(
1
2
1+ p −1

2
σ
ε''
=
ω ⋅ε' ε'
)
(3.26a)
(3.26b)
dove anche ε’ che ε’’ dipendono dalla frequenza.
In figura 3.8 è riportato l’andamento dello spessore di penetrazione per il tessuto muscolare in
funzione della frequenza.
Figura 3.8 Andamento dello spessore di penetrazione per il tessuto muscolare
in funzione della frequenza [14]
Per gli oggetti di dimensioni finite, ed in particolari quelli con dimensioni paragonabili alla
lunghezza d’onda λ, le modalità di penetrazione dei campi dipendono sensibilmente dalla
forma, dalle dimensioni dell’oggetto, e dalla polarizzazione dell’onda; l’orientazione dei
46
campi incidenti E ed H rispetto all’oggetto irradiato ha un effetto considerevole sulla intensità
dei campi all’interno.
Nel caso di oggetti aventi simmetria circolare lungo un asse, è possibile definire tre tipi di
polarizzazione caratteristici, in base a quale dei tre vettori E, H, k risulta parallelo all’asse
principale dell’oggetto esposto; si avrà quindi polarizzazione E se E è parallelo all’asse
maggiore, polarizzazione H se H è parallelo all’asse maggiore, polarizzazione k se k è
parallelo all’asse maggiore
Figura 3.9 Tipi di polarizzazione per radiazione incidente su
un oggetto con simmetria circolare lungo un asse; [11]
Per gli oggetti che non hanno simmetria di rivoluzione, le cose sono un po’ più complicate; si
definiscono sei polarizzazioni, come mostrato negli ellissoidi in figura 3.11.
Figura 3.10 Tipi di polarizzazione per radiazione incidente
su un oggetto privo di particolare simmetria [11]
Gli ellissoidi hanno tre semiassi, di lunghezza a, b, c, con a>b>c; la polarizzazione è definita
con quale vettore è parallelo a ciascun asse (considerati in ordine crescente); per esempio
nella polarizzazione EHK E è parallelo ad a, H è parallelo a b, k è parallelo a c.
47
3.4 Proprietà elettriche dei tessuti biologici
La permeabilità magnetica dei tessuti biologici è sostanzialmente uguale a quella del vuoto (o
dell’aria); la permittività e la conducibilità elettrica invece sono sensibilmente diverse dal
vuoto, e dipendono fortemente dalla frequenza, oltre che naturalmente, dalla particolare
natura del tessuto considerato; in figura 3.11 sono mostrati gli andamenti di ε’ ed ε’’ in
funzione della frequenza per il tessuto muscolare.
Figura 3.10 Valori della permeabilità complessa ε’ e ε’’ in funzione della
frequenza per il tessuto muscolare fonte [14]
Al di sotto di 1MHz i tessuti diventano anisotropi, e la conducibilità in una direzione è diversa
da quella in una direzione diversa.
La permittività generalmente diminuisce con l’aumento della frequenza; questo come
conseguenza dell’inerzia dei dipoli a rispondere a variazioni rapide dei campi.
Nei tessuti la ε" tiene conto della conduttività ionica e dei fenomeni di assorbimento causati
dai processi di rilassamento, tra cui l'attrito associato al riallineamento dei dipoli elettrici e ai
moti vibrazionali e rotazionali delle molecole.
48
3.5 Tasso di Assorbimento Specifico SAR
Quando
un’onda
elettromagnetica
penetra
in
un
mezzo
dielettrico
dispersivo,
progressivamente cede a questo energia; l’energia, o meglio, la potenza ceduta, viene valutata
in termini di assorbimento specifico (Specific Absorbition Rate), ovvero di potenza ceduta per
unità di massa.
SAR =
Potenza Watt 
massa  kg 
(3.27)
La SAR è una funzione puntuale; a rigore va definita come la potenza assorbita in un volume
piccolo intorno ad un dato punto (ma fisicamente abbastanza grande da contenere un numero
sufficientemente alto di molecole), diviso la massa contenuta in quel volume; è possibile
definire anche una SAR complessiva come potenza totale assorbita da un corpo macroscopico
diviso la sua massa totale; quella che si ottiene è una SAR media di tutto il corpo; se
l’oggetto esposto è grande rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione, si potrebbero avere
anche forti disomogeneità della SAR all’interno del corpo.
La SAR puntuale è legata al valore del campo elettrico attraverso la formula 3.28.
σ ( x, y , z ) ⋅ E 2 ( x, y , z )
(
)
SAR x, y , z =
ρ m ( x, y , z )
(3.28)
dove σ è la conducibilità elettrica (misurata in Siemens/m) e ρm è la densità di massa del
tessuto (misurata in kg/m3), ed E è il campo elettrico nel punto considerato.14
La SAR è una quantità molto importante nella dosimetria; essa può essere misurata in quanto
l’energia assorbita si manifesta come calore; inoltre consente una misura indiretta dei campi
all’interno di un corpo irradiato, campi che sono l’effettiva causa dei diversi effetti biologici,
di cui l’aumento di temperatura è solo quello più evidente; ricordiamo infatti, che il valore dei
campi interni può essere sensibilmente diverso da quello misurato all’esterno, dipendendo
fortemente dalla geometria (forma e dimensioni) e dalla natura del corpo irradiato; per un una
valida lettura dei risultati sperimentali condotti su cavie animali e vegetali diverse da quelle
umane, la SAR risulta la misura più valida e coerente.
14
È importante ribadire che il valore del campo elettrico E da considerare nella 3.28 è il campo interno
che, per le ragioni spiegate nei paragrafi precedenti (riflessione, spessore di penetrazione) può essere
molto diverso dal valore di campo che si ha all’esterno dell’oggetto esposto.
49
La SAR risulta essere fortemente dipendente dalla frequenza della radiazione e.m. In
particolare si osservano sperimentalmente dei picchi di assorbimento in corrispondenza di
particolari frequenze di risonanza; tali risonanze dipendono a loro volta dalla forma e
soprattutto dalle dimensioni del corpo investito; per un corpo biologico dalle dimensioni
umane essa avviene a circa 80 MHz (polarizzazione E dell’onda), mentre per un corpo
biologico delle dimensioni di un topo si ha a circa 600 MHz; nelle figure 3.11 sono mostrati
gli andamenti della SAR in funzione della frequenza per uomo e topo (vengono distinte anche
le tre diverse polarizzazioni E, H, k).
uomo
topo
Figura 3.11 Andamento della SAR in funzione della frequenza per le tre polarizzazioni principali (k,
E, H), per due diversi soggetti esposti (uomo e topo) [11]
In generale, per i corpi sottili e conduttori, la risonanza avviene quando la lunghezza
dell’oggetto è circa la metà della lunghezza d’onda della radiazione incidente; per i corpi
biologici la risonanza avviene a frequenze per le quali la lunghezza del corpo è circa quattro
decimi della lunghezza d’onda; una formula approssimata per il calcolo della frequenza di
risonanza f0 per polarizzazione E del campo è la 3.29

 2 π2 2
(
f 0 = 2,75 ⋅ 10 ⋅ 2l +
l + d 2 )
4


−1 / 2
8
(3.29)
dove l è la lunghezza dell’oggetto, d è il diametro medio.
Al di sotto della frequenza di risonanza la SAR varia circa come f2, mentre per frequenze
maggiori va come 1/f.
Dall’osservazione di misure sperimentali si evidenziano alcune caratteristiche peculiari della
SAR e dei campi all’interno dei tessuti biologici, che si possono sintetizzare:
50
1. i materiali (nel caso biologico, tessuti) ricchi di acqua (muscolo) assorbono dal campo
e.m. più energia di quelli “secchi” (grasso, ossa);
2. la SAR è maggiore quando il campo elettrico E risulta parallelo al corpo investito;
3. la SAR è maggiore quando la sezione trasversale del corpo perpendicolare al campo
magnetico H è grande;
4. angoli e punte concentrano il campo elettrico; quando sono posti perpendicolari al
campo E, fili conduttori e piatti causano una perturbazione minore ai campi;
5. un campo incidente uniforme generalmente non determina un campo uniforme
all’interno di un corpo;
6. lo spessore di penetrazione diminuisce con la conducibilità del materiale e con la
frequenza dell’onda;
7. oggetti piccoli rispetto alla lunghezza d’onda causano un perturbazione piccola ai
campi;
8. nel caso che la radiazione incidente abbia polarizzazione E, la SAR aumenta se il
corpo diventa lungo e sottile, diminuisce se diventa corto e tozzo.
3.5.1 Misura della SAR
Solitamente solo i laboratori di ricerca eseguono misure di SAR, in quanto esse sono
relativamente difficili e richiedono condizioni e apparecchiature particolari. Vi sono
essenzialmente tre tecniche per la misura della SAR.
La prima tecnica consiste nel misurare il campo elettrico all’interno del corpo, usando
apposite sonde di campo, e successivamente calcolare la SAR tramite la formula x; tale
formula richiede la conoscenza della conducibilità del materiale alla frequenza di lavoro, e la
sua densità di massa; questa tecnica è adatta per misurare la SAR solo in un punto specifico
all’interno del materiale.
Una seconda tecnica per la misura della SAR si basa sulla misura della variazione di
temperatura dovuta al calore prodotto dall’energia assorbita dalla radiazione e.m. Una sonda
inserita nel corpo del soggetto esposto misura la temperatura locale; dall’incremento di
temperatura si può risalire alla SAR; tale calcolo è semplice se l’energia lasciata dal campo è
elevata, e quindi la temperatura sale velocemente in poco tempo; nei primi istanti del
transitorio termico lo scambio di calore con l’esterno è trascurabile, l’incremento di
temperatura è lineare ed è legato al calore prodotto per unità di massa, che è equivalente alla
SAR:
51
SAR = c
∆T
∆t
(3.30)
dove c è il calore specifico [Joule/kg] e T è la temperatura
Se l’incremento di temperatura non è lineare nel tempo, il calcolo della SAR è più complesso,
e richiede la valutazione degli scambi termici con l’esterno. Un altro problema è rappresentato
dalla presenza delle sonde di temperatura e dai loro fili di collegamento, che possono
perturbare il campo elettrico producendo degli artefatti nelle misure; questo problema ha
condotto allo sviluppo di sonde di temperatura che usano fibre ottiche o fili di collegamento
ad alta resistenza.
La terza tecnica consiste nel misurare la potenza in ingresso ed in uscita alla camera dove è
presente il campione; se la camera è schermata, la differenza tra la potenza in ingresso e
quella di uscita fornisce una misura della potenza totale assorbita dal campione, e questa,
diviso la massa, da la SAR globale del campione esposto.
52
4 EFFETTI BIOLOGICI DEI CAMPI E.M.
4.1 Effetto biologico ed effetto sanitario
Come abbiamo visto nel capitolo 3, una considerazione importante da valutare
nell’esposizione alle RNI è l'accoppiamento del campo e.m. esterno (ovvero normalmente
presente in un dato ambiente), con un soggetto biologico che si trova ad essere esposto a tale
campo. Quando un organismo biologico (per esempio un individuo) si trova immerso in un
campo elettromagnetico, ha inevitabilmente luogo una interazione tra i campi e le cariche (e le
correnti) elettriche presenti nei tessuti dell'organismo. Come conseguenza dell'interazione,
all'interno dell'organismo vengono indotte grandezze fisiche (campo elettrico, campo
magnetico, densità di corrente) legate non solo alla intensità ed alla frequenza dei campi
esterni, ma anche alle caratteristiche dell'organismo ed alle modalità di esposizione.
Il risultato della interazione è sempre una "perturbazione" intesa come deviazione dalle
condizioni di equilibrio elettrico a livello molecolare; per poter parlare propriamente di effetto
biologico, si deve però verificare una variazione (morfologica o funzionale) in strutture di
livello superiore (tessuti, organi, sistemi). Un effetto biologico non costituisce
necessariamente un danno; perché questo si verifichi, occorre che l'effetto superi la capacità di
compensazione di cui dispone l'organismo, che dipende ovviamente anche dalle condizioni
ambientali.
Quest’ultimo aspetto è stato più volte precisato anche dall’OMS, l’Organizzazione Mondiale
della Sanità, che nel suo Promemoria n.182 (“Campi elettromagnetici e salute pubblica
Proprietà fisiche ed effetti sui sistemi biologici”) [15] ha così spiegato i due aspetti: un effetto
biologico si verifica quando l’esposizione alle onde elettromagnetiche provoca qualche
variazione fisiologica rilevabile, ancorché non dannosa, in un sistema biologico; un effetto
sanitario (danno alla salute) si verifica quando l’effetto biologico è al di fuori dell’intervallo
in cui l’organismo può normalmente compensarlo, e ciò porta qualche effetto patologico15.
Col termine rischio si vuole in genere indicare la probabilità di subire un danno; in linea di
principio, le norme di sicurezza dovrebbero mirare proprio a proteggere gli individui dal
rischio di subire un danno a causa dell'esposizione ad un campo elettromagnetico, il che in
15
Ricordiamo a titolo di esempio la differenza tra abbronzatura, ustione, e tumore della pelle, tutti
effetti conseguenti all’esposizione alle radiazioni UV del sole; tutti sono effetti biologici, ma solo gli
ultimi sono effetti sanitari.
53
genere significa fissare dei valori limite di esposizione che siano sufficientemente al di sotto
dei livelli che provocano effetti biologici accertati. Risulta fondamentale a tale proposito
stabilire correttamente le grandezze fisiche rilevanti per gli effetti biologici delle radiazioni
e.m. e le modalità di interazione (dosimetria).
4.2 Effetti deterministici ed effetti stocastici
Si definisce effetto deterministico o effetto somatico non stocastico un effetto “non casuale”
ma “determinato”, che si manifesta negli individui che abbiano ricevuto una dose superiore ad
un certo livello di dose detto soglia. La gravità dell’effetto aumenta all’aumentare della dose
(oltre la soglia): per questa ragione tali effetti vengono detti ad accrescimento. La soglia di
dose varia fortemente a seconda dell’effetto considerato. Inoltre gli effetti non stocastici si
manifestano di regola come effetti precoci (tossicità acuta), cioè a breve distanza di tempo
dopo l’irradiazione.
Per gli effetti stocastici (o probabilistici) non è possibile stabilire dei valori di soglia oltre i
quali certamente si verifichi un dato effetto; il verificarsi di un effetto risulta invece legato in
modo probabilistico alla dose assorbita. Gli effetti stocastici possono essere di tipo somatico
(tumori solidi, leucemie) oppure di tipo genetico (mutazioni geniche, alterazioni
cromosomiche).
Gli attuali studi sperimentali indicano che gli effetti deterministici dannosi per la salute umana
si verificano per dosi estremamente elevate dei campi e.m., dosi che una persona non arriva
ad assumere nella normale vita quotidiana.
4.3 Frequenza delle RNI ed effetti biologici
La frequenza è il parametro principale che influenza la modalità di interazione del campo
elettromagnetico con un sistema biologico e quindi ne condiziona gli effetti, al punto che un
campo elettrico di fissata intensità può essere pressoché insignificante o assai pericoloso, a
seconda della sua frequenza; per questo motivo le norme di sicurezza specificano sempre
limiti massimi notevolmente variabili con la frequenza16. Diversi sono gli aspetti significativi
di questa questione, in parte visti nel capitolo precedente. Li riassumiamo brevemente:
1. La frequenza condiziona la struttura stessa del campo e.m. nell'intorno della sorgente, che
si modifica notevolmente in funzione della distanza da essa, rapportata alla lunghezza
16
Vedi appendice A4
54
d'onda del campo e.m., passando dalla zona dei campi reattivi a quella dei campi
radiativi17 (questo fenomeno condiziona anche le modalità di misura).
2. Il meccanismo di accoppiamento fisico tra il campo e.m. e i soggetti biologici dipende in
modo critico dal rapporto tra la dimensione dell'organismo esposto e la lunghezza d'onda
del campo e.m.; in corrispondenza di determinate frequenze l’accoppiamento risulta
essere particolarmente accentuato, mostrando dei picchi di risonanza (per il tronco del
corpo umano circa 80 MHz, a frequenze leggermente più alte per gli arti e per la testa).
3. La riflessione del campo e.m. sulla superficie del corpo esposto e la sua penetrazione
all’interno dipendono dalla frequenza (vedi paragrafo 3.3 spessore di penetrazione).
4. La quantità di energia rilasciata nei tessuti biologici dipende fortemente dalla frequenza
del campo (paragrafo 3.5).
5. Le modalità con le quali i campi e.m. possono interferire con i meccanismi biologici e le
risposte dei tessuti, delle cellule, o delle molecole biologiche dipendono dalla frequenza.
Per questi motivi, e per le diverse caratteristiche e tipologie di sorgenti, è pratica comune
distinguere gli effetti dovuti ai campi e.m. in due categorie: quelli indotti dai campi a bassa
frequenza (al di sotto di qualche kiloHertz), e quelli indotti dai campi ad alta frequenza
(radiofrequenza RF e microonde MW)18.
4.4 Effetti biologici dei campi e.m a bassa frequenza
Come abbiamo visto nel capitolo 2, i campi a bassa frequenza19 in genere sono associati ad
elettrodotti, centrali elettriche, cabine primarie e secondarie, stazioni elettriche ed
elettrodomestici; le frequenze caratteristiche sono 50 Hz in Europa e 60 Hz in America
(comunemente dette frequenze industriali).
Esistono notevoli controversie sulla possibilità di un legame tra l’esposizione a campi
magnetici ELF ed un aumento del rischio di cancro. Sono apparsi diversi lavori su questo
17
Per una trattazione più dettagliata, si veda l’appendice A1
La separazione tra bassa e alta frequenza non è netta, ed in letteratura si trovano valori diversi per
indicare il confine tra queste due categorie, compresi generalmente tra 300 Hz e 100 kHz; in questo
testo, seguendo le indicazioni dell’ICNIRP, considereremo 100 kHz come valore di separazione.
Anche il confine tra radiofrequenza e microonde non è netto, e dipende spesso dai diversi campi di
applicazione (tecomunicazioni, usi industriali, ..).
19 Spesso per tali campi si usa la designazione ELF (Extremely Low Frequency); la nomenclatura
tecnica può risultare in alcuni casi leggermente diversa: la commissione ONU per le
telecomunicazione (ITU) ha indicato per la designazione ELF campi a frequenze 3<f<30 Hz;
nell’ambito degli studi sugli effetti biologici, si considerano campi ELF quelli fino a 300Hz.
18
55
argomento, da quando Wertheimer e Leeper (1979) [17] segnalarono un’associazione tra la
mortalità per cancro infantile e la vicinanza delle case a linee di distribuzione elettrica. I
risultati delle ricerche non sempre sono coerenti tra loro; su 13 studi fatti sullo sviluppo di
leucemia in soggetti esposti ai campi magnetici delle abitazioni, tutti, salvo cinque, hanno
riportato stime di rischi relativi comprese tra 1,5 e 3,0 20 [16].
Sia le misure dirette del campo magnetico, sia le stime basate sulla vicinanza delle linee sono
indicatori grezzi dell’esposizione che si è verificata in momenti diversi prima che i casi di
leucemia fossero diagnosticati, e non è chiaro quale di questi due metodi fornisca la stima più
valida. Anche se i dati suggeriscono che i campi elettromagnetici potrebbero effettivamente
svolgere un ruolo nell’associazione con il rischio di leucemia, vi è incertezza a causa del piccolo
numero dei soggetti studiati e per la correlazione tra il campo magnetico e la vicinanza alle linee
elettriche.
Con la sola eccezione, forse, dei tumori mammari, gli studi di laboratorio forniscono poca
evidenza che i campi magnetici a frequenza industriale abbiano un effetto di promozione dei
tumori. Anche se occorrono ulteriori studi su animali per chiarire i possibili effetti dei campi ELF
sui segnali prodotti nelle cellule e sulla regolazione endocrina (ciascuno dei quali può influenzare
lo sviluppo di tumori promuovendo la proliferazione di cellule iniziate), si può solo concludere
che, al momento attuale, non c’è nessuna evidenza convincente di effetti cancerogeni di questi
campi.
In conclusione, i diversi studi condotti non consentono ancora di stabilire un effetto cancerogeno
certo degli ELF; lo IARC (Internationa Agency for Research on Cancer) sembra però ritenere i
campi a bassa frequenza più pericolosi di quelli ad alta frequenza, classificando i primi come
“possibili cancerogeni”, mentre ad oggi non attribuisce nessuna classificazione sui secondi.
20
Il rischio relativo (risk rate, RR) è la probabilità che un soggetto, appartenente ad un gruppo esposto
a determinati fattori, sviluppi la malattia, rispetto alla probabilità che un soggetto appartenente ad un
gruppo non esposto sviluppi la stessa malattia. Questo indice è utilizzato negli studi di coorte dove
l'esposizione è misurata nel tempo:
RR = I(esposti) / I(nonesposti)
I = incidenza, che si definisce come I = (n. nuovi ammalati) / (n. persone tot − n. ammalati)
se l'RR risulta uguale a 1 il fattore di rischio è ininfluente sulla comparsa della malattia; se l'RR è
maggiore di 1 il fattore di rischio è implicato nel manifestarsi della malattia; se l'RR è minore di 1 il
fattore di rischio difende dalla malattia (fattore di difesa).
56
4.5 Effetti biologici dei campi ad alta frequenza
Per campi a alta frequenza si considerano generalmente quelli con frequenze superiori a 100
kHz, in genere suddivisi in campi a radiofrequenza (RF) e microonde (MW); le principali
applicazioni sono quelle legate alla telefonia mobile, alle stazioni radiobase, alle emittenti
radio-televisive.
Gli studi di Chatterjee et al. (1986) [18] hanno dimostrato che, con l’aumentare della frequenza da
circa 100 kHz a 10 MHz, l’effetto dominante dell’esposizione a campi elettromagnetici di forte
intensità cambia, spostandosi dalla stimolazione di nervi e muscoli al riscaldamento. A 100 kHz la
sensazione principale è quella di un tremito nervoso, mentre a 10 MHz è quella di calore sulla
pelle. A frequenze da 10 MHz a 300 GHz, il riscaldamento è l’effetto principale dell’assorbimento
di energia elettromagnetica; aumenti di temperatura superiori a 1- 2 °C possono comportare effetti
nocivi per la salute, come affaticamento e infarto da calore [16].
4.5.1 Effetti termici
Il riscaldamento dei tessuti biologici è l’effetto più evidente e più semplice da rilevare
dell’esposizione ai campi e.m.; tale riscaldamento è dovuto al rilascio di energia da parte
dell’onda elettromagnetica; determinanti per questo fenomeno sono le caratteristiche
elettriche della sostanza esposta, ed in particolare la sua permittività e la sua conducibilità
elettrica.
In generale, l’esposizione a un campo elettromagnetico uniforme (onda piana) dà luogo a una
deposizione e ad una distribuzione dell’energia nel corpo molto disuniformi, che devono essere
valutate mediante misure e calcoli dosimetrici.
Dal punto di vista dell’assorbimento di energia da parte del corpo umano, i campi
elettromagnetici possono essere suddivisi in quattro intervalli di frequenza (Durney et al.
1985) [19]:
1. frequenze da circa 100 kHz a circa 20 MHz, per le quali l’assorbimento nel tronco diminuisce
rapidamente al decrescere della frequenza, mentre assorbimenti significativi possono prodursi
nel collo e nelle gambe;
2. frequenze nell’intervallo tra circa 20 MHz e 300 MHz, per le quali si può presentare un
assorbimento relativamente alto nel corpo intero, ed uno ancora più elevato se si considerano
gli effetti di risonanza in singole parti del corpo (ad esempio la testa);
3. frequenze nell’intervallo da circa 300 MHz a qualche gigahertz, in corrispondenza delle quali
si verifica un significativo e disuniforme assorbimento locale;
57
4. frequenze superiori a circa 10 GHz, per le quali l’assorbimento di energia ha luogo soprattutto
sulla superficie del corpo.
Nei tessuti, la SAR è proporzionale al quadrato dell’intensità del campo elettrico interno. La
SAR media e la distribuzione della SAR possono essere calcolati o stimati da misure di
laboratorio. I valori del SAR dipendono dai seguenti fattori:
•
parametri che caratterizzano il campo incidente, cioè frequenza, intensità, polarizzazione e
posizione relativa della sorgente e dell’oggetto (campo vicino o lontano);
•
caratteristiche del corpo esposto, cioè dimensioni e geometria interna e esterna, nonché
proprietà dielettriche dei vari tessuti;
•
effetti di contatto a terra ed effetti di riflessione da parte di altri oggetti nel campo, vicino al
corpo esposto.
Quando l’asse maggiore del corpo umano è parallelo al vettore campo elettrico, ed in condizioni
di onda piana (cioè di esposizione in campo lontano), la SAR nel corpo intero raggiunge i suoi
valori massimi. Il cosiddetto “uomo di riferimento tipico" (ICNIRP 1994), in assenza di contatto a
terra, ha una frequenza di risonanza prossima ai 70 MHz. Per individui più alti la frequenza di
risonanza è un po’ più bassa, mentre nel caso di adulti di bassa statura, bambini o neonati e nel
caso in posizione seduta può superare 100 MHz.
In base alle caratteristiche peculiari del tessuto (tra le quali forma, orientamento,
composizione, dimensioni, ecc.) ed alla frequenza dell’onda elettromagnetica incidente, si
possono formare dei fenomeni parziali di risonanza tissutale con formazione di “punti caldi”,
ovvero zone in cui la formazione di calore è particolarmente accentuata. A questo
meccanismo si può poi associare anche un’accentuata sensibilità da parte degli organi del
corpo umano interessati dall’esposizione.
L’entità del riscaldamento prodotto dipende molto anche dalle possibilità di smaltire il calore
prodotto attraverso scambi termici con l’esterno o attraverso altri meccanismi biologici.
Nel caso di esposizioni locali, con quantità di energia assorbita elevata, può avvenire un
rapido incremento locale di temperatura. In presenza di tassi d’assorbimento elevati sono
particolarmente a rischio gli organi poco vascolarizzati, quelli cioè con una scarsa
circolazione sanguigna e quindi un decongestionamento termico più lento, come gli occhi o i
testicoli. Essi si riscaldano più velocemente e sono quindi più esposti al rischio rispetto ad
altre zone del corpo.
I dati sperimentali disponibili indicano che l’esposizione per circa 30 minuti dell’uomo a
riposo a campi elettromagnetici che producano una SAR mediata sul corpo intero tra 1 e 4
58
W/kg dà luogo ad un aumento della temperatura corporea inferiore a 1 °C. I dati su animali
indicano una soglia per risposte di tipo comportamentale che si colloca nello stesso intervallo
di SAR. Esposizioni a campi più intensi, che producano valori di SAR superiori a 4 W/kg,
possono andare al di là della capacità di termoregolazione del corpo e produrre riscaldamenti
del corpo a livelli pericolosi. Molti studi di laboratorio su roditori e primati hanno dimostrato
la grande varietà dei danni ai tessuti conseguenti a riscaldamenti del corpo intero o di parti di
esso che diano luogo ad aumenti di temperatura superiori a 1-2 °C. La sensibilità dei vari tipi
di tessuto a danni di origine termica varia molto, ma la soglia per effetti irreversibili, anche
nei tessuti più sensibili, è superiore a 4 W/kg in normali condizioni ambientali.
Questi dati costituiscono la base per stabilire i valori limite per l’esposizione a campi RF
(vedi appendice A4); per l’esposizione professionale il limite è fissato a 0,4 W/kg, un valore
che fornisce un ampio margine di sicurezza, anche per condizioni particolarmente gravose,
come alta temperatura ambientale, umidità o intensa attività fisica.
4.5.2 Effetti atermici (effetti a lungo termine)
Gli effetti termici visti nel precedente paragrafo sono effetti deterministici e a breve termine;
circa la possibilità di eventuali effetti dovuti a esposizioni di lunga durata ai campi e.m., ma
associati a valori di SAR di bassa entità, la discussione è tuttora aperta.
La ricerca scientifica non ha ancora fatto piena luce sulle conseguenze reali che tali effetti
atermici possono avere per la salute umana. In alcuni casi si dispone soltanto di dati
sperimentali (ottenuti cioè con prove in vitro o su cavie animali). In altri, i risultati ottenuti
appaiono contraddittori.
Attualmente, analogamente ad altri agenti i cui effetti biologici sono in parte ancora ignoti, le
ricerche stanno cercando di chiarire alcuni aspetti considerati particolarmente critici:
l’eventuale rapporto tra i campi ad alta frequenza o quelli a bassissima frequenza e alcuni tipi
di tumori, i disturbi della funzione riproduttiva, alcune malformazioni congenite, l’epilessia,
le cefalee ed altri disturbi neurofisiologici (come amnesie o depressioni), disturbi del sistema
immunitario, degenerazione del tessuto oculare, l’aumento del rischio dell’insorgenza di
effetti negativi in alcuni soggetti come i bambini, le gestanti o gli anziani.
In generale, possiamo supporre che possano insorgere cambiamenti rilevabili solo se l'effetto
del campo elettrico all'interno del sistema biologico esposto a campi a radiofrequenza non è
mascherato da rumore termico [7]. Il rumore termico o moto casuale, noto anche come moto
browniano, è dovuto all'energia termica che tutti gli oggetti hanno a temperature sopra lo zero
59
assoluto. Nei solidi, gli atomi vibrano e nei gas e nei liquidi si muovono in modo irregolare
con frequenti collisioni con altri atomi. Quindi tutti i componenti del tessuto biologico - ioni,
molecole e cellule - sono in costante movimento. L'energia termica di ciascun componente ha
un valore medio di circa kT, dove k, la costante di Boltzmann, è 86 µeV per grado e T è la
temperatura assoluta misurata in kelvin, (T = 273+t, dove t è la temperatura in gradi
centigradi ). La temperatura corporea dell’uomo è di circa 310 K, cui corrisponde quindi
un’energia kT pari a circa 27 meV; se l’energia associata al campo e.m. esterno è molto più
bassa di questo valore, l'eventuale effetto del campo sarà completamente mascherato (non
rilevata da un componente del tessuto biologico). Questo confronto con il rumore termico
dovrebbe quindi fornire una buona misura del campo elettrico minimo necessario per produrre
effetti biologici rilevabili. Va notato, tuttavia, che se ci fosse un caso particolare in cui il
sistema biologico fosse particolarmente sensibile alla frequenza del campo elettrico
(risonanza), potrebbero produrre effetti rilevabili.
Tra i possibili effetti biologici, si sono studiati quelli associati al funzionamento delle
membrane cellulari, relativamente al moto di ioni (e quindi correnti) attraverso la membrana
in entrambe le direzioni. Le membrane sono note per avere proprietà elettriche fortemente non
lineari (Montaigne e Pickard, 1984) [7] [20]. Quando viene applicata una tensione attraverso
la membrana, la corrente che scorre non è sempre proporzionale alla tensione. Parte di questo
non-linearità può, infatti, essere dovuta all'effetto del campo elettrico sulle proteine di
membrana o su quelle nelle vicinanze, che assistono il flusso delle correnti ioniche attraverso
la membrana. La membrana agisce anche da raddrizzatore. Se una tensione oscillante (campo
elettrico) viene applicata su un raddrizzatore, la corrente totale che scorre quando il campo è
in una direzione non è bilanciata dalla corrente quando il campo è in altri: un campo AC
determina una componente continua non nulla e quindi un flusso netto di prodotti attraverso la
membrana. Tuttavia, i tempi di risposta delle porte ioniche cellulari sono molto più lente
rispetto al periodo
delle microonde e, utilizzando i dati ottenuti da misurazioni sulle
membrane (Montaigne e Pickard, 1984) [7] [20], è stato dimostrato che, per i campi elettrici
di 200 V / m , la variazione relativa del potenziale di membrana è molto piccolo (Adair, 1994,
v. anche Foster, 2000a) [7]. Pertanto, non sembrano probabili effetti biologici da questo
meccanismo.
Molti altri meccanismi sono stati proposti per i quali potrebbero sorgere significativi effetti
biologici dei campi RF, ma molto pochi sembrano reggere ad un’attenta analisi critica (Foster,
2000b) [7]. Uno di questi, per la quale vi è un recente supporto sperimentale (Bohr e Bohr,
60
2000) [7] [21], è che le radiazioni da microonde possano causare la denaturazione delle
proteine (unfolding). Gli esperimenti sono stati effettuati in un forno a microonde modificato
a 2,45 GHz, una frequenza paragonabile ai probabile modi torsionali della proteina.
L'intensità non è stata specificata, ma sembra probabile che sia stata sopra le linee guida
ICNIRP. Gli esperimenti sono stati recenti e non sono ancora stati replicati.
Un altro meccanismo che ha continuato a creare interesse si basa sul presupposto che i sistemi
biologici potrebbero interagire in modo risonante con i campi delle microonde. Questa
possibilità è stata inizialmente discussa da Herbert Fröhlich (1968, 1980) [22] [23] e la sua
opera ha avuto un impatto considerevole ( Penrose, 1994; Pokorny e Wu, 1998).
Fröhlich era interessato al meccanismo attraverso il quale l'energia chimica assunta nel corpo
(il cibo) viene incanalata in processi altamente ordinati, come la costruzione di cellule,
piuttosto che in calore. Il suo modello coinvolge le vibrazioni meccaniche di molecole di
grandi dimensioni o componenti dei tessuti biologici e il loro modo di interagire reciproco,
che, sostiene, potrebbe portare all'esistenza di una banda di frequenze in cui l'energia venga
assorbita, e all’esistenza di un particolare "stato coerente" di vibrazione. Egli ha anche
esaminato se i campi elettrici oscillanti di bassa intensità possano mettere energia in questo
stato, e quindi innescare significativi cambiamenti biologici; il che equivarrebbe a considerare
che un sistema biologico vivente potrebbe comportarsi in un modo abbastanza simile a un
ricevitore radio. Una radio è in grado di rilevare e amplificare un segnale estremamente
piccolo in un contesto di segnali molto più ampio. Questo avviene quando l'operatore
sintonizza un circuito risonante alla frequenza dell'onda portante del segnale. Il circuito
risonante risponde essenzialmente solo alle onde elettromagnetiche di frequenza (compresi
quelli generati da rumore termico) in una banda stretta. La potenza necessaria per amplificare
queste onde deriva dalla presa di corrente della radio. Diversi sistemi a stato solido si
comportano in modo simile, come gli amplificatori ottici a banda stretta, che sono alla base
dei laser.
Il modello di Fröhlich ha stimolato una serie di altri lavori. Tuttavia, finora non sembra
esserci alcuna prova sperimentale diretta, e neanche una convincente prova sperimentale
indiretta, che possa confermare l'esistenza di uno stato coerente di Fröhlich nei sistemi
biologici. Inoltre, il modello teorico non sembra in grado di fornire stime per l'ampiezza del
campo elettrico necessario per produrre effetti biologici. Fröhlich ha suggerito che i risultati
di una serie di esperimenti condotti a frequenze di 40 GHz e superiori su sistemi quali la E
coli batteri e lieviti (vedi Fröhlich, 1980 [22]) potrebbe essere la prova (indiretta) per il suo
61
modello, dal momento che queste frequenze si trovano nel campo dove ci si aspetta che le
membrane cellulari risuonino meccanicamente. Quattro recenti tentativi di riprodurre una
parte di questo lavoro non hanno confermato i risultati di Frolich (E coli: Athey e Krop, 1980;
Santo, 1983; colture di lievito: Furia et al, 1986; Gos et al, 1997) [7]. Una recente valutazione
di tutti questi lavori (Foster, 2000a) osserva che gli esperimenti presentano considerevoli
problemi tecnici e che, sebbene i loro risultati potrebbero essere statisticamente significativi,
potrebbero però non riuscire ad eliminare gli errori sistematici. Con tali considerazioni, non è
possibile concludere che questi lavori possano fornire supporto per l'esistenza di assorbimenti
risonanti da parte del tessuto biologico.
Hyland (1998) [24] ha suggerito che il meccanismo proposto nel modello di Fröhlich
potrebbero portare a effetti biologici per campi elettromagnetici alle frequenze sensibilmente
più basse dei telefoni cellulari. Ciò richiederebbe la presenza di componenti nel tessuto
biologico con modi vibrazionali di risonanza molto stretti in questa gamma di frequenza.
Alcuni lavori teorici (Kohli et al, 1981; Van Zandt, 1986; Porkny e Wu, 1998) [7]
suggeriscono che i polimeri di DNA e gli elementi delle strutture fibrose (citoscheletro), come
i microtubuli e filamenti di actina, potrebbe avere modi in questa gamma. Tuttavia, poiché
questi componenti sono circondati da fluidi relativamente viscosi, le loro vibrazioni
meccaniche normalmente dovrebbe essere molto smorzate. Così, le risonanze che potrebbero
avere se fossero isolati, sarebbe quasi completamente attenuata quando sono immersi21.
Nessuna prova di assorbimento risonante è stata trovata nel DNA in soluzione (Gabriel et al,
1987)[7], anche se questo potrebbe non escludere la possibilità che questo si possa verificare
nelle condizioni naturali in cui si trova il DNA nelle cellule.
In conclusione, le indagini su eventuali risonanze con il DNA dovrebbero essere ripetute in
condizioni più vicine a quelle in cui si trova nei tessuti biologici, e misure analoghe
dovrebbero essere effettuate sui microtubuli e sui filamenti di actina.
21
L'acqua fornisce un esempio di questo effetto. Il vapore acqueo mostra un forte assorbimento in
risonanza, ma le risonanze sono attenuate in acqua liquida e l'assorbimento avviene in un ampio
intervallo di frequenze. Scott (1984) e Van Zandt (1986) hanno, tuttavia, proposto modelli per
spiegare perché questo potrebbe non accadere per il DNA in soluzione.
62
4.6 Altri effetti delle radiazioni e.m.
4.6.1 Potenziale di ionizzazione dei campi RF
Abbiamo già visto che l’energia del campo e.m. è trasportata in pacchetti discreti, chiamati
quanti o fotoni; l’energia di ciascun fotone è data da W = h·f, dove h = 6,625·10-34 J·sec =
4,136·10-15 eVolt·sec è la costante di Plank, ed f è la frequenza dell’onda. La minima energia
necessaria per ionizzare gli elementi base dei tessuti biologici (Acqua, Azoto, Idrogeno,
Ossigeno) è compresa tra i 10 eV e i 25 eV. Un singolo fotone di una radiazione RF ha un
energia di gran lunga inferiore (a 915 MHz W = 3,78·10-6 eV), e quindi non è in grado di
ionizzare la materia biologica. Per un campo RF molto intenso, l’azione combinata di un gran
numero di fotoni può, in linea di principio, determinare un assorbimento simultaneo di
energie tale da indurre la ionizzazione delle molecole biologiche, ma questa è una possibilità
con una probabilità molto bassa, e comunque, con tali intensità, gli effetti termici diventano
predominanti [1].
4.6.2 Struttura a collana di perle
Le molecole e le cellule sotto l’influenza di un campo elettrico esterno tendono ad allinearsi
lungo la direzione del campo formando una struttura simile ad una catena. Tale fenomeno è
stato osservato da diversi ricercatori e riportato come effetto a catena di perle (Schwan 1982,
Takashima and Schwan 1985) [1] [25].
4.6.3 Fenomeno uditivo da microonde
L’effetto audio da microonde riguarda la percezione di un click da parte di persone e animali
investiti da un impulso elettromagnetico. Osservato per la prima volta dai piloti di arerei al
passaggio in prossimità dei radar, questo fenomeno si verifica per effetto di un’onda e.m.
impulsiva con frequenza tra il centinaio di megahertz e la decina di gigahertz. Esperimenti e
studi teorici hanno mostrato che l’origine di tale fenomeno non deriva dall’interazione
dell’impulso di microonda direttamente con il nervo acustico; piuttosto l’impulso, dopo essere
stato assorbito dai tessuti molli nella testa, lancia un’onda termoplastica di pressione acustica
che viaggia attraverso l’osso fino all’orecchio interno.
L’effetto si origina, per esempio, ad una soglia densità di energia di 400 mJ/m2 per un
impulso di 10 µsec e frequenza 2450 MHz, incidente la testa di un soggetto umano e con una
soglia di 1,6 kW/kg [1].
63
4.7 Studi a livello cellulare
Tra i diversi studi sperimentali condotti per valutare gli effetti biologici delle radiazioni RF, ci
vogliamo soffermare su quelli condotti a livello cellulare. Una sintesi della struttura cellulare
degli organismi e dei suoi meccanismi di replicazione è presente in appendice A3.
4.7.1 Studi sperimentali di effetti a livello cellulare delle radiazioni RF
Le analisi su campioni cellulari sono ampiamente utilizzate nelle indagini tossicologiche. Questo
perché sono in grado di fornire informazioni essenziali circa i potenziali effetti nocivi delle
sostanze chimiche e di altri agenti fisici come le radiazioni, e di fornire un approccio più rapido e
conveniente rispetto ad analisi convenzionali con cavie animali. In laboratorio è possibile isolare
una grande varietà di tipi di cellule, che vanno dalle cellule staminali (cellule indifferenziate
fibroblasto-simili o epiteliali) a quelle altamente differenziate specifiche dei diversi tessuti.
Un’importante tipologia di cellula è quella dei linfociti umani, proprio per la sua origine umana e
la facilità con cui può essere ottenuta (ad esempio, mediante prelievo venoso). I linfociti del
sangue umano possono essere facilmente conservati per almeno 72 ore; questo è un tempo
sufficiente per compiere indagini citogenetiche22 con esposizioni ad inquinanti o alle radiazioni.
Tuttavia, questi globuli bianchi non necessariamente rispondono a sostanze chimiche o a
radiazioni nello stesso modo di altre cellule, ed anche la scelta della metodologia seguita può
influenzare fortemente i risultati di un esperimento.
Gli studi in vitro hanno dimostrato di essere utili a chiarire i meccanismi di azione di agenti
esterni, e sono predittivi per alcuni rischi per la salute e per l’insorgenza di malattie. L’aumento
della frequenze di aberrazioni cromosomiche strutturali e di micronuclei in linfociti umani di
una data popolazione sono risultati, per esempio, indicativi di un aumento di rischio di cancro,
non a livello individuale, ma a livello globale della popolazione in studio (Bonassi et al 1995,
2007; Hagmar et al 1994) [1]. Tuttavia, quando si usano sistemi di studio cellulare troppo
semplicistici per valutare la tossicità, è importante riconoscere che le cellule sono macchine
omeostatiche finemente bilanciate che rispondono a stimoli esterni attraverso percorsi complessi.
22
La citogenetica studia la morfologia dei cromosomi, per quanto visibile al microscopio ottico, e il
cariotipo, ossia l'insieme dei cromosomi di una cellula. Tramite tecniche citogenetiche è possibile
apprezzare e studiare i meccanismi di duplicazione e di segregazione dei cromosomi durante la mitosi
e la meiosi, e di analizzare le anomalie sia nella struttura dei cromosomi (anomalie cromosomiche) sia
nel loro numero (anomalie genomiche).
64
Dal momento che la tossicità di un agente esterno può essere il risultato di una moltitudine di
eventi cellulari, e poiché le colture cellulari in vitro spesso non hanno quel funzionamento
sistemico globale (come per le complesse interazioni e gli effetti del sistema immunitario, del
sistema endocrino e del sistema nervoso), è chiaro che nessun test in vitro può simulare in modo
completo il funzionamento di un organismo pluricellulare vivo.
Le indagini in vitro quindi contribuiscono in modo utile alla valutazione di tossicità e di rischio
ma da sole non bastano per arrivare a risultati certi. Questo è certamente vero anche per quanto
riguarda le indagini di effetti cellulari dalle radiazioni RF, e dovrebbe essere tenuto presente nel
valutare i dati provenienti dai diversi esperimenti in vitro. La possibilità che l'esposizione alle
radiazioni RF colpisca il DNA (in particolare dopo l'introduzione di sistemi di comunicazione
wireless come i cellulari), è stato oggetto di molte discussioni. Se fosse dimostrato che un basso
livello di esposizione a campi elettromagnetici RF induca alterazioni genetiche, questo sarebbe
certamente indicativo di un potenziale grave rischio per la salute pubblica.
Va chiarito comunque che gli effetti genetici non sono esclusivamente ed in tutti i casi predittivi
per il cancro. E’ inoltre evidente da diversi studi che molte sostanze chimiche possono
contribuire al processo cancerogeno senza indurre mutazioni.
Gli studi sui possibili effetti delle radiazioni RF a livello cellulare hanno indagato sulle funzioni
di biosegnalazione cellulare e intracellulare, sulle funzioni genetiche di espressione proteica, sul
metabolismo cellulare, sulla progressione del ciclo cellulare, sulla proliferazione e la
differenziazione, sull’apoptosi; un effetto delle RF sulle diverse vie metaboliche, potrebbe
produrre effetti biologici sulle cellule. Tuttavia se la radiazione RF agisce come un segnale
esterno, il meccanismo attraverso il quale tale segnale fisico esterno venga trasdotto in un
segnale biologico resta sfuggente. Ulteriori studi a livello cellulare sono quindi necessari per
chiarire se e come questi meccanismi possano agire. Il loro interesse è molto alto in quanto è
noto che alterazioni dei cicli e delle funzioni cellulari possono portare allo sviluppo di processi
fisiologici e patologici gravi (tumori).
Per quanto riguarda le indagini in vitro, va anche sottolineato che le modalità di esposizione alle
RF e, quindi un’appropriata valutazione dosimetria, sono fondamentali. Ad esempio, per un dato
setup di esposizione, le cellule esposte in un piatto di Petri potrebbero assorbire una SAR molto
diversa a seconda della posizione relativa nel piatto stesso.
65
4.7.2 Mutagenesi
Agenti chimici e fisici esterni possono interferire con il normale processo di divisione
cellulare, determinando delle alterazioni alla struttura del DNA; viene detto agente
genotossico un agente (chimico o fisico) in grado di creare un danno primario al DNA. Errori
nella replicazione del DNA possono avvenire anche in maniera spontanea. Per questo, e anche
perché gli agenti mutageni sono sempre esistiti (es. la radiazione solare), la natura ha previsto
che durante la replicazione del DNA, si attivino dei processi di riparazione in grado di
intervenire e di correggere eventuali errori. Se il danno prodotto è di entità tale da non essere
riparato, l’errore rimane e la cellula muore; se il danno è riparato in maniera errata, si ha una
mutazione (si parlerà quindi di agente mutageno). Le mutazioni possono essere classificate in:
1. Puntiformi: quando vi è un’alterazione nella sequenza del DNA (esempio: una timina al
posto di una citosina23).
2. Cromosomiche Strutturali: quando, a seguito di una rottura al singolo o al doppio
filamento, si ha una risaldatura illegittima, determinando un’aberrazione cromosomica
(mancanza o eccesso di una parte di cromosoma o spostamento di una parte in un punto o
in un cromosoma diverso).
3. Cromosomiche numeriche: si ha a seguito di un’errata segregazione dei cromosomi
durante la mitosi, per cui le cellule figlie si troveranno ad avere un numero di cromosomi
diverso dal normale. Contrariamente alle prime due, in cui è il DNA ad essere
danneggiato e modificato, per queste mutazioni è danneggiato l’apparato mitotico.
4.7.3 Studi sperimentali su effetti genotossici
Sono state pubblicate diverse recensioni di studi su eventuali effetti genotossici delle radiazioni
RF; la maggior parte indicano che le radiazioni RF non sono direttamente mutagene, e che
probabilmente non fanno aumentare la genotossicità di altri agenti chimici o fisici (ad esempio,
Brusick et al 1998 [26]; Verschaeve e Maes 1998 [27]; Meltz 2003 [28]; Vijayalaxmi e Obe
2004 [29]; Verschaeve 2005 [30]; McNamee e Bellier 2007).
Sono stati riportati anche risultati positivi, ma questi erano generalmente attribuiti ad ipertermia,
a possibili errori di metodo o di interpretazione dei dati. Tuttavia, a seguito di un basso livello di
esposizione (non termico), ci possono essere alcuni sottili effetti indiretti, per esempio, sulla
riproduzione e/o sulla trascrizione di geni, e alcuni nuovi studi (per esempio, REFLEX
23
Timina e citosina sono due delle possibili basi che costituiscono il DNA; per maggiori dettagli, si
veda l’appendice A2
66
2004 [32] ) hanno riaperto la discussione. Quindi, ancora non si è giunti ad una conclusione certa
e condivisa.
Sebbene siano stati eseguiti in questo campo studi di tipologia e complessità molto varie, per la
maggior parte si tratta di indagini citogenetiche, in cui vengono studiate le frequenze delle
aberrazioni cromosomiche, di scambi fra cromatidi fratelli e micronuclei. Ciò è dovuto a ragioni
storiche, e perché è noto che un elevato numero di aberrazioni cromosomiche nei linfociti umani
sono predittivi per il rischio di cancro (Hagmar et al 1994 [33]; Bonassi et al 1995 [34]).
Recentemente, sono state presentate prove che indicano che questo è probabilmente vero anche
per elevate frequenze di micronuclei nei linfociti (Mateuca et al 2006 [35]; Bonassi et al
2007[36]). Pertanto, questi indicatori possono essere utilizzati per identificare potenziali rischi di
cancro ben prima della manifestazione clinica della malattia. Tuttavia, i metodi citogenetici
possono rivelare gravi danni genetici ma non sono in grado di rilevare la maggior parte dei sottili
effetti indiretti che potrebbero essere indotti dalle radiazioni RF. Il miglioramento dei metodi
esistenti o l’impiego di nuove tecnologie più sensibili sono quindi di grande importanza per
arrivare a conclusioni più certe.
Tra i vari test per valutare il livello di effetti mutageni vi è il test della cometa, introdotto una
ventina di anni fa (Singh et al 1988) [37] [1]. In questa tecnica le cellule sono mescolate con gel
di agarosio e lasciate diffondere su un vetrino da microscopio. Le cellule sono lisate in un
ambiente con elevate concentrazioni saline e con detergenti, il DNA nucleare è quindi denaturato
e sottoposto a elettroforesi in una soluzione tampone; i frammenti di DNA migrano fuori dal
nucleo verso il polo positivo. Quindi si viene a formare una figura simile ad una cometa che può
essere visualizzata dopo la colorazione con un fluorocromo. Un sistema di analisi delle immagini
può essere usato per misurare attraverso vari parametri l’entità dei danni genetici, come per
esempio la lunghezza della coda della cometa il contenuto di DNA in coda. I principali vantaggi
di questo test sono la maggiore sensibilità rispetto ai test citogenetici e la possibilità di
esecuzione su praticamente tutte le cellule che contengono il DNA (anche cellule non
proliferanti). Inoltre, si possono analizzare singole cellule, e questo è un vantaggio in termini di
identificazione di sottopopolazioni che rispondono in modo diverso ai trattamenti citotossici o da
esposizione. Il test della cometa è di solito eseguito in una delle due varianti. Il test della cometa
in ambiente alcalino può essere utilizzato per rilevare la combinazione di rotture del DNA a
singolo filamento (SSBs), rotture a doppio filamento (DSB) e siti alcali-labili nel DNA. La
seconda procedura è eseguita in ambiente neutro e rileva prevalentemente rotture del DNA a
doppio filamento (Olive e Banáth 2006)[1]. Il test della cometa, malgrado diversi vantaggi
rispetto ad altre tecnologie, presenta anche una serie di limitazioni che possono ostacolare
67
l'interpretazione dei risultati. Il metodo non è ancora completamente convalidato. Le procedure
standard prevedono di analizzare solo 50 comete, e questo potrebbe non essere sufficiente se vi
è una notevole eterogeneità nei danni al DNA all'interno di una popolazione. Come indicato da
Olive e Banáth (2006) [1] l'interpretazione dei risultati del test della cometa è complicato dal
fatto che non esiste una relazione semplice tra la quantità di danni al DNA causati da un agente
specifico e l'impatto biologico di tale danno.
Ogni agente mutageno può differire in termini di numero di rotture del DNA che sono associati a
un dato effetto biologico. È quindi necessario un confronto con altre tipologie di test per poter
valutare la rilevanza biologica del danno. In altre parole, il test della cometa è diventato uno
strumento importante per valutare il danno al DNA, ma l'interpretazione dei risultati non è
sempre facile, e considerato da solo, potrebbe portare a risultati fuorvianti.
Per questo motivo ulteriori nuove tecnologie potrebbe acquisire importanza nei prossimi anni.
Una di queste tecnologie può essere la rilevazione dell’istone γ H2AX fosforilato (Huang X et al
2005) [1]. Uno dei primi segni di una rottura del DNA a doppio filamento negli eucarioti è la
fosforilazione dell’istone H2AX per creare γ-H2AX contenente nucleosomi (Rogakou et al
1998)[1]. L’γ-H2AX è essenziale per il riconoscimento efficiente e per la riparazione del DNA
da rotture a doppio filamento. Il γ-H2AX fosforilato può essere visualizzato con l'uso di
anticorpi specifici con etichette fluorescenti e direttamente conteggiato con un microscopio a
fluorescenza.
Un altro test molto utilizzato per la sua semplicità e di cui parleremo più in dettaglio nel
prossimo paragrafo è il test dei micronuclei; le cellule esposte vengono osservate al microscopio
e la frequenza dei micronuclei può dare una stima dell’effetto genotossico.
Test di varia natura e tipologia sono stati eseguiti su cellule procariote ed eucariote; in appendice
A05 una sintesi dei risultati di queste ricerche, tratte da una recensione dell’ICNIRP [1].
4.7.4 Test dei micronuclei
Il test dei micronuclei è un test di mutagenesi che consente di osservare eventuali effetti
nell'interfase causati da agenti mutageni. Il micronucleo è un frammento di materiale
cromosomico (o anche un intero cromosoma), che rimane separato dal nucleo a seguito di
un’aberrazione cromosomica, strutturale o numerica. I micronuclei appaiono al microscopio
come dei piccoli nuclei accessori, morfologicamente simili a quelli normali; dunque tondi, ma
di dimensioni notevolmente ridotte. Infatti per essere considerati dei veri e propri micronuclei,
generalmente non devono superare un terzo delle dimensioni del nucleo principale.
68
Effettuando un'analisi statistica sui risultati ottenuti (confrontandoli con un controllo costituito
da un organismo non sottoposto al mutageno) è possibile determinare l'effetto della sostanza
mutagena.
Figura 4.6 Formazione di micronuclei in
cellule sottoposte ad un agente mutageno
Il test dei micronuclei risulta semplice ed efficace nella stima del potenziale mutageno di
agenti presenti nell’ambiente; esso risulta facilmente applicabile a diversi sistemi biologici sia
in vivo che in vitro. I micronuclei sono facilmente identificabili nell’osservazione al
microscopio, e questa può essere svolta anche da personale non particolarmente specializzato;
il danno mutageno può avvenire in qualsiasi momento del ciclo di vita cellulare precedente,
ed i suoi effetti possono essere osservati sotto forma di micronuclei già dopo un solo ciclo di
divisione cellulare. È possibile eseguire il test dei micronuclei sia in cellule germinali che
somatiche. La formazione dei micronuclei, subordinata alla condizione di proliferazione del
tessuto, può essere rilevata anche in cellule che hanno appena lasciato la fase di proliferazione
e procedono verso il differenziamento.
4.7.5 Scelta del sistema biologico
Tra i sistemi vegetali gli organismi maggiormente utilizzati nei test di mutagenesi, vi sono Vicia
faba, Allium cepa e Tradescantia. Questi test richiedono l'utilizzo di cellule proliferanti; negli
organismi vegetali suddetti vengono generalmente utilizzati gli apparati radicali.
Nell’esperimento realizzato per questo lavoro di tesi, sono state utilizzate le cellule degli apici
radicali secondari di Vicia faba. Questa pianta, appartenente alle leguminose, è dotata di
specifiche caratteristiche:
•
sensibilità agli effetti delle diverse categorie di agenti mutageni ed elevata sensibilità anche a
dosi estremamente basse di raggi X (Rizzoni et al., 1987 [38]);
•
cariotipo estremamente favorevole, caratterizzato dalla presenza di 12 cromosomi facilmente
distinguibili, cioè una coppia di cromosomi metacentrici e cinque coppie di cromosomi
acrocentrici (Dobel et al., 1973 [39]);
69
•
ampia letteratura disponibile sull’applicazione dei saggi di mutagenesi con protocolli
standardizzati;
•
ampio numero di cellule proliferanti analizzabili dagli apici secondari di ciascuna piantina;
Inoltre risultano vantaggiose le condizioni di:
•
facile reperibilità e facilità di conservazione dei semi;
•
tempi di germinazione brevi;
•
bassi costi di utilizzo.
L’utilizzo di sistemi vegetali per i test di mutagenesi è possibile data la profonda somiglianza
nell’organizzazione dei cromosomi fra piante e animali.
In figura 4.2 è riportato il risultato di uno studio condotto su apici di Vicia faba esposti a dosi
crescenti di radiazioni ionizzanti; si nota l’andamento crescente della frequenza di micronuclei
rispetto alla dose di RI, indice di evidenti effetti mutageni.
Figura 4.2 Frequenza media (±ES) di micronuclei (MN) in 1000 cellule
indotti da basse dosi di raggi X; la media è stata valutata in 50 (controllo,
1R, 2R) ed in 25 (4R, 8R, 12R) apici, con 1000 cellule per apice; [38]
70
5 ESPERIMENTO
5.1 Apparati sperimentali per l’esposizione alle RF – camera
anecoica
Nello studio dell’interazione del campo elettromagnetico ad alta frequenza con i sistemi
biologici, la qualità dell’esperimento dipende dalla modalità di esposizione del campione. Un
sistema di buona esposizione deve generare un campo elettromagnetico controllato con la
stessa intensità per tutti i campioni biologici. Le soluzioni tecniche per realizzare un volume
con condizioni controllate di campo e.m. possono essere diverse, ma le più utilizzate sono
essenzialmente due: la cella TEM e la camera anecoica.
La camera anecoica è un ambiente chiuso, realizzato con pareti speciali, in grado di impedire
la riflessione delle onde e.m. Le pareti sono ricoperte da strutture piramidali di materiali
fortemente assorbenti per la radiazione RF (vedi figura 5.1).
Figura 5.1 Camera Anecoica
L’oggetto in esame viene posto su di un supporto di legno o di plastica (materiali trasparenti
al segnale elettromagnetico), e quindi esposto alla radiazione RF emessa da un’antenna. Se
un’altra radiazione, ad esempio riflessa dalle pareti investisse l’oggetto, non sarebbe possibile
discriminare l’effetto dovuto alla sola onda incidente. La camera anecoica realizza quindi
delle condizioni di propagazione simili a quelle dello spazio libero indefinito.
Uno dei principali inconvenienti per l’uso della camera anecoica è il costo abbastanza elevato
per la sua realizzazione, specialmente per camere di grandi dimensioni. Bisogna inoltre
sottolinare come il campo e.m. emesso dalle antenne sia decisamente non uniforme,
71
specialmente vicino all’antenna24; per avere condizioni di propagazione uniformi simili a
quelle di un’onda piana, bisogna porsi ad una certa distanza dall’antenna, costringendo quindi
ad aumentare dimensioni e costi della camera anecoica.
Una soluzione alternativa per l’esposizione alle radiazioni RF è rappresentata dalla cella
TEM; per la sua semplicità di realizzazione, per il suo basso costo, per la maggiore facilità di
utilizzo la preferiamo alla camera anecoica per la realizzazione dell’esperimento.
5.2 Cella TEM – caratteristiche generali
La cella TEM (Transverse Electro Magnetic) o cella di Crawford (dal nome del suo inventore
1974 [40]) è un dispositivo che, opportunamente alimentato, è in grado di generare al suo
interno valori noti di campo e.m. L’onda generata si propaga nella cella in modo trasverso e
con le caratteristiche di un onda piana; diversamente da una guida d’onda, il campo e.m.
all’interno risulta essere uniforme (a parte gli effetti di bordo).
La struttura geometrica di una cella TEM è simile a quella di un cavo coassiale, in cui i
conduttori si allargano diventando delle superfici piane, simili a quelle di un condensatore; ne
risultano tre conduttori piani, i due esterni collegati tra loro alle estremità, e uno al centro, di
larghezza leggermente inferiore ai primi due (vedi figura 5.2).
Figura 5.2 Struttura di una cella TEM
Alle due estremità sono posti due connettori coassiali; di questi uno viene collegato ad un
generatore di segnale RF, per alimentare la cella, l’altro solitamente è chiuso su un carico
adattato (per evitare la riflessione del segnale e.m.).
I campi che si generano all’interno della cella risultano perpendicolari tra loro e alla direzione
di propagazione (modo Trasverso Elettro Magnetico); nella figura 5.3 sono rappresentate le
linee di forza dei campi elettrico E (in rosso) e magnetico B (in verde), nella cella TEM vista
in sezione.
24
Vedi appendice A1
72
Figura 5.3 Linee di forza del campo
elettrico E (in rosso) e del campo magnetico
B (in verde) all’interno di una cella TEM
La struttura della cella TEM è fatta in modo da permettere che l’impedenza vista dall’onda
che si propaga sia costante. Tale impedenza dipende dai parametri geometrici della cella;
solitamente si fa in modo che abbia un valore di 50Ω, in modo che la cella risulti adattata ai
cavi e agli altri dispositivi elettronici normalmente utilizzati.
Nella cella TEM l’impedenza è legata alla larghezza del piatto centrale (indicato con w nella
figura 5.4) rispetto all’altezza che separa i piatti della struttura. Se il rapporto a/b è mantenuto
costante la cella diviene una linea di trasmissione ed al centro siamo in situazione di
propagazione TEM ideale (onda piana tra due conduttori).
Figura 5.4 Sezione trasversale di una cella TEM;
a larghezza dei piatti esterni, b distanza tra i due piatti esterni,
w larghezza del piatto centrale, t spessore del piatto centrale
L’impedenza caratteristica della cella può essere calcolata tramite la 5.1 [41]
Z C (Ω ) =
94,15

εr ⋅
w
(
 2d ⋅ 1 − t
2d

)
+


0,0885ε r 

Cf
(5.1)
dove εr è la costante dielettrica relativa dell’isolante all’interno della cella (solitamente aria,
quindi εr =1), w è la larghezza del piatto centrale e t il suo spessore, d = b/2 è la distanza tra il
piatto centrale e uno di quelli esterni, Cf = 0,053 pF/cm.
73
Tramite un wattmetro posto a monte della cella, è possibile misurare la potenza in ingresso, e
da questa calcolare con la 5.2 il campo elettrico (uniforme) [41] [42]:
E=
P ⋅ ZC
b2
(5.2)
dove P è la potenza immessa nella cella, e ZC è l’impedenza caratteristica della cella TEM
Per un corretto funzionamento della cella (e affinchè sia garantito un campo TEM uniforme al
suo interno), esiste una relazione che deve essere rispettata nelle dimensioni della cella [42]
[43]. Infatti, in corrispondenza di determinate frequenze caratteristiche (di risonanza) possono
attivarsi modi di ordine superiore, caratteristici di una guida d’onda (modi TE e modi TM);
l’attivazione di tali modi rende non uniforme la propagazione dell’onda e.m. all’interno della
cella, e determina inoltre la formazione di un’onda regressiva, rilevabile come potenza riflessa
all’ingresso alla cella. I valori delle frequenze di taglio sono inversamente proporzionali alla
larghezza della base della cella TEM. Celle di grandi dimensioni devono essere usate quindi
solo a basse frequenze, mentre celle piú piccole possono essere usate fino a frequenze piú
elevate, per fare in modo che il dispositivo si comporti come un cavo coassiale e non come
una guida d’onda.
Ci sono soluzioni numeriche per determinare la frequenza di cut-off normalizzata del primo
modo
di ordine superiore in funzione della larghezza del conduttore interno. Tuttavia,
determinare in modo esatto le frequenze di risonanza di una cella non è banale, in quanto le
sezioni coniche terminali influenzano in maniera diversa i diversi modi di ordine superiore.
Poiché una cella TEM è una cavità ad alto fattore di merito Q25, le risonanze di ordine
superiore appaiono in una banda molto ristretta intorno ai valori caratteristici di risonanza. Per
questo è possibile prevedere delle finestre tra i livelli di risonanza in cui l'utilizzo della cella
TEM è ancora valido. In che misura queste strutture siano utilizzabili in tali intervalli di
frequenza dipende molto dalla particolare applicazione per la quale la cella è in uso. La
frequenza di taglio (cut-off) per il modo TE10, solitamente definita come primo modo di
ordine superiore (first high order mode), può essere calcolata con la 5.3 [42]
( f c )1,0 =
c
2a
(5.3)
dove c è la velocità della luce, a la larghezza della cella;
25
Il fattore di merito Q è un parametro dal quale dipende l’ampiezza del picco di risonanza; ad un Q
alto corrisponde una fascia stretta di frequenze in cui si verificano effetti di risonanza
74
la 5.4 permette di calcolare le altre frequenze di taglio di ordine superiore.
( f c )m,n
=
c (b 2 m 2 + a 2 n 2 )
2ba
(5.4)
Vi è da sottolineare che i valori calcolabili con queste formule si riferiscono alla cella vuota;
inserendovi un oggetto all’interno, viene a crearsi una deformazione di campo; ci si trova
infatti di fronte ad un cavo coassiale parzialmente riempito e che presenta quindi due diverse
costanti dieletriche (ε0 per lo spazio libero e εr dell’oggetto). Viene a mancare quindi
l’uniformità del mezzo di propagazione dell’onda piana (condizione affinché si abbia un
modo TEM).
Per evitare che tali effetti compromettano drasticamente il modo di propagazione TEM,
l’oggetto immesso nella cella non dovrebbe superare in altezza 1/3 della distanza tra il piatto
centrale e quello sulla base.
Un’analisi piú dettagliata del campo sull’oggetto si può ottenere ricorrendo a simulazioni con
metodi numerici (per esempio il metodo alle differenze finite nel dominio del tempo, utile in
quanto si hanno condizioni al contorno ben definite essendo le pareti metalliche).
5.3 Caratteristiche e taratura della cella TEM utilizzata per
l’esperimento
La cella TEM utilizzata per questo esperimento è stata realizzata seguendo le indicazioni di S.
M. Satav e V. Agarwal [41]; per la sua realizzazione, si sono utilizzate delle lastre di vetronite
biramata saldate tra di loro. In figura 5.5 sono riportate le caratteristiche geometriche della
cella.
a = 300 mm
b= 180 mm
w = 214 mm
t = 3mm
Figura 5.5 Caratteristiche geometriche della cella TEM utilizzata negli esperimenti
75
Diversamente dalle celle TEM tradizionali, questa cella è stata realizzata senza pareti laterali,
risultando più semplice e leggera, e permettendo un più comodo inserimento dei campioni
all’interno. Di contro, la mancanza delle pareti laterali non garantisce una totale schermatura
ai campi esterni. Inoltre le letture di potenza (in ingresso e riflessa), non permetteranno
un’accurata stima della potenza eventualmente assorbita nella cella, non potendo disporre di
una misura della potenza dispersa ai lati della cella.
Satav e Agarwal garantiscono il funzionamento della cella fino a 1GHz; in realtà, utilizzando
la 5.3, dalle dimensioni della cella, si deduce una prima frequenza caratteristica già a
500MHz. Per valutare la possibile presenza di modi di propagazione diversi da quello TEM
nelle prove sperimentali da condurre sulle piantine di Vicia faba, sono state eseguite alcune
misure preliminari sulla cella TEM, facendo più prove con segnali di alimentazione a
frequenze diverse nell’intorno di 915 MHz. Le misure di potenza riflessa permettono di
escludere la presenza di modi di propagazione diversi da quello TEM, e di ritenere, almeno
per la cella vuota, sufficientemente uniforme il campo all’interno.
L’impedenza caratteristica, calcolata tramite la formula 5.1, risulta ZC = (52±2) Ω.
Anche per la stima di ZC le misure preliminari fatte in laboratorio, indicando una potenza
riflessa pari a zero, permettono di escludere un eventuale disadattamento tra l’impedenza
caratteristica della cella e quella delle altre apparecchiature utilizzate (tutte a 50Ω) possa
generare effetti significativi.
5.3.1 Alimentazione della cella TEM
La cella TEM è stata alimentata secondo lo schema mostrato in figura 5.6.
Figura 5.6 Schema di alimentazione della cella TEM
Il generatore di segnale genera una tensione sinusoidale di ampiezza e frequenza assegnate;
per il nostro esperimento si è scelto un segnale CW a 915 MHz (frequenza di uplink dei
cellulari con tecnologia GSM). Poiché il segnale in uscita dal generatore è di bassa potenza,
esso va amplificato tramite un amplificatore (specifico per alte frequenze); il wattmetro
misura la potenza in ingresso alla cella TEM e l’eventuale potenza riflessa dalla cella.
In tabella 5.1 sono riportate le specifiche della strumentazione utilizzata.
76
Tabella 5.1 Caratteristiche della strumentazione utilizzata per la prova
Generatore
Amplificatore
Wattmetro
Agilent ESG-A and ESG-D RF Signal Generators E4420B
Range di frequenza 250 kHz to 2 GHz; Resolution 0,01 Hz
Output: +10 to –136 dBm 26; Resolution 0,02 dB
Impedenza interna 50 Ω
Mini-Circuits
ZHL-5W-2G+ 50Ω 5W
Range di frequenza 800 - 2000kHz
Guadagno tipico 45 dBm (da 40 a 50 dBm)
DAIWA
CN 801 G
Range di frequenza: 900 – 1300 MHz
Range di potenza 2 – 20 W
Tolleranza ±10% a fondo scala
Impedenza di ingresso 50 Ω
Cella TEM
Vedi figura 5.5
Cavi
Cavi coassiali 50 Ω
Connettori
tipo n
Oscilloscopio
Tektronix TDS 684A oscilloscopio digitale
Banda passante 1 GHz
Impedenza di ingresso 50 Ω
Tutto il sistema (generatore, cavi di collegamento, carico finale in uscita alla TEM) è adattato
per funzionare con un’impedenza di 50 Ω; se uno solo dei componenti avesse un’impedenza
diversa, si creerebbe un’onda regressiva, rilevabile sul wattmetro come potenza riflessa; una
serie di misure preliminari, fatte a frequenze diverse con la cella vuota, ha escluso la presenza
di riflessioni nel sistema.
26
Il dBm è un’unità di misura molto utilizzata in elettronica; 0 dBm corrisponde ad 1 mW; in generale
si ottiene il valore di potenza in dBm utilizzando la formula 5.6; la conseguenza di questo tipo di
misura è quello di avere una scala di tipo logaritmico, dove un aumento di 10 dBm corrisponde a
moltiplicare per 10.
77
5.3.2 Taratura del wattmetro
Per le misure di potenza in ingresso ed in uscita dalla cella TEM si è utilizzato un wattmetro
per alte frequenze, le cui caratteristiche sono riportate in figura 5.7.
DAIWA
CN 801 G Type
Range di frequenza: 900 – 1300 MHz
Range di potenza 2 – 20 W
Tolleranza ±10% a fondo scala
Impedenza di ingresso 50 Ω
Figura 5.7 Caratteristiche del Wattmetro ad alta frequenza utilizzato nelle misure
Prima di procedere alle misure per l’esperimento, si è proceduto ad una taratura preliminare
del wattmetro; per tale scopo, si è utilizzato un oscilloscopio digitale (TDS 684A)27.
L’oscilloscopio però, ha una banda passante limitata, e per una corretta misura a 915 MHz, si
è fatta prima un’analisi in frequenza del comportamento dell’oscilloscopio.
Figura 5.8 Schema di alimentazione dell’oscilloscopio
Si è impostato un valore fisso per l’ampiezza del segnale del generatore, e si sono fatte una
serie di misure variando la frquenza da 100 MHz a 1000 MHz; per ciascuna frequenza si è
misurata sull’oscilloscopio l’ampiezza (picco picco) in tensione dell’onda sinusoidale; dal
valore di tensione, si è ricavata la potenza teorica in Watt e in dBm su un’impedenza di 50 Ω
(impedenza di ingresso dell’oscilloscopio).
P=
V2
50
P[dBm] = 10 log(P[mW ])
27
A questo scopo sarebbe stato più utile un analizzatore di spettro.
78
(5.5)
(5.6)
Tabella 5.2 Valori di tensione letti sull’oscilloscopio per varie frequenze in corrispondenza di un
valore costante di ampiezza del segnale in ingresso; dal valore di tensione letto sull’oscilloscopio sono
calcolati i valori (teorici) di potenza in Watt ed in dBm
Generatore E4420B
Oscilloscopio TDS 684A
P = 10dBm Ri = 50Ω
Rc = 50 Ω
f (MHz)
Vrms (V)
P (mW)
P(dBm)
100
0,718
10,3
10,1
200
0,700
9,8
9,9
300
0,672
9,0
9,6
500
0,601
7,2
8,6
700
0,537
5,8
7,6
900
0,516
5,3
7,3
915
0,516
5,3
7,3
1000
0,520
5,4
7,3
Confrontando i valori a 100 MHz ed a 915 MHz, possiamo stimare l’attenuazione
dell’oscilloscopio sulla misura di potenza. È necessario però tenere conto anche
dell’attenuazione del cavo coassiale di collegamento; questa si può considera trascurabile a
100MHz, mentre è stata misurata a 915 MHz ed è pari a 0,5 dBm; ricaviamo quindi
l’attenuazione della misura data dall’oscilloscopio a 915 MHz pari a 2,3 dBm (10,1 – 7,3 –
0,5); tale valore è coerente con la banda passante di 1GHz dell’oscilloscopio.
Il passo successivo è stato quello di fare delle misure a potenza maggiore (utilizzando anche
l’amplificatore), andando a variare la potenza sul generatore di funzioni, e prendendo la
misura una volta sull’oscilloscopio (secondo lo schema in figura 5.9) ed un’altra sul
wattmetro (figura 5.10), per poterne poi fare un confronto.
Figura 5.9 Schema di alimentazione dell’oscilloscopio
con amplificatore
79
Figura 5.10 Schema di alimentazione del wattmetro con
amplificatore
I valori di tensione letti sull’oscilloscopio sono stati trasformati in potenza tramite la formula
5.6 (considerata una resistenza di ingresso pari a 50Ω), convertiti in dBm, corretti tramite il
fattore di conversione calcolato precedentemente e pari a 2,3 dBm, riconvertiti in Watt, e
quindi confrontati con i valori letti sul wattmetro.
Tabella 5.3 Confronto tra i valori di potenza ricavati dalla lettura dell’oscilloscopio ed i valori rilevati
sul wattmetro
Generatore E4420B
Oscilloscopio TDS 684A
Ri = 50 Ω
Rc = 50 Ω
Wattmetro
P corretto
P corretto
dBm
f (MHz)
Vrms (V)
P (mW)
P (dBm)
dBm
(W)
Potenza (W)
-25
915
1,329
35,3
15,5
17,8
0,060
0,045
-20
915
2,234
99,9
20,0
22,3
0,170
0,14
-18
915
2,687
144,4
21,6
23,9
0,245
0,22
Il confronto tra le misure è stato possibile solo per valori bassi della scala di lettura del
wattmetro, in quanto potenze più alte applicate sulla resistenza di ingresso dell’oscilloscopio
ne avrebbero causato la rottura.
Facendo il confronto sulla terza misura si osserva uno scostamento tra i due valori del 10%
circa, in linea con le indicazioni fornite dal costruttore del wattmetro (10% a fondo scala).
Ne concludiamo che il wattmetro risulta conforme alle specifiche del costruttore, e garantisce
una misura corretta nei limiti del 10%; tale errore non è eccessivo per gli esperimenti da
condurre in questa tesi.
80
5.4 Procedura sperimentale
5.4.1 Preparazione del sistema biologico e germinazione
Per l’esperimento vengono utilizzate piantine di Vicia faba esposte in condizioni controllate a
RNI a radio frequenze nella cella TEM. La preparazione delle piantine ha seguito un
protocollo standard negli esperimenti biologici. I semi di Vicia faba sono stati posti per 20
minuti in una soluzione di ipoclorito (comune candeggina) diluita al 50%, in modo tale da
poter eliminare eventuali spore e muffe dal tegumento. Sciacquati con acqua di fonte e fatti
reidratare per 24 ore, sono stati sistemati in contenitori riempiti con argilla espansa, versando
una quantità di acqua sufficiente a mantenere i semi costantemente bagnati. Successivamente i
contenitori sono state poste in un armadio termostato a 20°C per alcuni giorni, fino al
momento in cui la radice primaria aveva raggiunto una lunghezza di 1-2 centimetri. A questo
punto per favorire lo sviluppo delle radici secondarie abbiamo eliminato l’apice della radice
primaria rimuovendo anche la cuticola esterna.
Figura 5.11 Esempi di semi di Vicia faba lasciati in
armadio termostatato (20°C) per la germinazione per
tempi crescenti (da 3 a 7 giorni). La dimensione
ideale delle radici primarie da utilizzare (tagliare)
per la germinazione delle secondarie è quella
intermedia (4° e 5° seme). Barra = 1 cm.
Successivamente i semi germogliati di Vicia faba sono stati sistemati in 2 vaschette di plastica
trasparente; ogni vaschetta ha dimensioni 114x52x50 mm, ed è stata riempita con acqua di
fontana per un’altezza di circa 35 mm; sul pelo dell’acqua è stato sistemato un supporto forato
di plastica sottile, che ha permesso di sostenere i germogli lasciandoli in contatto con l’acqua
ma impedendo che vi sprofondassero; ogni vaschetta conteneva un numero di semi variabile
dalle 30 alle 40 unità, per un totale di circa 70 semi; l’alto numero di semi è stato necessario
per avere un numero di apici secondari sufficientemente alto per i trattamenti successivi.
81
Figura 5.12 Germogli di Vicia faba sistemati nelle vaschette
con le quali saranno esposti alle RNI
Le vaschette sono state sistemate nuovamente nell’armadio termostato a 20°C per qualche
altro giorno mantenendole al buio, ottenendo in questo modo un numero sufficiente di
radichette secondarie aventi una lunghezza di circa 5 mm.
5.4.2 Esposizione alla radiazione RF
La cella TEM è stata sistemata in posizione verticale all’interno di un armadio termostato a
20°C, e collegata con le altre apparecchiature per la sua alimentazione secondo lo schema di
figura 5.6. Le due vaschette contenenti i semi germogliati di Vicia faba sono state quindi
posizionate al centro della cella TEM, come mostrato nelle figure 5.13 e 5.14.
Figura 5.6 Schema di alimentazione della cella TEM con wattmetro in ingresso
82
Figura 5.13 Sistemazione delle 2 vaschette con i semi di
Vicia faba nella cella TEM, inserita a sua volta all’interno
dell’armadio termostatato
Figura 5.14 Sezione trasversale della cella TEM con
le 2 vaschette posizionate all’interno
83
La cella TEM è stata quindi alimentata con un segnale sinusoidale CW (Continuos Wave) di
frequenza f = 915 MHz; potenza impostata sul generatore -10 dBm. Il wattmetro (in ingresso
alla TEM secondo lo schema mostrato in figura 5.6) ha dato le seguenti letture: potenza in
ingresso Pi = 1,53 W; potenza riflessa Pr = 0,07 W.
Posto invece in uscita alla cella TEM (figura 5.15), il wattmetro ha fornito le seguenti misure:
potenza in uscita Pout = 0,3 W (con le 2 vaschette colme di acqua e semi), Pout0 = 1,175 W con
la cella vuota; in entrambi i casi la potenza riflessa era naturalmente nulla, essendo il
wattmetro chiuso su un carico a 50 Ω e quindi adattato alla cella.
Figura 5.15 Schema di alimentazione della cella TEM con wattmetro in uscita
Dai valori di potenza misurati è possibile calcolare l’intensità del campo elettrico e la potenza
specifica dell’onda em all’interno della cella TEM vuota; tramite la 5.2 si ottiene:
Pm ⋅ Z C
E=
b2
= (93 ± 7 )
V
m
intensità del campo elettrico
dove Pm = 1,35 W è la media tra Pin e Pout0 e ZC = (52±2) Ω è l’impedenza caratteristica della
cella.
Tramite la 2.5 è possibile calcolare l’intensità della radiazione:
I=
E2
W
= (23 ± 3) 2
Z0
m
dove Z0 = 377 Ω è l’impedenza caratteristica nel vuoto (e nell’aria).
Il valore del campo elettrico all’interno della cella è stato scelto in modo da essere dello stesso
ordine di grandezza dei valori che si possono misurare in prossimità dell’antenna di un
cellulare (vedi paragrafo 2.6.2 e tabella 2.9). Inoltre, come vedremo nel paragrafo 5.6, il
valore scelto per l’alimentazione della cella condurrà ad una misura della SAR delle piantine
confrontabile con quella fornita dai costruttori dei cellulari ([8] [44]).
I semi delle due vaschette sono stati esposti alle radiazione e.m. dentro la cella TEM con
tempi diversi, per poter osservare possibili differenze nello sviluppo di effetti mutageni; i
tempi di esposizione sono stati 24 h e 72h. Quando la prima vaschetta è stata rimossa (dopo
24 ore), è stata sostituita con un’altra vaschetta simile (contenente quindi anch’essa acqua e
84
semi), per non alterare la simmetria all’interno della cella, e lasciare i semi della seconda
vaschetta nelle stesse condizioni iniziali. Metà degli apici della prima vaschetta sono stati
fissati al termine dell’esposizione (24h), l’altra metà dei germogli è stata lasciata nella
vaschetta e riposta in un altro armadio termostatato; gli apici rimanenti sono stati fissati
insieme agli apici della seconda vaschetta, al termine dell’esposizione a 72h.
Riassumendo, abbiamo i seguenti tre trattamenti:
1. vaschetta 1: esposizione di 24h, con fissaggio a 24h: trattamento 24h/24h;
2. vaschetta 1: esposizione di 24h, con fissaggio a 72h; trattamento 24h/72h;
3. vaschetta 2: esposizione di 72h, con fissaggio a 72h; trattamento 72h/72h;
Poiché il ciclo di vita cellulare della Vicia faba è di circa 22 ore, la formazione di micronuclei
a seguito di un eventuale effetto mutageno delle radiazioni non avverrebbe subito, ed è
necessario attendere un tempo almeno pari a quello del ciclo cellulare. Se un effetto mutageno
fosse presente, ci aspetteremmo un aumento nella frequenza di micronuclei nel primo
trattamento, una diminuzione nel secondo rispetto al primo (nelle 48h successive
all’esposizione, le cellule continuerebbero a moltiplicarsi, “diluendo” gli eventuali
micronuclei formatisi nelle prime 24h), ed un aumento nel terzo trattamento.
5.4.3 Fissaggio, colorazione e allestimento dei vetrini
Il fissaggio degli apici radicali è avvenuto in due momenti diversi, come si evince dal
sommario del paragrafo precedente: un primo fissaggio è avvenuto a 24 ore dall’inizio
dell’esperimento, ed un secondo a 72 ore. Da ciascun seme sono state rimosse le radici
secondarie; queste sono state quindi immerse in una soluzione di fissaggio, costituita da tre
parti di etanolo e una parte di acido acetico; dopo 30 minuti il fissativo vecchio è stato
sostituito con uno nuovo (con la stessa composizione); sistemate in un termostato a 4°C, le
radici sono rimaste in questo fissativo fino al momento della colorazione.
Per la colorazione è stato utilizzato il metodo di Feulgen: i campioni fissati sono stati
reidratati in acqua di fonte e successivamente immersi a bagnomaria, per 10 minuti, in una
soluzione precedentemente riscaldata a 60°C di HCl 1N (digestione della parete cellulare e
blanda idrolisi del DNA). Infine l’HCl è stato sostituito con il reattivo di Schiff, che abbiamo
lasciato agire al buio per 45 minuti e a temperatura ambiente, al termine dei quali sono stati
85
allestiti i vetrini. Asciugate le radichette e posizionate su un vetrino portaoggetti abbiamo
tagliato l’apice, colorato più intensamente28, eliminando il resto della radichetta.
Su ciascun vetrino sono stati adagiati un numero di apici variabile da 6 a 12 (a seconda
dell’esperienza dell’operatore nel gestire gli spazi sul vetrino), ponendo su ogni apice una
goccia di acido acetico al 45% in modo da evitarne l’essiccamento durante l’operazione.
Successivamente abbiamo poggiato il vetrino coprioggetto sugli apici e, esercitando una
leggera pressione in corrispondenza di ogni apice, abbiamo effettuato lo schiacciamento,
ottenendo così un monostrato di cellule; in ultimo i vetrini sono stati immersi in azoto liquido,
per l’eliminazione del vetrino coprioggetto, facendo uso di un bisturi con un movimento
rapido e deciso della lama. Dopo essiccamento all’aria del preparato, il vetrino è stato
montato permanentemente con resina (DPX). Al termine delle operazioni ciascun apice
appariva come una macchiolina rossastra un pò sfumata (figura 5.16); ciascuna di queste
macchioline contiene un numero molto elevato di cellule, sicuramente molto superiore a
quello necessario per l’osservazione (che sarà fissato a 5000 cellule).
Figura 5.16 Vetrino con 10 apici pronto per l’osservazione al microscopio
28
La parte terminale della radice è quella che contiene il maggior numero di cellule meristematiche,
che sono cellule ancora indifferenziate in grado di dividersi per mitosi originando nuove cellule; la
loro funzione è paragonabile a quella delle cellule staminali negli animali. Considerata la sua elevata
attività mitotica, il tessuto meristematico è quello a cui siamo maggiormente interessati per osservare
eventuali danni mutageni.
86
5.5 Osservazione dei vetrini
5.5.1 Il metodo di osservazione
L’osservazione dei vetrini è stata fatta con un microscopio ottico LEICA, con un
ingrandimento 400X; in figura 5.17 è riportato un esempio di campo visivo osservabile al
microscopio.
Figura 5.17 Campo visivo al microscopio
Per il conteggio dei micronuclei si è seguita una procedura standard, che prevede
l’osservazione di 5000 cellule29 per ciascun apice osservato; oltre al numero di micronuclei,
sono state conteggiate le mitosi presenti per garantire un’osservazione omogenea su cellule
con un’attività proliferante30 simile. Nel conteggio delle mitosi sono incluse solo quelle che
appaiono più certe, quindi sono escluse le profasi precoci e le telofasi avanzate.
Il campo visivo che si offre al microscopio è piuttosto vario; in particolare può risultare molto
diversa la densità delle cellule presenti, e per questo è necessario conteggiare direttamente e
manualmente per ciascun campo visivo il totale delle cellule presenti. Questa operazione può
risultare molto complicata, se non impossibile, per chi non riesce a tenere nella propria
memoria visiva le cellule già contate, rischiando quindi di contarle due volte; per evitare tale
29
In realtà con la colorazione fulgen quello che si osservano al microscopio sono i nuclei delle cellule;
la colorazione agisce infatti sul materiale cromosomico, facendolo apparire di un rosso – fucsia
caratteristico
30
L’attività proliferante indica quanto velocemente le cellule si riproducono, e può essere stimata dalla
frequenza di mitosi; è evidente che anche la frequenza di micronuclei sia direttamente proporzionale
all’attività proliferante, per questo è necessario avere condizioni di omogeneità proliferativa nei
campioni di partenza osservati.
87
inconveniente, ed anche per lasciare una traccia del lavoro svolto, è stata utilizzata una
macchina fotografica digitale, da applicare al microscopio, per archiviare ciascun campo
osservato con una foto, sulla quale andare a conteggiare successivamente il numero di cellule.
La procedura seguita per l’osservazione è stata la seguente. Scelto sul vetrino l’apice da
osservare, al microscopio si sono cercate le zone dove era più agevole la lettura e dove
apparivano un numero sufficientemente alto di mitosi (indice di un elevata attività
proliferante). Fissato un campo, se ne è acquisita l’immagine con la fotocamera; sullo stesso
campo, tramite osservazione ottica al microscopio, si è cercata la presenza di eventuali
micronuclei e si è proceduto al loro conteggio31. Quindi ci si spostava su campi vicini,
ripetendo l’operazione e archiviando le immagini di ciascun campo. In un momento
successivo si è proceduto al conteggio di cellule e mitosi visualizzando l’immagine di ciascun
campo sul monitor di un PC. A questo punto però sorgono due problemi.
Il primo è relativo alla differenza tra l’immagine del campo al microscopio, e quella fatta
dalla fotocamera digitale; quest’ultima è infatti rettangolare, mentre il campo al microscopio è
circolare, e ne risultano quindi tagliate le calotte superiore ed inferiore. Ma non è tutto;
l’ottica della fotocamera riprende un campo visivo più ampio di quello osservabile
direttamente al microscopio; dal confronto diretto delle due immagini, si è estrapolata una
procedura per ricavare dalla foto digitale, con un margine di errore contenuto, un cerchio che
riproduce il campo visto al microscopio. In figura 5.18, l’immagine registrata dalla
fotocamera, e, con un cerchio, il campo ottico visibile all’occhio dell’operatore.
31
Le foto ottenibili al microscopio non sono perfettamente a fuoco; l’immagine ottenibile risulta
sufficientemente nitida per distinguere cellule e mitosi, ma non altrettanto per quanto riguarda
l’identificazione dei micronuclei; questi, essendo più piccoli, potrebbero confondersi con altre cose
(sporcizie, residui della colorazione), o addirittura risultare invisibili; è necessario allora agire sulla
manopola del fuoco del microscopio (in gergo, “fochettare”), per una loro corretta individuazione,
operazione evidentemente impossibile sulle immagini digitali archiviate.
88
Figura 5.18 Immagine registrata dalla fotocamera; il cerchio
interno rappresenta il campo ottico visto al microscopio
Restano escluse, come accennato, le due calotte superiore ed inferiore; per il conteggio in
queste aree, si è proceduto all’acquisizione di un’ulteriore immagine per lo stesso campo,
ottenuta ruotando la fotocamera di 90 gradi rispetto all’orientazione orizzontale, e, dal
confronto delle due, si sono ottenute le cellule mancanti. Questa procedura però, è piuttosto
lunga ed elaborata (considerando la necessità di essere ripetuta per quasi un centinaio di
campi), ed è stata eseguita solo per i primi campi osservati; successivamente il numero di
cellule nelle calotte è stato stimato nella misura del 5% rispetto alle cellule osservate nel
campo disponibile sulla foto.
Un secondo inconveniente riscontrato nelle operazioni di conteggio è venuto dalla procedura
di spunta delle cellule già contate; un considerevole aiuto per tale operazione è venuto allora
dall’utilizzo di una tavoletta grafica, in cui la spunta delle cellule è ottenibile tramite la
semplice pressione di un’apposita penna sulla tavoletta, come si vede nella figura 5.19.
Figura 5.19 Procedura di conteggio delle cellule tramite tavoletta grafica
89
5.5.2 I vetrini osservati – controllo negativo e controllo positivo
La frequenza di micronuclei in cellule non esposte ad agenti mutageni è normalmente molto
bassa; per questo è necessaria l’osservazione di un numero molto alto di cellule per ottenere
dei numeri significativi. In figura 5.20 sono presentate alcune immagini prese dai campi
osservati per questo esperimento, in cui sono stati identificati dei micronuclei (cerchiati in
rosso).
Figura 5.20 Cerchiati in rosso, alcuni dei micronuclei identificati nell’osservazione al microscopio
Per avere dei termini di confronto cui sottoporre i dati provenienti dall’osservazione degli
apici esposti, è necessario affiancare a questi, i dati provenienti da un controllo negativo e da
un controllo positivo eseguiti dallo stesso operatore. Il controllo negativo è relativo
all’osservazione di apici non esposti a nessun agente mutageno, quindi lasciati liberi di
crescere in condizioni analoghe a quelle degli apici da sottoporre a test, ma senza l’azione del
mutageno (nel nostro caso le radiazioni non ionizzanti). In questo esperimento, i germogli per
il controllo negativo sono stati presi dalla stessa coltura di quelli esposti alle RNI; la loro
90
crescita è quindi avvenuta in contemporanea con gli altri, in un ambiente (vaschette in un
termostato a 200C) simile, ma non identico a quello dei germogli esposti.
Il controllo positivo è relativo all’osservazione di apici sottoposti all’azione di un mutageno
noto (nel nostro caso idrazide maleica 10-4M) e la sua utilità consiste nel confermare la
sensibilità del sistema biologico ad un agente mutageno standard; se non ci fosse una
differenza significativa fra controllo negativo e controllo positivo, il sistema biologico non
sarebbe sensibile in maniera sufficiente all’azione mutagena e tutti i risultati ottenuti con
l’esposizione alle radiofrequenze sarebbero invalutabili.
In questo esperimento, l’osservazione per il controllo positivo è avvenuto su apici di piantine
cresciute in un momento diverso da quelle usate per l’esposizione alle RNI e per il controllo
negativo; i semi di tutti i germogli utilizzati provenivano comunque dallo stesso stock, per cui
si può supporre una sufficiente omogeneità genetica di tutte le piantine osservate. Per il
controllo positivo i germogli sono stati lasciati esposti per 4h all’azione tossica di una
soluzione di idrazide maleica 10-4M, e fissati a 48h.
Solitamente l’osservazione al microscopio viene eseguita secondo il metodo della “lettura
cieca”; un operatore (diverso da colui che guarderà al microscopio) maschera i vetrini da
osservare coprendo la targhetta identificativa, e assegna loro nomi diversi (vetrino A, B, C,
…); l’operatore che osserva al microscopio non conosce la vera identità del vetrino che sta
osservando (esperimento, controllo negativo o positivo), e non potrà essere influenzato da
ragioni soggettive nell’identificazione dei micronuclei; solo al termine della lettura di tutti i
vetrini, verranno svelate le carte e assegnati i risultati delle osservazioni ai diversi casi.
Inizialmente32 si è deciso di limitare l’osservazione ad un campione ridotto, costituito da due
trattamenti (esposizione 24h/72h e 72h/72h), dal controllo negativo e da quello positivo; per
ognuno dei quattro punti sperimentali si sono osservati 5 apici, e su ogni apice 5000 cellule,
per un totale quindi di 100000 cellule.
5.6 Secondo conteggio
I risultati del primo conteggio sulla frequenza di micronuclei (vedi paragrafo 6.1) indicano
che la differenza tra le medie dei campioni esposti e quella dei campioni non esposti non è
statisticamente significativa; il non poter rifiutare l’ipotesi nulla (uguaglianza delle medie)
non vuol dire però automaticamente l’accettazione dell’ipotesi. La strada da percorrere è
32
L’analisi dei dati provenienti da questo primo conteggio servirà a decidere se ed in quale direzione
estendere l’osservazione dei vetrini
91
quella di aggiungere nuovi campioni, e questo è quanto mai necessario quando il test è stato
eseguito su un numero di campioni limitato (5 apici) come nel nostro caso; considerato però
l’onere di tempo nella procedura di osservazione e di acquisizione dati, e visto che
l’osservazione precedente ha già fornito un risultato accettabile per il confronto con il
controllo positivo, si è deciso di procedere ad un ulteriore conteggio, limitandosi però
all’osservazione del controllo negativo e dell’esposizione 72h/72h. Si sono quindi mascherati
altri vetrini, diversi da quelli osservati precedentemente, e si sono andati a conteggiare i
micronuclei di altri 10 apici (10 per il controllo, 10 per l’esposizione a RNI), per un totale di
altre 100000 cellule osservate. Le osservazioni del primo e del secondo conteggio sono state
quindi sommate, in modo da ottenere una base di dati più ampia su cui poter fare il confronto
tramite l’analisi statistica.
5.7 Misura della SAR
La SAR assorbita della piantine di Vicia faba è stata misurata con una tecnica calorimetria,
eseguendo un’apposita prova sulle vaschette sottoposte a radiazione nella cella TEM,
successivamente all’esposizione delle piantine.
Il metodo si basa sul transitorio termico dell’acqua di una vaschetta sottoposta a RNI. Dal
transitorio termico è infatti possibile ricavare la potenza assorbita dall’acqua, e da questa la
SAR. Considerato che il valore di campo elettrico utilizzato per l’esposizione delle piantine
(vedi paragrafo 5.4.2) è basso per avere degli effetti termici apprezzabili, si è proceduto a
coibentare con del polistirolo33 una delle vaschette, in modo da limitare gli scambi termici con
l’esterno ed aumentare quindi il salto di temperatura dell’acqua.
Figura 5.21 Vaschetta coibentata con polistirolo per la prova calorimetrica
33
Il polistirolo è trasparente alle radiazioni a 915MHz; la conferma è venuta da prove preliminari eseguite con la
cella TEM.
92
Si è proceduto quindi a sistemare nella cella TEM due vaschette, nella stessa posizione, e
contenenti la stessa quantità di acqua di quella dell’esperimento con le piantine (0,21 litri per
ciascuna vaschetta); una delle due vaschette è coibentata, e munita di sonda PT100 34 per la
misura di temperatura dell’acqua.
La cella con le vaschette viene sistemata nel termostato a 20 gradi e lasciata termalizzare per
una notte; la mattina viene acceso il multimetro, e si attende un’ora per far stabilizzare il
valore di resistenza della PT100 (ulteriore termalizzazione con la PT100 alimentata dal
multimetro).
La cella TEM viene quindi alimentata con le stesse modalità dell’esperimento con le piantine,
ma con una potenza di ingresso superiore e pari a Pi = 4 W (lettura del wattmetro in ingresso);
l’acqua presente nelle vaschette, assorbendo parte della radiazione presente, inizia a
riscaldarsi (come in un forno a microonde).
Vengono quindi acquisite tramite un multimetro digitale a 5 cifre le misure di resistenza della
PT100, prese per tempi diversi, a partire dall’istante di alimentazione della cella TEM; in
figura 5.22 viene riportato il grafico nel tempo dei valori di resistenza misurati.
Figura 5.22 Transitorio termico dell’acqua in una vaschetta coibentata, esposta a RNI dentro la
cella TEM; Radiazione CW 915 MHz, potenza in ingresso Pi = 4W
34
La PT100 è un sensore di temperatura; essa è costituita da un sottile filo di platino, che, alla temperatura di 0
gradi centigradi, presenta una resistenza elettrica di 100 Ω; al variare della temperatura, la resistenza varia con
un legge abbastanza lineare (per intervalli limitati):
R(T) = 100 (1+ AT(T-100))
dove AT = 0,00385 C-1 è il coefficiente di temperatura specifico del platino.
93
La curva mostra chiaramente un andamento esponenziale, coerente con la teoria; infatti
l’equazione di bilancio termico per l’acqua nella vaschetta si può scrivere con la 5.7
PC = Ct
d (∆T )
+ λ ⋅ (∆T )
dt
(5.7)
dove PC è la potenza fornita all’acqua, Ct è la capacità termica dell’acqua, ∆T è la variazione
di temperatura a partire dal valore iniziale (temperatura ambiente, pari ai 20 gradi nel
termostato), λ è il coefficiente di scambio termico della vaschetta con l’esterno; la soluzione
dell’equazione differenziale è:
−
t
(5.8)
τ
∆T = ∆TF (1 − e )
dove ∆TF è la differenza tra la temperatura dell’acqua a regime e quella iniziale; data la
relazione di linearità tra la resistenza della PT100 e la temperatura misurata, si può scrivere:
∆R = ∆R F (1 − e
−
t
τ
(5.9)
)
Dal fit dei dati misurati con la 5.9 (vedi figura 5.22), si ricava la variazione di resistenza a
regime ∆RF = RF – R0 = (2,057 ± 0,010) Ω e la costante di tempo τ = (144,8 ± 1,6) minuti
Da queste possiamo andare a calcolare la SAR dell’acqua; dal coefficiente di temperatura
della PT100, si ricava il salto termico:
∆TF =
∆R F
= (5,34 ± 0,03) 0 C
R0 AT
dove AT = 0,00385 0C-1 è la costante termica della PT100
La capacità termica dell’acqua di una vaschetta è: Ct = m ·c = 879 Joule/C
dove m = 0,21 kg è la massa dell’acqua e c = 4186 Joule kg-1 0C-1 è il calore specifico
dell’acqua
Ricaviamo quindi la potenza termica assorbita dalla vaschetta Pc = Ct ⋅
∆T F
τ
= 0,54W
e da questa la SAR:
SAR =
Pc
∆T
W
= c ⋅ F ( 2,57 ± 0,04)
τ
kg
m
Tale valore è relativo all’esperimento termometrico fatto con potenza di ingresso della
radiazione nella cella TEM Pi = 4W; ipotizzando un comportamento lineare, si riporta tale
valore all’esperimento con le piantine, dove la potenza di ingresso era Pi = 1,55W
SAR =
94
2,57 ⋅ 1,55
W
= (1,00 ± 0,01)
4
kg
Un secondo metodo utilizzabile per la stima della SAR si basa sulla pendenza iniziale del
transitorio termico; negli istanti iniziali lo scambio termico con l’esterno può essere
considerato trascurabile, ed il calore assorbito dall’acqua va interamente ad incrementare la
temperatura;
PC = C
d (∆T )
dt t =0
dall’analisi dei dati iniziali, si ricava una pendenza iniziale della curva di salita termica pari a
(0,014±0,001) Ω/min = (0,233±0,017) mΩ/sec; da questa si calcola la SAR:
SAR = c
dT
d ( ∆R ) 1
W
= (2,53 ± 0,18)
=c
dt
dt R0 AT
kg
per Pi = 4W
Riportando il valore al caso dell’esperimento sulle piantine con potenza di ingresso Pi =
1,55W:
SAR =
W
2,53 ⋅ 1,55
= (0,98 ± 0,05)
kg
4
Quindi in ottimo accordo con la stima precedente.
I valori ottenuti si riferiscono alla SAR media dell’acqua nella vaschetta; la SAR assorbita
dalle piantine può in buona approssimazione essere valuta uguale a questa calcolata per
l’acqua, non disponendo di tecniche più raffinate per la sua determinazione.
Il valore trovato risulta dello stesso ordine di grandezza dei valori di SAR che riportano i
costruttori di cellulari per la maggior parte dei modelli oggi in commercio (variabili tra 0,35 e
1,8 W/kg [8] [44]).
95
6 RISULTATI E DISCUSSIONI
6.1 Risultati ed analisi dati del primo conteggio
I dati riassuntivi delle prime osservazioni sono riportati nella tabella 6.1; per i dati più
dettagliati si veda l’appendice A6. Ricordiamo che per ciascun apice sono state conteggiate
circa 5000 cellule meristematiche.
Tabella 6.1 Frequenze medie dei micronuclei e dell’indice mitotico, entrambi studiati su 5000 cellule
per apice, 5 apici per ogni punto sperimentale.
Trattamento
Frequenza micronuclei
/ apice (5000 cellule)
Indice mitotico medio
/ apice (5000 cellule)
(± ES)
(± ES)
1,30±0,58
110,6±7,3
24h
1,80±0,80
97,0±13,8
72h
2,00±1,05
112,5±6,1
48h
15,0±2,9
72,6±9,7
Tempo di
fissaggio (h)
Controllo Negativo
RF 915 MHZ
SAR = 1W/kg
I = 23 W/m2
Controllo Positivo MH
SAR = tasso di assorbimento specifico, I = intensità della radiazione, MH= idrazide maleica 10-4M
Prima di considerare i dati sui micronuclei è importante verificare che le condizioni di
proliferazione delle popolazioni cellulari esaminate siano soddisfacenti. Dai valori sul numero
di mitosi mostrati nelle tabelle, si può notare un buon tasso di proliferazione in tutti i punti
sperimentali, oltre ad una sostanziale omogeneità tra i valori. Da queste osservazioni si può
considerare che le condizioni di proliferazione risultano idonee.
Riguardo all’analisi degli effetti mutageni attraverso la frequenza di micronuclei, è
chiaramente evidente la differenza tra il controllo positivo e gli altri tre esperimenti; si nota
anche un leggero incremento di micronuclei nei campioni esposti a RNI rispetto al controllo
negativo; la differenza tra le medie risulta però contenuta all’interno dell’errore standard, e
quindi sembra essere poco significativa (vedi figura 6.1)
96
Figura 6.1 Fasce di incertezza media ± errore standard del numero di micronuclei per apice (5000
cellule), su un campione di 5 apici; valori rilevati nel controllo positivo (esposizione ad idrazide
maleica), nel controllo negativo, nell’esposizione alle RF 24h con fissaggio 72h ed nell’esposizione
72h con fissaggio 72h
Per un’analisi più approfondita, abbiamo eseguito un test di significatività sulla differenza tra
le medie delle distribuzioni (considerate a coppie); verificata la normalità dei dati di partenza,
abbiamo eseguito un test parametrico a due code; nello specifico, abbiamo utilizzato il tstudent35. Nelle tabelle 6.2 e 6.3 sono riportati i valori trovati per la variabile statistica t e per
il p-value rispettivamente.
Tabella 6.2 Valori della variabile statistica t per la differenza tra la media della
distribuzione riga e la media della distribuzione colonna
Vetrino A
Vetrino B
Vetrino C
Esposizione
Esposizione
Controllo
24h/72h
72h/72h
Negativo
Vetrino A
0,00
-0,152
0,606
-4,32
Vetrino B
0,152
0,00
0,667
-4,15
Vetrino C
-0,606
-0,667
0,00
-4,59
CP
4,32
4,15
4,59
0,00
t
Controllo
Positivo
Tabella 6.3 Valori del p-value per la differenza tra la media della distribuzione riga
e la media della distribuzione colonna
35
Vetrino A
Vetrino B
Vetrino C
p-value
Esposizione
24h/72h
Esposizione
72h/72h
Controllo
Negativo
Vetrino A
1,00
0,883
0,561
0,0025
Vetrino B
0,883
1,00
0,524
0,0032
Vetrino C
0,561
0,524
1,00
0,0018
CP
0,0025
0,0032
0,0018
1,00
Controllo
Positivo
Vedi Appendice A5
97
Dai risultati nelle tabelle si osserva che la frequenza di micronuclei nel controllo positivo
risulta superiore rispetto al controllo negativo in modo altamente significativo. Questo
risultato positivo permette di affermare la sensibilità del nostro sistema di saggio agli effetti
mutageni e di discutere quindi i dati relativi ai trattamenti con le radiazioni RF.
Il confronto tra la distribuzione del controllo negativo (distribuzione C) con quelle relative
agli apici esposti alle RNI (distribuzioni A e B), presenta dei valori per la variabile statistica t
piuttosto bassi; fissando il livello di significatività del test al 5%, ovvero la probabilità di
commettere un errore di tipo I (rifiutare l’ipotesi nulla quando è vera) al 5%, si ricavano dalle
tabelle della distribuzione t-student i valori critici della regione di rifiuto:
per ν = nB + nC – 2 = 8 dove ν è il grado di libertà, nB = 5 ed nC = 5 è il numero dei campioni;
fissando α = 0,05; test a due code → tα = 2,306
quindi la regione di rifiuto è costituita dagli intervalli (t < -tα) e (t > tα)
i valori trovati tBC = 0,667
e tAC = 0,606 cadono abbondantemente nella regione di
accettazione, quindi si può concludere che l’ipotesi nulla non può essere rifiutata: non ci sono
differenze significative tra le medie.
Alla stessa conclusione si perviene osservando i valori del p-value; tra la distribuzione B e la
distribuzione C il test fornisce un p-valueBC = 0,524 (vedi figura 6.2).
Figura 6.2 Distribuzione t-student, esito del confronto tra la
distribuzione B (esp. 72h/72h) e la distribuzione C (controllo negativo)
Vi è quindi una probabilità del 52,4% di osservare una differenza tra le due medie maggiore
di quella trovata nei campioni quando le medie delle popolazioni sono uguali.
98
6.2 Risultati ed analisi dopo il secondo conteggio
Dall’analisi dei dati del primo conteggio, la differenza tra le frequenze di micronuclei nei
campioni esposti e nel controllo negativo risulta statisticamente non significativa; questo non
vuol dire necessariamente che tale differenza non esiste; se le medie di due popolazioni
distinte sono molto vicine tra loro, è necessario un numero abbastanza alto di campioni per
evidenziare in modo significativo tale differenza. Il primo conteggio, statisticamente parlando,
è stato eseguito su un numero limitato di campioni (5 apici); il secondo conteggio ha
permesso ampliare notevolmente la base dei dati, aggiungendo 10 apici al controllo negativo e
all’esperimento 72h/72h.
I dati sintetici della seconda osservazione (comprensivi anche della prima) sono riportati in
tabella 6.4.
Tabella 6.4 Frequenze medie dei micronuclei e dell’indice mitotico, entrambi studiati su 5000 cellule
per apice, 15 apici per ogni punto sperimentale (dati complessivi del primo e del secondo conteggio)
(MH= idrazide maleica 10-4M)
Trattamento
Tempo di fissaggio
(h)
Controllo Negativo
RF 915 MHZ
SAR = 1W/kg
I = 23 W/m2
72h
Frequenza
micronuclei/5000
cellule (± ES)
Indice mitotico
medio/5000 cellule
(± ES)
1,67±0,32
134,3±7,9
3,73±0,62
111,8±4,2
La differenza tra le due medie risulta incrementata rispetto all’osservazione precedente, e,
considerando la fascia di incertezza delimitata dall’errore standard, sembra essere diventata
significativa (vedi figura 6.4).
Figura 6.4 Fasce di incertezza media ± errore standard del numero di micronuclei per
apice (5000 cellule per apice), su un campione di 15 apici complessivi, rilevati nel
controllo negativo e nell’esposizione alle RF 72h con fissaggio 72h (dati complessivi
del primo e del secondo conteggio)
99
Verificata la normalità delle due nuove distribuzioni, si è ripetuto il test di significatività sulla
differenza delle due medie (t-student a due code). Fissando il livello di significatività del test
all’1%, ovvero la probabilità di commettere un errore di tipo I (rifiutare l’ipotesi nulla quando
è vera) al 1%, si ricavano da tabelle della distribuzione t-student i valori critici della regione
di rifiuto: per ν = nB + nC – 2 = 28 (gradi di libertà); α = 0,01 ; test a due code → tα = 2,763
quindi la regione di rifiuto è costituita dagli intervalli (t < -tα) e (t > tα);
il confronto tra le due distribuzione fornisce come risultato per la variabile statistica t il valore
tBC = 2,96, che viene a trovarsi nella regione di rifiuto; la differenza tra le due medie è quindi
significativa.
Alla stessa conclusione si perviene osservando il p-value; tra la distribuzione B e la
distribuzione C il test fornisce un p-valueBC = 0,0062 (vedi figura 6.5).
Figura 6.5 Distribuzione t-student; esito del confronto tra la
distribuzione B (esp. 72h/72h) e la distribuzione C (controllo
negativo) con i dati del primo e del secondo conteggio
Rifiutando l’ipotesi nulla (uguaglianza delle medie), abbiamo una probabilità di sbagliare
dello 0,62%, decisamente bassa.
In definitiva possiamo affermare che la media di micronuclei osservata nei campioni esposti
alle radiazioni per 72h è significativamente diversa da quella osservata nei campioni non
esposti.
100
6.3 Discussione dei risultati e conclusioni
Lo scopo dell’esperimento condotto per questo lavoro di tesi era
quello di verificare
l’eventuale effetto mutageno della radiazione e.m. a 915 MHz su germogli di Vicia faba. Con
un’esposizione di 72 ore ad una radiazione di intensità 23 W/m2, (cui corrisponde una SAR di
1 W/kg per l’acqua in cui erano immerse le piantine), la frequenza di micronuclei osservata
nelle cellule degli apici radicali dei germogli esposti (3,73 micronuclei/apice, 0,746
micronuclei su 1000 cellule) è aumenta in maniera significativa (p-value = 0,0062) rispetto
alla frequenza osservata in apici di piantine non esposte (1,67 micronuclei/apice, 0,334
micronuclei su 1000 cellule).
Il risultato del nostro esperimento si aggiunge ad un repertorio sempre più vasto di studi sui
possibili effetti genotossici delle radiazioni RF (vedi appendice A5). Per la maggior parte si
tratta di studi in vitro su linfociti umani e studi in vivo su topi. L’esperimento sulle piantine di
Vicia faba costituisce una novità in questo ampio panorama di studi, i cui risultati complessivi
appaiono per certi versi in contraddizione tra loro. La maggior parte delle ricerche [52, 55-56,
60-63, 65-67, 70, 73-74, 77] non rivela effetti genotossici significativi; in alcune viene
segnalato un aumento della frequenza di aberrazioni cromosomiche e di micronuclei [49-51,
53-54, 57], ma non viene fornita la SAR per un confronto dei risultati, e soprattutto per
escludere un possibile effetto termico; in alcuni studi si evidenzia un aumento di aneuploidia
[59, 64]; alcune ricerche [68, 71-72, 75] fatte su cellule di topo o di ratti esposti a RF con
SAR paragonabile a quella del nostro esperimento (0,5 – 2 W/kg), hanno evidenziato un
aumento significativo delle frequenza di micronuclei o [76] di rottura al singolo filamento di
DNA.
L’aumento della frequenza di micronuclei negli apici esposti a RF 915MHz che abbiamo
riscontrato in questo esperimento, costituisce un risultato importante che merita sicuramente
attenzione e ulteriori indagini. L’effetto genotossico delle RF sugli apici esposti appare
chiaro. Restano tuttavia alcuni aspetti della misura che devono essere approfonditi.
Ad esempio va preliminarmente osservato che per il controllo negativo con cui si è fatto il
confronto, sono stati presi germogli cresciuti contemporaneamente a quelli esposti, ma in un
armadio termostatato diverso; non è pertanto possibile escludere che l’effetto tossico sia stato
causato da un agente diverso dalle RF, presente nel primo armadio (con la cella TEM) e
assente nel secondo, anche se l’eventualità appare abbastanza remota.
Un altro aspetto che andrebbe approfondito è quello sull’uniformità del campo e.m.
all’interno della cella TEM, ed in particolare all’interno della vaschetta dove sono immersi gli
101
apici. Sappiamo infatti che la cella TEM garantisce un campo e.m. uniforme quando è vuota,
ma la presenza delle vaschette con l’acqua e con i germogli potrebbe avere determinato delle
differenze tra un punto ed un altro; come conseguenza anche la SAR, che abbiamo misurato
come valore medio su un’intera vaschetta, potrebbe avere avuto valori diversi, ed in
particolare per gli apici delle piantine, che per il campo e.m. costituiscono una discontinuità
con l’acqua in cui erano immersi. D’altra parte va comunque osservato che anche la materia
organica di cui sono fatte le persone non è uniforme, e nella testa di un utente che usa il
cellulare potrebbero formarsi punti “caldi”, dove la SAR specifica potrebbe essere diversa dal
valore medio36 fornito dai costruttori (problema della dosimetria).
L’esperimento eseguito per questa tesi costituisce comunque un primo punto importante per
uno studio più ampio da poter condurre a Tor Vergata sugli effetti genotossici delle RF. Il
passo successivo sarà quello di ripetere l’esperimento con dosi differenti di SAR, per
verificare se esiste una relazione dose – effetto delle RNI simile a quella riscontrata per le
radiazioni ionizzanti (vedi paragrafo 4.7.5). Un’eventuale risposta proporzionale della
frequenza di micronuclei alla dose assorbita di radiazione RF costituirebbe un’importante
prova degli effetti genotossici delle RNI a 915 MHz.
36
Gli standard europei indicano di mediare la SAR su 10g di tessuto
102
APPENDICE
103
A1 Campo irradiato dalle antenne – Campo vicino e campo
lontano
La radiazione elettromagnetica RF viene diffusa attraverso l'uso di antenne. La distribuzione
spaziale di energia RF di un antenna è direzionale e varia con la distanza dall'antenna. A
distanze sufficientemente lontane dalla antenna sorgente, il campo cambia solo con la distanza
(regione di campo lontano). A breve distanza, l’intensità dei campi dipende fortemente non
solo dalla distanza ma anche dall’angolazione (regione di campo vicino).
Il comportamento dei campi RF e i meccanismi di accoppiamento e di interazione con il
sistema biologico sono molto diversi a seconda della regione di campo considerata.
La transizione tra regione di campo vicino e regione di campo lontano ovviamente non è
netta; come valore di riferimento per separare le due zone si considera la maggiore delle
seguenti due distanze: 3·λ e R = 2·D2·λ-1, dove D è la più grande dimensione dell'antenna.
Inoltre, la zona di campo vicino può essere divisa in due sub-regioni: la regione radiativa e la
regione reattiva. La regione reattiva è quella più vicina all’antenna. Per la maggior parte delle
antenne, il punto di transizione tra regione reattiva e radiativa avviene tra 0,2-0,4 D2 λ-1. Per
una antenna a dipolo corto, la componente reattiva e radiativa risultano uguali ad una distanza
di circa λ/2π.
Alla frequenza di 100 kHz, la lunghezza d'onda in aria è di 3 km; la distanza di confine tra
regione reattiva e radiativa λ/2π è di circa 477m. Al contrario, a 900 MHz, la lunghezza
d'onda in aria è di 33 cm e la distanza λ/2π è di 5,3 cm, che risulta molto vicina al valore R= 6
cm (2D2λ-1) per un’antenna RF di 10cm che opera a 900 MHz in aria. Risulta quindi evidente
che una persona che usa un cellulare viene a trovarsi sia nella zona di campo reattivo che nella
zona di campo radiativi.
104
Figura A1.1 Campo irradiato da un’antenna; campo vicino e campo
lontano [1]
Nella regione di campo lontano il campo elettromagnetico ha una le caratteristiche di un’onda
piana. In tali condizioni la misura di una sola delle tre grandezze (campo elettrico, campo
magnetico, densità di potenza) sarà sufficiente a descrivere esaurientemente, dal punto di vista
protezionistico, il sito.
In sintesi, nella zona di campo lontano, i campi a radiofrequenza sono caratterizzate come
segue:
(1) hanno fronte d'onda piano e sono indipendente dalla configurazioni di origine,
(2) la potenza irradiata diminuisce monotonicamente con la distanza dall'antenna
(3) i campi elettrici e magnetici sono univocamente definiti attraverso l'impedenza intrinseca
del mezzo. Così, una determinazione del comportamento del campo elettrico o di quello
magnetico è sufficiente a caratterizzare l'esposizione in termini di densità di potenza.
Nella regione di campo vicino la situazione è più complicata. La quantità di potenza irradiata
verso l'esterno è la stessa che nella regione di campo lontano, ma vicino all'antenna una
notevole
quantità di energia elettromagnetica rimane come immagazzinata in prossimità dell’antenna
stessa. Così oltre all'energia netta irradiata verso l’esterno, vi è un’energia supplementare che
oscilla avanti e indietro. Questi flussi oscillanti si verificano perpendicolarmente alla
direzione verso l'esterno dell’antenna; Il campo E e il campo B sono ancora perpendicolari tra
loro e alla direzione in cui l’energia si propaga, ma non sono più in fase e la loro intensità può
variare notevolmente rispetto a quella calcolata per il campo nella regione lontana. Tale
regione si estende dalla superficie della sorgente fino ad una distanza dell'ordine di una
lunghezza d'onda λ. In tale situazione una valutazione fatta solo in termini di densità di
potenza è priva di significato poiché tale valore viene ottenuto dalla conversione numerica
105
della misura di uno solo dei campi associati, che in regione di campo vicino è priva di
fondamento. Particolare attenzione comunque si dovrà riservare a campi prodotti da sorgenti
multiple di pari o diversa frequenza e alle caratteristiche di campo con cui si sovrappongono
nei vari punti di misura.
Alcune delle caratteristiche salienti della zona di campo vicino sono:
(1) campi elettrici e magnetici sono disaccoppiati, quasi-statici, e non sono uniformi
(2) Impedenza d'onda varia da punto a punto
(3) La larghezza del raggio emesso dall’antenna è divergente ed è piccolo rispetto alla testa o
al corpo umano, soprattutto per una piccola antenna
(4) La potenza varia di meno con la distanza dall'antenna
(5) i trasferimenti di potenza dall'antenna ai mezzi circostanti sono costanti.
Le differenze tra il campo vicino e quello lontano per un'antenna a dipolo elettrico è illustrata
nella figura A1.2, in cui sono mostrate le direzioni in cui la maggior dell’energia fluisce. (La
direzione del campo elettrico è nel piano del foglio e perpendicolare alla direzione del flusso
di energia, mentre la direzione del campo magnetico è perpendicolari al foglio). Lontano
dalla antenna, l'energia fluisce solo verso l'esterno. Tuttavia, in prossimità dell'antenna, la
maggior parte della energia viene immagazzinata intorno all'antenna, scorrendo avanti e
indietro lungo la sua lunghezza, e solo una piccola parte viene irradiato verso l'esterno.
Figura A1.2 Antenna a dipolo; le frecce indicano il flusso di energia
elettromagnetica [7]
106
A2 Richiami di biologia
A2.1 Struttura cellulare degli organismi
La componente fondamentale di tutti gli esseri viventi presenti sulla terra e la cellula (dal
latino, piccola camera).
Alcuni organismi, come ad esempio i batteri o i protozoi, possono consistere di una singola
cellula ed essere definiti unicellulari. Gli altri organismi, come l'uomo (formato da circa 1014
cellule), sono invece pluricellulari. I principali organismi pluricellulari appartengono
tipicamente ai regni animale, vegetale e dei funghi. Le cellule degli organismi unicellulari
presentano caratteri morfologici solitamente uniformi. Con l'aumentare del numero di cellule
di un organismo, invece, le cellule che lo compongono si differenziano in forma, grandezza,
rapporti e funzioni specializzate, fino alla costituzione di tessuti ed organi.
Ogni cellula può esser definita come un'entità chiusa ed autosufficiente: essa è infatti in grado
di assumere nutrienti, di convertirli in energia, di svolgere funzioni specializzate e di
riprodursi se necessario. Per fare ciò, ogni cellula contiene al suo interno tutte le informazioni
necessarie.
Tutte le cellule possono essere grossolanamente ricondotte a due generici tipi: le cellule
procariotiche e quelle eucariotiche.
Le cellule procariote (tipiche dei batteri) hanno una struttura relativamente semplice, e sono
prive di un nucleo ben definito; le dimensioni sono comprese tra uno e dieci micron.
Le cellule eucariote (protisti, funghi, piante, animali) hanno una struttura molto complessa,
comprendente vari organelli interni, e un nucleo ben definito; le dimensioni sono comprese tra
dieci e cento micron.
Figura A2.1 Struttura generale di una cellula
107
A2.2 DNA e Cromosomi
Le informazioni sul funzionamento (e sulla riproduzione) di una cellula sono contenute nel
DNA. Il DNA è un polimero organico costituito da monomeri chiamati nucleotidi. Tutti i
nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un gruppo fosfato (PO4), il
deossiribosio (zucchero pentoso) e una base azotata che si lega al deossiribosio con legame Nglicosidico. Le basi azotate che possono essere utilizzate nella formazione dei nucleotidi da
incorporare nella molecola di DNA sono di quattro tipi; esse prendono il nome di adenina,
guanina, citosina e timina (spesso abbreviate A, G, C, T).
La disposizione in sequenza di queste quattro basi costituisce l'informazione genetica,
leggibile attraverso il codice genetico, che ne permette la traduzione in amminoacidi, e quindi
in proteine che sono alla base dalla struttura e della funzionalità della cellula.
L'informazione genetica è duplicata prima della divisione cellulare, attraverso un processo
biologico complesso noto come replicazione del DNA, che evita la perdita di informazione
durante le generazioni.
Negli eucarioti, il DNA si complessa all'interno del nucleo in strutture chiamate cromosomi.
All'interno dei cromosomi, le proteine della cromatina (come gli istoni) permettono di
compattare e controllare la trascrizione dei geni, almeno nella maggior parte dei casi.
Nei procarioti, che sono privi di un nucleo distinto, il DNA è organizzato in uno o più
cromosomi circolari.
La catena del DNA è larga tra i 22 ed i 26 Ångström (da 2,2 a 2,6 nanometri) ed ogni unità
nucleotidica è lunga 3,3 Ångstrom (0,33 nanometri). Sebbene ogni unità occupi uno spazio
decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA può essere sorprendentemente elevata,
dal momento che ogni filamento può contenere diversi milioni di nucleotidi. Ad esempio, il
più grande cromosoma umano (il cromosoma 1) contiene quasi 250 milioni di paia di basi.
Negli organismi viventi, il DNA non è quasi mai presente sotto forma di singolo filamento,
ma come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro. Essi si intrecciano tra loro a
formare una struttura definita doppia elica. Il deossiribosio di ciascun nucleotide si lega
covalentemente al gruppo fosfato del nucleotide successivo, andando a formare lo scheletro
laterale della doppia elica; le basi azotate sui due filamenti opposti si appaiano tra di loro con
la formazione di legami idrogeno: l’adenina si appaia (solo) con la timina, formando due
legami idrogeni, mentre la citosina si appaia con la guanina formando tre legami idrogeno.
La doppia elica del DNA, negli eucarioti, viene poi compattata avvolgendosi su particolari
proteine (istoni), costituendo la cromatina, componente essenziale di ogni cromosoma; il
108
nucleo delle cellule eucariote comprende un certo numero di cromosomi, variabile a seconda
della specie; i cromosomi risultano ben visibili all’osservazione al microscopio in alcune
particolari fasi della vita cellulare.
Figura A2.2 Struttura a pioli del DNA ; sono evidenziate le
4 basi fondamentali: Guanina, Citosina, Adenina, Timina
A2.3 Mitosi
La mitosi è un processo di duplicazione, detta anche cariocinesi, che si verifica in tutti gli
esseri pluricellulari e costituisce la parte finale del ciclo di riproduzione delle cellule
eucariote. In queste cellule il materiale ereditario è concentrato nel nucleo, una importante
struttura separata dal citoplasma da una membrana a doppio strato. Oltre a contenere
l’informazione genetica e a trasmetterla alle cellule figlie mediante il processo di divisione
cellulare, il nucleo svolge la funzione di controllo delle attività cellulari e dirige la sintesi
delle proteine. La mitosi consiste nella formazione di due cellule figlie identiche alla cellula
madre, dotate cioè dello stesso corredo cromosomico diploide. Ne deriva che la cellula prima
di dividersi deve duplicare tutte le proprie strutture. La mitosi è un processo continuo della
durata di circa 30 minuti, in cui si possono distinguere 4 fasi: profase, metafase, anafase e
telofase (alcuni testi distinguono una quinta fase intermedia tra profase e metafase: la
prometafase; il processo naturale è in realtà continuo, e la distinzione in più fasi ha un
carattere essenzialmente descrittivo).
109
Figura A2.3 Le varie fasi in cui può essere suddiviso il processo della mitosi
A2.3.1 Profase
Durante la profase, il primo stadio della separazione cellulare vera e propria, iniziano a
formarsi le strutture cellulari preposte alla divisione, la cromatina contenuta nel nucleo si
sgomitola e scompare il nucleolo. I cromosomi sono visibili anche al microscopio ottico sotto
forma di doppi bastoncelli basofili: i cromatidi fratelli. Questi sono legati fra loro per tutta la
loro lunghezza, in particolare in corrispondenza di una loro strozzatura, il centromero.
Nelle cellule animali viene sintetizzato un secondo centrosoma, ed entrambi appaiono
circondati da una coltre di microtubuli: è il fuso mitotico, formato da dimeri di sub-unità
proteiche tubulina alfa e beta. Il ciclo si potrebbe interrompere in questo punto se alla coltura
si aggiungesse la tossina falloidina, che impedisce la formazione dei filamenti di microtubuli;
ciò si fa quando si vogliono visualizzare al microscopio i cromosomi per studiarne le
caratteristiche. L'apparato del Golgi e il reticolo endoplasmatico in questa fase si
scompongono in piccole vescicolette che si distribuiscono uniformemente in tutto il
citoplasma; anche la membrana nucleare, grazie alla sua doppia struttura, si scompone
similmente ai suddetti organelli.
Figura A2.4 Cellula in profase vista al microscopio
110
In figura A2.4 viene mostrata l’immagine al microscopio di una cellula in profase. In rosso
sono evidenziati i cromosomi, mentre il resto della cellula appare appena ombreggiato.
A2.3.2 Metafase
Questa fase inizia attraverso una sub-fase, la prometafase, in cui avviene l'improvvisa
dissoluzione della membrana nucleare, che si frammenta in tante vescicolette. Tale processo
viene innescato dalla fosforilazione, attraverso delle chinasi, delle proteine delle lamine
(filamenti intermedi) che costituiscono la lamina nucleare; in conseguenza della fosforilazione
i filamenti si dissociano negli elementi costitutivi. I due centrosomi si portano ai poli opposti
della cellula ed agiscono come centri di organizzazione microtubulare, catalizzando
l'allungamento ed assicurando il corretto orientamento dei microtubuli che andranno a breve a
legarsi al centromero di uno dei due cromatidi fratelli; quando tutti i microtubuli si sono
legati, i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma sono legati a microtubuli provenienti dai due
poli opposti. In questa fase si possono verificare degli errori e due microtubuli si possono
agganciare allo stesso cromatidio dando poi una cellula figlia privata di un cromosoma e non
vitale. Le coppie di cromatidi vengono portate nella parte mediana della cellula, formando la
piastra equatoriale, in cui un piano immaginario, passante per i centromeri, divide le coppie di
DNA. È questo il momento più favorevole per lo studio dei cromosomi, che sono ora al
massimo della loro spiralizzazione e affiancati ordinatamente lungo la piastra equatoriale
posta al centro della cellula.
Figura A2.5 Cellula in metafase vista al microscopio
A2.3.3 Anafase
Durante l'anafase, i cromatidi si separano fra loro simultaneamente e migrano verso i due poli
opposti della cellula. Si riconoscono due momenti, detti anafase A e anafase B. Nella prima si
assiste alla separazione dei due cromatidi fratelli ad opera di un enzima, detto separasi, con
relativa migrazione degli stessi grazie a proteine motore (tipo dineine citoplasmatiche)
presenti a livello del cinetocore. Nell'anafase B si assiste al reciproco scorrimento dei
microtubuli polari del fuso mitotico con conseguente allontanamento dei due centrosomi
111
verso direzioni opposte. Pertanto si ottiene il ripristino, per ogni polo, del numero originario
di cromosomi.
Figura A2.6 Cellula in anafase vista al microscopio
A2.3.4 Telofase
Nell'ultima fase della mitosi, i cromosomi si despiralizzano. Intorno ai due nuovi complessi
cromosomici ricompaiono le membrane nucleari e gli organelli si ricompongono. La telofase
si conclude con una sottofase: la citodieresi, in cui si separa il citoplasma in modo equivalente
in entrambe le nuove cellule. La cellula si divide al centro formando due cellule figlie,
esattamente identiche alla cellula madre ma più piccole. Questo avviene nelle cellule animali
grazie ad un anello di actina creatosi al centro della cellula madre che, contraendosi, stringe la
cellula al centro. A tal punto le proteine specializzate operano la fusione e la separazione della
membrana in punti specifici e le due cellule si separano. Nelle cellule vegetali durante la
citodieresi si deposita uno strato di pectina, il fragmoplasto, su cui si depositerè
successivamente la cellulosa che costituirà la parete divisoria fra le cellule figlie.
Figura A2.7 Immagine al microscopio di una
cellula in telofase
112
A3 Sintesi dei risultati di ricerche sugli effetti biologici delle RNI
A3.1 Studio di danni al DNA indotti da RF usando il metodo elettroforesi a singola cella
Saggio biologico
SSB e DSB in
fibroblasti diploidi
umani ed in cellule
granulose di ratto,
campionate subito
dopo l’esposizione
Condizioni di
esposizione
1800 MHz; CW o
modulato;
esposizione continua o
intermittente (5 min
acceso, 10 min spento),
durata 4, 16 e 24 ore
SAR 2 W/kg
SSB in cellule
epiteliali umane,
campionate a 0, 30, 60,
120, e 240 min dopo
l’esposizione
1.8 GHz (217 Hz AM);
Esposizione 2 h
SAR: 1, 2 e 3 W kg-1
SSB in fibroblesti
umani da coltura ed in
linfociti
1950 MHz UMTS;
esposizione 24 h e
intermittente 16 h (5
min acceso, 10 min
spento; 10 min acceso,
20 min spento)
SAR < 2W kg-1
Effetto
Commento
Induzione di rotture al
singolo ed al doppio
filamento di DNA dopo
16h di esposizione
intermittente in
entrambe le tipologie
cellulari e a diverse
modulazioni del
telefono mobile
Danni al DNA a 3W/kg
osservati a 0 e 30
minuti dall’esposizione
Riferimento
Diem et al
2005 [46]
L’esposizione per 2h
a 2 e 3 W/kg hanno
mostrato anche un
incremento
significativo
nell’espressione della
proteina hsp 70
Incremento del fattore
coda della cometa in
modo dipendente dalla
dose e dal tempo
Sun et al
2006 [47]
Schwarz et
al 2008 [48]
A3.2 Indagini citogenetiche sulla genotossicità delle RF
Saggio biologico
Condizioni di
esposizione
Effetto
Aberrazione
cromosomica e test
dei micronuclei in
cellule V79 di hamster
cinese
7700 MHz CW;
Densità di potenza 5 W
m-2 per 15, 30 e 60 min
Incremento nella
frequenza di aberrazioni
cromosomiche e di
micronuclei
Test delle aberrazioni
cromosomiche in
linfociti umani
7700 MHz CW ;
densità di potenza 5, 100
e 300 W m-2
per 10, 30, 60 min
Aberrazione
cromosomica,
scambio di cromatidi
fratelli e test dei
micronuclei in
linfociti umani
Test delle aberrazioni
cromosomiche in
linfociti umani
Test dei micronuclei
in linfociti umani
2450 MHz PW;
SAR: 75 W kg-1 per
30 e 120 min
954 MHz
SAR: 1.5 W kg-1 per 2 h
415 MHz; standard
NMT;
Esposizione per 10, 20,
30 minuti con potenza di
uscita di 15W
Incremento
proporzionale al tempo
di aberrazioni
cromosomiche (es. di
centriche, acentriche,
frammenti)
Incremento della
frequenza di aberrazioni
cromoisomiche e di
micronuclei, ma non di
SCE o effetti sulla
proliferazione cellulare
Commento
SAR non data
Riferimento
Garaj-Vrhovac
et al 1991 [49]
Probabile effetto
termico;
SAR non data
Garaj-Vrhovac
et al 1992 [50]
Probabile effetto
termico
Maes et al
1993 [51]
Modesto incremento
nella frequenza delle
aberrazioni
cromosomiche
Nessun incremento
nelle SSB in accordo
con il test della
cometa alcalino
(risultato non
pubblicato)
Maes et al 1995
[52]
Incremento
proporzioanle con il
tempo della frequenza
di micronuclei
SAR non data
Garaj-Vrhovac
et al 1996 [53]
113
Test delle aberrazioni
cromosomiche e dei
micronuclei in
linfociti umani
2450 e 7700 MHz e
densità di potenza di
100, 200 e 300 W m-2;
Esposizione per 15, 30
o 60 min
Test dei micronuclei e
test della cometa
alcalino in linfociti
umani
1900 MHz CW e PW;
SAR: 0.1, 0.26, 0.92,
2.4, 10 W kg-1;
Esposizione per 2 h
Test dei micronuclei
in linfociti umani
900 MHz CW, GSM;
SAR: 0.2 e 1.6 W kg-1;
Esposizione per 14
sessioni di 6 minuti su
due giorni o di un ora su
un giorno per tre giorni
Test dei micronuclei
in linfociti umani
Test dei micronuclei
in linfociti umani
1800 MHz, CW con una
densità di potenza 5, 10
e 200 W m-2 per 60,
120 e 180 min.
CW o GMSK
1748 MHz;
SAR: 5 W kg-1;
Esposizione 15min.
Rilevamento di
aneuploidia in linfociti
umani
830 MHz CW;
SAR :2, 2.9, 4.3,
8.2 W kg-1;
Esposizione per 72 h
Test dei micronuclei
in linfociti umani
Segnale 900 MHz GSM
SAR: 1, 5and 10 W kg1, esposizione 24 h
Aberrazione
cromosomiche e
micronuclei in
linfociti umani
Test dei micronuclei e
test della cometa
alcalino in fibroblasti
umani ES1 diploidi e
in cellule V79 di
criceto cinese
Test dei micronuclei e
test della cometa
alcalino in linfociti
umani
Studi di aneuploidia in
linfociti umani
114
2.45 GHz, 8.2 GHz,
21W, 60W; 50W/m2 o
100 W/m2;
SAR: 2.13 W kg-1o
20.71 W kg-1
esposizione 2h
Segnale 1800 MHz, CW
o modulato;
continuo e intermittente
(5 minuti acceso, 10
minuti spento);
esposizione per tempi da
1 ora a 24 ore
SAR 2W/kg
Segn. UMTS 1950 MHz
Esposiz. intermittente
(6 minuti acceso, 2 ore
spento) per 14 e 68 ore
SAR 2,2 W/kg
800 MHz, CW,
SAR: 2,9 e 4,1
W k7g per 72 h
Incremento della
frequenza di
micronuclei ad una
densità di potenza di
30mW/cm2 e dopo un
tempo di esposizione di
60 min (non a 10 min)
Nessun aumento della
frequenza di
micronuclei o di danno
al DNA in base al test
della cometa
SAR non data
McNamee et
al 2003 [55]
Nessun incremento
nella frequenza di
micronuclei
Le microonde hanno
mostrato di poter
indurre micronuclei con
esposizioni a breve
termine a campi con
densità di potenza
media
La frequenza di MN
non è stata alterata
dall’esposizione CW;
ma un effetto
statisticam. significativo
sui MN è stato trovato a
seguito di esposizione
ad un campo con
modulazione di fase
Incremento
dell’aneuploidia del
cromosoma 17 in modo
proporzionale alla SAR
Nessuna evidenza di
effetto genotossico (test
dei micronuclei) o di
effetti citotossici
Zotti-Martelli
et al 2000 [54]
Zeni et al 2003
[56]
SAR non data
Zotti-Martelli
et al 2005 [57]
Nessun cambiamneto
rilevato nella
proliferazione
cellulare dopo
l’esposizione a campi
sia CW che GMSK
D’Ambrosio et
al 2002 [58]
Mashevich et
al 2003 [59]
Scarfi et al
2006 [60]
Nessun effetto negativo
sulla cinetica e sulla
proliferazione cellulare
o sulla quantità di danni
cromosomici
Vijayalaxmi
2006 [61]
Nessun induzione di
cellule micronucleate
nei diversi esperimenti
Questo studio è
mirato a replicare le
recenti scoperte
(REFLEX 2004 e
Diem et al 2005) – I
risultati non sono in
accordo
Speit et al
2007 [62]
Nessun incremento
nella frequenza di
micronuclei
Nessun effetto sul
test della cometa
alcalino
Zeni et al 2008
[63]
Induzione di
aneuploidia determinate
dall’interfase di FISH
usando un’analisi
semiautomatica
dell’immagine
I risultati sono stati
attribuiti ad un effetto
atermico delle RF
Mazor et al
2008[64]
A3.3 Studi sulla genotossicità delle RF su animali vivi
Saggio
biologico
Condizioni di
esposizione
Micronuclei in cellule
periferiche di sangue
e di midollo osseo in
topi incline al tumore
2450 MHz; CW;
SAR:1W kg-1;
20 h al giorno, 7 giorni a
settimana per 1,5 anni
Nessun effetto
osservato
Vijayalaxmi
et al 1997b [65]
Micronuclei in
eritrociti
policromatici (da
sangue periferico e
midollo osseo) di topi
CF-1
Gli animali sono stati
esposti per 15 minuti ad
una radiazione a banda
ultralarga (UWB) a 37
mW/kg
Nessun effetto
osservato
Vijayalaxmi
et al 1999 [66]
Micronuclei in cellule
di sangue periferico e
di midollo osseo in
ratti
2450 MHz; CW;
SAR: 12 W kg-1;
Esposizione 24 h
Nessun effetto
osservato
Vijayalaxmi
et al 2001a [67]
2450 MHz, CW;
SAR: 1 and 2 W kg-1;
2 h al giorno ,
7 giorni la settimana per
30 giorni
Incremento
nell’incidenza di
micronuclei negli
animali esposti alle
RF dopo otto
trattamenti di
irradiazione di due
ore ciascuno
Trosic et al
2002 [68]
Nessun segno di
effetto genotossico
Vijayalaxmi
et al 2003 [69]
Nessun segno di
effetto genotossico
delle RF e nessuna
influenza della
cyclophosphamide
Vijayalaxmi
et al 2004 [70]
Aumento
dell’incidenza di
micronuclei nel
giorno sperimantale
15
Trosic et al
2004b [71]
Micronuclei in cellule
di sangue periferico
in ratti
Micronuclei in cellule
di midollo osseo di
ratto
Micronuclei in cellule
periferiche di sangue
e di midollo osseo in
topi
Micronuclei in cellule
di midollo osseo di
ratto
Micronuclei in cellule
di midollo osseo di
ratto
Micronuclei in
eritrociti, in cellule di
midollo osseo, in
cheratinociti, e
linfociti della milza di
topi
Danno al DNA (test
della cometa alcalino)
e micronuclei in
1600 MHz;
Iridium signal;
SRA: 0,16 e 1,6 W kg1; 2 h per giorno,
5 giorni la settimana per
due anni
42.2 GHz;
SAR: 622 ±100 W kg-1;
30 min al giorno per tre
giorni
Esposizione anche con
cyclophosphamide
2450 MHz; CW;
SAR: 1.25 W kg-1;
2 h al giorno,
7 giorni la settimana e
4, 16, 30 e 60 h
910 MHz;
SAR di picco : 0.42
W/kg
2 h/giorno per 30 giorni
consecutivi
GSM 900 MHz e
DCS 1800 MHz;
Ampiezza modulata;
SAR: 0, 3.7, 11 e 33.2
W kg-1 (1 settimana di
studio)
e 0, 2.8, 8.3 e 24.9
W kg-1 (6 settimane di
studio);
2h al giorno di
esposizione
900 MHz; ampiezza
modulata;
SAR: 0.3 e 0.9 W kg-1;
Effetto
Aumento
dell’incidenza di
micronuclei
Commento
L’osservazione può
essere stata alterata
dalla presenza di
granuli cellulari che
non è stato possibile
discriminare dai
micronuclei
Riferimento
Lai and
Singh 2005 [72]
Nessun danno
osseervato in cellule
cerebrali
Görlitz et al
2005 [73]
L’esposizione
simultanea ad RF e
ad MX non ha
Verschaeve
et al 2006 [74]
115
cellule del sangue, del
fegato e del cervello
di ratto
Formazione di
micronuclei nel
sangue di ratti esposti
alla radiazione di un
telefono cellulare
durante
l’embriogenesi
Danno al DNA (test
della cometa alcalino)
in cellule cerebrali di
ratto
Frequenza di
micronuclei in
eritrociti di topi
Frequenza di
micronuclei in
eritrociti di topi
2 h al giorno
5 giorni la settimana per
2 anni
Esposizione insieme ad
MX nell’acqua da bere
Esposizione all’antenna
di un cellulare (834
MHz, 26.8 - 40 V/m)
Dal primo giorno di
gravidanza 8.5 h al
giorno SAR stimata a
0.55-1.23 W/kg
2.45 GHz e 16.5 GHz
SAR: 1.0 e 2.01 W/kg
Esposizione 2 h al
giorno per 35 giorni
aumentato la risposta
dei test
Aumento
significativo della
frequenza di MN
negli eritrociti dei
neonati dei ratti
gravidi esposti
Ferreira et al
2006 [75]
Aumento
statisticamente
significativo di
rotture al singolo
filamento di DNA
seguenti
all’esposizione RF
Paulraj and
Behari 2006 [76]
902.5 MHz (NMT)
SAR: 1.5 W/kg;
902.5 MHz (GSM)
SAR=0.35 W/kg
per 78 settimane
(1.5 h al giorno, 5 giorni
la settimana).
Nessun effetto
Topi transgenici K2 e
non transgenici esposti
52 settimane al segnale
digitale dei telefoni
cellulari, GSM e
DAMPS
SAR: 0,5 W/kg
Nessun effetto
Animali presi al
necroscopio da uno
studio
cocarcinogenetico da
Heikkinen et al
2001
Durante le prime
settimane anche
irrdiazione X a 4 Gy
Animali presi al
necroscopio da uno
studio
cocarcinogenetico da
Heikkinen et al
2003
Esposizione 3 volte la
settimana alla
radiazione UV 1,2
MED
Juutilainen
et al 2007 [77]
Juutilainen
et al 2007 [77]
SSB Single-strand binding protein (proteina legante il singolo filamento) è una proteina in grado di
legare le regioni di DNA a singolo filamento, al fine di prevenirne il riappaiamento con un altro
singolo filamento.
DSB Double-strand binding protein (proteina legante il doppio filamento)
MN Micronuclei
SAR Specific Absorbition Rate (tasso di assorbimento specifico)
CW Continuous wave (onda continua)
PW Pulsed Wave (onda pulsata)
GSM Global System for Mobile Communications
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
116
A4 Limiti di esposizione alle RNI
A4.1 ICNIRP
La Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni Non Ionizzanti (ICNIRP) è
un’organizzazione scientifica indipendente, i cui scopi sono quelli di fornire orientamenti e
consigli sui rischi alla salute derivanti dall’esposizione alle radiazioni non ionizzanti.
L’ICNIRP è stato istituita per promuovere la protezione dalle radiazioni non ionizzanti a
beneficio di persone e dell'ambiente. Essa sviluppa linee guida internazionali sui limiti di
esposizione alle radiazioni non ionizzanti che sono indipendenti e basate su ricerche
scientifiche; fornisce una guida sulla base della scienza e raccomandazioni sulla protezione
dalle radiazioni non ionizzanti; stabilisce principi di protezione dalle radiazioni non ionizzanti
per la formulazione di programmi di protezione internazionale e nazionale.
L’ICNIRP ha recentemente pubblicato (nel 2009) una recensione sugli effetti biologici e
sanitari derivanti dall’esposizione ai campi e.m. ad alta frequenza (100kHz-300GHz); questo
documento affronta le prove scientifiche attualmente disponibili per l'esposizione alle alte
frequenze campi elettromagnetici (CEM) e le conseguenze che ne derivano per la salute. La
recensione è stata condotta da comitati ICNIRP permanenti in collaborazione con i suoi
membri Consulting. Esso copre tutti aspetti scientifici rilevanti in questo settore che
comprende dosimetria numerica, misurazioni, indagini biologiche di laboratorio in vitro e in
vivo, così come i risultati epidemiologici.
Precedentemente (1998) l’ICNIRP aveva pubblicato: “Linee guida per la limitazione
dell’esposizione a campi elettrici e magnetici variabili nel tempo ed a campi elettromagnetici
(fino a 300GHz)”. In questa pubblicazione l’ICNIRP riprende e riassume studi e indicazioni
precedentemente pubblicati da enti internazionali (OMS, IRPA/ICIRC, UNEP), aggiornandoli
in base ai più recenti studi scientifici; vengono descritti gli effetti diretti e indiretti dei campi
elettromagnetici; vengono discussi i risultati di studi di laboratorio e di indagini epidemiologiche,
i criteri fondamentali di protezione dalle esposizioni ed i livelli di riferimento adottati per una
pratica valutazione del danno sanitario; viene distinto il caso delle esposizioni per motivi
professionali e quelle del pubblico in generale.
La Commissione riconosce che, nello stabilire dei limiti di esposizione, si debbono conciliare
varie e diverse opinioni degli esperti. Si deve anche considerare la validità delle pubblicazioni
scientifiche, e si devono compiere delle estrapolazioni dagli esperimenti su animali agli effetti
sull’uomo. I limiti forniti nelle linee guida sono basati sui soli dati scientifici; le conoscenze
117
attualmente disponibili indicano che questi limiti forniscono in ogni caso una protezione adeguata
dall’esposizione ai campi elettromagnetici variabili nel tempo.
Queste linee guida per la limitazione delle esposizioni sono state sviluppate dopo un’accurata
revisione di tutta la letteratura scientifica pubblicata. I criteri adottati nel corso della revisione
sono stati appositamente studiati per valutare la credibilità dei vari risultati riportati (Repacholi e
Stolwijk 1991; Repacholi e Cardis 1997); solo gli effetti accertati sono stati utilizzati come base
per le restrizioni proposte. Si è giudicato che l’induzione di tumori per effetto di esposizioni a
lungo termine a campi elettromagnetici non sia stata accertata e pertanto queste linee guida si
basano sugli effetti sanitari immediati delle esposizioni a breve termine, come stimolazione dei
nervi periferici e dei muscoli, scosse e ustioni derivanti dal contatto con oggetti conduttori o
innalzamenti della temperatura dei tessuti in conseguenza dell’assorbimento di energia durante
l’esposizione a campi elettromagnetici. Per ciò che riguarda potenziali effetti a lungo termine,
come un aumento del rischio di cancro, l’ICNIRP ha concluso che i dati disponibili costituiscono
una base insufficiente per stabilire delle restrizioni all’esposizione, anche se la ricerca
epidemiologica ha fornito dei dati che suggeriscono, ma in modo non convincente,
un’associazione tra possibili effetti cancerogeni e l’esposizione a livelli di induzione magnetica a
50/60 Hz che sono molto inferiori a quelli raccomandati in queste linee guida.
I valori raccomandati si dividono in due categorie:
Restrizioni di base: Le restrizioni sull’esposizione sono basate su effetti sanitari accertati e
vengono chiamate restrizioni di base. Secondo la frequenza, le grandezze fisiche usate per
specificare le restrizioni di base per l’esposizione a campi elettromagnetici sono la densità di
potenza, il rateo di assorbimento specifico (o SAR, dall’inglese Specific Absorption Rate) e la
densità di potenza. Per la protezione da effetti nocivi per la salute, non si devono superare queste
restrizioni di base.
Livelli di riferimento: I livelli di riferimento vengono forniti ai fini di un confronto pratico
con i valori misurati di determinate grandezze fisiche: il rispetto di tutti i livelli di riferimento
forniti da queste linee guida assicurano il rispetto delle restrizioni di base. Se i valori misurati
sono superiori ai livelli di riferimento, non ne consegue necessariamente che siano superate le
restrizioni di base, ma è necessaria un’analisi più dettagliata per verificare il rispetto di queste
ultime.
A4.1.1 Restrizioni di base
Le basi scientifiche utilizzate per sviluppare le restrizioni di base sono diverse per i vari intervalli
di frequenza:
118
• tra 1 Hz e 10 MHz, vengono fornite restrizioni di base sulla densità di corrente, per
prevenire effetti sulle funzioni del sistema nervoso;
• tra 100 kHz e 10 GHz, vengono fornite restrizioni di base sul SAR, per prevenire sbalzi
termici nel corpo intero e riscaldamenti eccessivi di tessuti a livello locale; nell’intervallo tra
100 kHz e 10 MHz, vengono fornite restrizioni sia per la densità di corrente sia per il SAR;
• tra 10 e 300 GHz, vengono fornite restrizioni di base sulla densità di potenza, per prevenire
un riscaldamento eccessivo nei tessuti superficiali del corpo o in quelli adiacenti.
Nell’intervallo di frequenza tra pochi hertz e 1 kHz, se la densità di corrente indotta supera
100 mA/m2, vengono superate le soglie per variazioni dell’eccitabilità del sistema nervoso
centrale e per altri effetti acuti, come un’inversione dei potenziali visivi evocati.
Alla luce delle considerazioni di sicurezza sopra illustrate, è stato deciso che, per frequenze
comprese tra 4 Hz e 1 kHz, l’esposizione per motivi professionali debba essere limitata a
campi che inducano densità di correnti inferiori a 10 mA/m2, cioè che venga adottato un
fattore di sicurezza pari a 10. Per il pubblico in generale si applica un ulteriore fattore pari a 5,
che porta ad un limite di base di 2 mA/m2.
Al di sotto di 4 Hz e al di sopra di 1 kHz, le restrizioni di base sulla corrente indotta
aumentano progressivamente, in corrispondenza di un aumento della soglia per la
stimolazione nervosa in questi intervalli di frequenza. Gli effetti biologici e sanitari che sono
stati accertati nell’intervallo di frequenza tra 10 MHz e pochi GHz possono essere interpretati
come risposte ad un aumento della temperatura corporea di oltre 1°C. In condizioni
ambientali normali, un simile aumento di temperatura è provocato da un’esposizione ad un
SAR al corpo intero di circa 4 W/kg per circa 30 minuti.
Si è quindi scelto un SAR medio sul corpo intero di 0,4 W/kg, come limite in grado di fornire
un’adeguata protezione per l’esposizione professionale. Per l’esposizione della popolazione si
introduce un ulteriore fattore di sicurezza pari a 5, che fornisce un limite di 0,08 W/kg per il
SAR medio sul corpo intero.
L’abbassamento delle restrizioni di base nel caso di esposizione del pubblico generico tiene
conto del fatto che l’età e lo stato di salute possono essere diversi rispetto ai lavoratori.
Nel campo delle basse frequenze, vi sono al momento pochi dati che colleghino le correnti
transitorie ad effetti sanitari. L’ICNIRP raccomanda quindi che le restrizioni sulla densità di
corrente indotta da campi transitori o da impulsi di durata molto breve siano considerate come
valori istantanei e non siano mediati nel tempo.
Le restrizioni di base sulla densità di corrente, sul SAR mediato sul corpo intero e sul SAR
localizzato, per frequenze comprese tra 1 Hz e 10 GHz, sono presentate nella Tabella A6.1,
119
mentre le restrizioni sulla densità di potenza nell’intervallo di frequenza tra 10 GHz e 300 GHz
sono presentati nella Tabella A6.2.
Tabella A4.1. Restrizioni di base per campi elettrici e magnetici variabili nel tempo, con frequenze
fino a 10 GHz
Tabella A4.2 Restrizioni di base per la densità di potenza per frequenze comprese tra 10 e 300 GHz
120
A4.1.2 Livelli di riferimento
Quando è opportuno, i livelli di riferimento si ottengono dai limiti di base, alle specifiche
frequenze, attraverso modelli matematici ed estrapolazioni dai risultati delle ricerche di
laboratorio. I livelli di riferimento vengono forniti per le condizioni di massimo
accoppiamento del campo con l’individuo esposto e garantiscono quindi la massima
protezione.
Le tabelle A4.3 e A4.4 riassumono i livelli di riferimento per l’esposizione professionale e per
quella del pubblico generico, rispettivamente. I livelli di riferimento devono intendersi come
valori mediati sull’intero corpo dell’individuo esposto, ma con l’importante avvertenza che
non devono essere comunque superati i limiti di base per l’esposizione localizzata.
Tabella A4.3 Livelli di riferimento per l’esposizione professionale a campi elettrici e magnetici
(valori efficaci imperturbati)
121
Tabella A4.4. Livelli di riferimento per l’esposizione del pubblico a campi elettrici e magnetici
(valori efficaci imperturbati)
A4.2 Normativa Italiana sui limiti di esposizione alle RNI
In Italia i limiti di esposizione ai campi e.m. ad alta frequenza (100 kHz – 300 GHz) sono
stati fissati nel Decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri 8 luglio 2003.
Le disposizioni del decreto fissano i limiti di esposizione e i valori di attenzione per la
prevenzione degli effetti a breve termine e dei possibili effetti a lungo termine nella
popolazione dovuti alla esposizione ai campi elettromagnetici generati da sorgenti fisse con
frequenza compresa tra 100kHz e 300GHz. Il decreto fissa inoltre gli obiettivi di qualità, ai
fini della progressiva minimizzazione della esposizione ai campi medesimi e l'individuazione
delle tecniche di misurazione dei livelli di esposizione.
I limiti di esposizione, i valori di attenzione e gli obiettivi di qualità del decreto non si
applicano ai lavoratori esposti per ragioni professionali oppure per esposizioni a scopo
diagnostico o terapeutico.
122
Nel caso di esposizione a impianti che generano campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici
con frequenza compresa tra 100 kHz e 300 GHz, non devono essere superati i limiti di
esposizione di cui alla tabella A4.5, intesi come valori efficaci.
A titolo di misura di cautela per la protezione da possibili effetti a lungo termine
eventualmente connessi con le esposizioni ai campi generati alle suddette frequenze
all'interno di edifici adibiti a permanenze non inferiori a quattro ore giornaliere, e loro
pertinenze esterne, che siano fruibili come ambienti abitativi quali balconi, terrazzi e cortili
esclusi i lastrici solari, si assumono i valori di attenzione indicati nella tabella A4.6.
Ai fini della progressiva minimizzazione della esposizione ai campi elettromagnetici, i valori
di immissione dei campi oggetto del decreto, calcolati o misurati all'aperto nelle aree
intensamente frequentate, non devono superare i valori indicati nella tabella A4.6. Detti valori
devono essere mediati su un'area equivalente alla sezione verticale del corpo umano e su
qualsiasi intervallo di sei minuti.
Per aree intensamente frequentate si intendono anche superfici edificate ovvero attrezzate
permanentemente per il soddisfacimento di bisogni sociali, sanitari e ricreativi.
Tabella A4.5 Limiti di esposizione alle RNI (normativa italiana)
Frequenza
Intensità
del
campo Intensità
elettrico E (V/m)
del
campo Densità
magnetico H (A/m)
di
potenza
2
(W/m )
100kHz < f < 3MHz
60
0,2
-
3MHz < f < 3GHz
20
0,05
1
3GHz < f < 300GHz
40
0,01
4
Tabella A4.6 Valori di attenzione e obiettivi di qualità
Frequenza
100kHz < f < 300GHz
Intensità del campo
Intensità del campo
Densità di potenza
elettrico E (V/m)
magnetico H (A/m)
(W/m2)
6
0,016
0,10
(3MHz<f<300GHz)
Più di venti paesi del mondo si adeguano, nelle rispettive norme in materia, ai livelli di
riferimento raccomandati dall’ICNIRP nel 1998. Facciamo notare che i livelli di riferimento
variano in funzione della frequenza. Per esempio, assumendo un valore massimo di
assorbimento di 0,08 W/kg per l’esposizione umana, si raccomanda per l’area in prossimità di
un’antenna trasmittente (con una frequenza attorno a 900 MHz, tipica della telefonia mobile)
un livello di riferimento di 41 V/m.
123
Il fatto che riguardo agli effetti atermici nel mondo scientifico non vi è certezza, in Italia ha
destato particolare attenzione ed ha avuto anche un riscontro legislativo diretto. Rispetto a
molti altri paesi, infatti, lo Stato italiano ha stabilito per gli ambienti abitativi dei valori di
cautela molto restrittivi. Se infatti un limite sanitario può essere stabilito soltanto in base a
conoscenze accertate sugli effetti delle radiazioni per la salute umana, un valore di attenzione
o obiettivo di qualità tiene conto anche degli effetti a lungo termine, possibili ma non ancora
dimostrati, e si propone di garantire, nel dubbio, un livello di sicurezza ancora piú elevato.
Ecco perché, nel territorio italiano, in corrispondenza di edifici adibiti a permanenza non
inferiore a 4 ore, per le frequenze comprese fra 0,1 MHz e 300 GHz si è stabilito un unico
limite di cautela per il campo elettrico pari a soli 6 V/m, adottando così un criterio
decisamente più restrittivo rispetto a quello raccomandato dall’ICNIRP (per esempio 41 V/m
per la frequenza di 900 MHz).
La tabella A4.7 riporta un confronto a livello internazionale dei livelli di riferimento per la
telefonia mobile per le frequenze di 900 MHz e 1800 MHz, per i quali alcuni stati, fra cui p.
es. l’Italia, hanno introdotto dei valori di cautela più restrittivi di quelli raccomandati
dall’ICNIRP.
Tabella A4.7 Confronto internazionale per i livelli di riferimento
del campo elettrico
124
A5 Test statistici di significatività
Nei test statistici di significatività (o test di ipotesi) si sottopone a test un’ipotesi su un
parametro di una popolazione, con lo scopo di decidere, esaminando un campione tratto dalla
popolazione, se l’affermazione riguardante il parametro è vera o falsa. Tale ipotesi viene detta
ipotesi zero, o anche ipotesi nulla, ed indicata con H0. Quando si effettua il confronto fra due
o più gruppi di dati (campioni), l’ipotesi zero prevede sempre che non esista alcuna differenza
tra i gruppi riguardo al parametro considerato. Quindi se l’ipotesi nulla è valida, i campioni
vengono dalla stessa popolazione e le eventuali differenze osservate nei campioni (il
parametro considerato) vanno attribuite al solo caso.
Vi è da sottolineare che con la verifica delle ipotesi, ed in generale con l’inferenza statistica,
non si arriva alla dimostrazione di un’ipotesi; si ha solo un’indicazione del fatto che l’ipotesi
sia o meno avvalorata dai dati disponibili; quando non si rifiuta un’ipotesi nulla non si dice
che è vera, ma che può essere vera; in altre parole se non rifiutiamo l’ipotesi nulla, possiamo
solo concludere che il campione non fornisce prove sufficienti a garantirne il rifiuto, ma ciò
non implica alcuna dimostrazione. Riassumendo le possibili conclusione di un test di ipotesi
sono:
1. se l’ipotesi nulla H0 è rifiutata, si conclude che l’ipotesi alternativa H1 è probabilmente
vera
2. se l’ipotesi nulla H0 non è rifiutata si conclude che i dati non forniscono una sufficiente
evidenza per sostenere l’ipotesi alternativa.
In generale quando si usa una statistica campionaria per prendere una decisione sul parametro
di una o più popolazioni, si corre sempre il rischio di giungere ad una conclusione sbagliata.
Questo dipende dal fatto che un’informazione parziale, ottenuta da un campione (più o meno
limitato), è usata per trarre conclusione sull’intera popolazione.
Nel test di ipotesi possiamo distinguere due tipi di errore.
Se l’ipotesi H0 è vera, ma viene erroneamente rifiutata, si commette un errore di tipo I; la
probabilità di commettere tale errore è indicata con α.
Se l’ipotesi H0 è falsa, ma erroneamente non viene rifiutata, si commette un errore di tipo II;
la probabilità di commettere questo tipo di errore è indicata con β.
I risultati delle decisioni a cui si perviene con un test di ipotesi possono essere riassunti:
H0 è vera
H0 è falsa
Rifiutiamo H0
Errore di tipo I (probabilità α)
Decisione corretta
Accettiamo H0
Decisione corretta
Errore di tipo II (probabilità β)
125
La probabilità α di commettere un errore di tipo I, ossia di rifiutare un’ipotesi vera, è detta
livello di significatività. La probabilità alternativa (1-α) viene detta grado di fiducia.
La probabilità β di commettere un errore di tipo II, ossia di accettare un’ipotesi falsa, viene
chiamata anche rischio del consumatore.
La decisione di respingere o accettare l’ipotesi nulla viene presa sulla base di valori statistici
calcolati sul campione (statistica test). Dai dati del campione si ricava una variabile statistica,
la cui distribuzione viene detta statistica test ed è, di solito, una distribuzione nota, come la
distribuzione normale o la distribuzione t-student; si ricorre a queste distribuzioni per
sottoporre a verifica l’ipotesi nulla.
Utilizzando le proprietà della statistica, si può identificare un intervallo di valori poco
probabili se l’ipotesi nulla è vera.
La distribuzione di campionamento della statistica test viene così divisa in due regioni, una
regione di rifiuto ed una di accettazione, delimitate da uno o più valori, detti valori critici.
I test di ipotesi possono essere classificati in due gruppi: test ad una coda (o test unilaterale) e
test a due code.
I test ad una coda si hanno si hanno quando la regione di rifiuto è costituita da un unico
intervallo, e si presentano quando l’ipotesi nulla si basa su una logica di maggiore o minore
(es. l’ipotesi H0 afferma che la media m1 di una popolazione è maggiore della media m2 di
un’altra popolazione).
Figura A5.1 Test ad una coda
I test a due code si hanno quando la regione di rifiuto è costituita da due intervalli, e si
presentano quando l’ipotesi nulla si basa su una logica di uguaglianza (es. l’ipotesi H0 afferma
che la media m1 di una popolazione è uguale alla media m2 di un’altra popolazione, vale a
dire che due diversi campioni statistici appartengono alla stesa popolazione).
126
Figura A5.2 Test a due code
A5.1 Test di ipotesi sulla differenza tra due medie - Test t-student
Quando il parametro da considerare è la media di due campioni, e vogliamo sapere se
l’eventuale differenza fra le due medie è significativa, si utilizza il test di Student.
Introdotto dal chimico inglese Gosset per testare campioni di birra per l’azienda dove
lavorava (la Guiness di Dublino)37, tale test viene utilizzato anche oggi per l’analisi di
campioni limitati, per i quali sono noti le medie e le varianze campionarie, ma non quelle
delle popolazioni di origine.
Considerando i valori campionari la distribuzione delle
probabilità non è più fornita dalla distribuzione normale, ma da un’altra distribuzione, detta
appunto di Student. La variabile casuale introdotta da Gosset (statistica test) viene definita:
t=
(X
1
− X 2 )− d
1 1
S 2  + 
 n1 n 2 
(A5.1)
con grado di libertà n = n1 + n2 – 2
37
Gosset era un chimico inglese assunto dalla famosa birreria Guinness di Dublino per svolgere analisi
statistiche su campioni di prodotti, mansione che oggi verrebbe chiamata controllo di qualità. Le
diverse birre venivano testate da un numero limitato di assaggiatori, che esprimevano il loro giudizio
attraverso un voto; una nuova tipologia di birra (fatta con una particolare selezione di malti) poteva
essere messa a confronto con una già in produzione, ed ottenere una media dei voti superiore a quella
vecchia; questo però poteva essere un effetto casuale, dovuto alla limitatezza del campione utilizzato;
prima di convertire la produzione verso la nuova birra, era necessario quindi un test che potesse dare
una valutazione (probabilistica) dell’errore che si potrebbe commettere nel considerare di uguale
qualità le due birre.
127
dove X1 e X2 sono le medie38 dei due campioni, d è la differenza che si ipotizza esistente tra le
due medie (solitamente d = 0), n1 ed n2 sono il numero dei campioni, ed S2 è la stima
congiunta delle varianze39 s1 ed s2 ricavabile dalla seguente formula A9.2
S2 =
(n1 − 1)s12 + (n 2 − 1)s 22
n1 + n 2 − 2
(A5.2)
La distribuzione di probabilità della variabile aleatoria t è mostrata in figura. Essa è a forma di
campana e simmetrica, ma con una dispersione che diminuisce con il numero di gradi di
libertà. Pertanto non vi è una sola curva t ma, a differenza di quanto avviene per la
distribuzione normale, esiste una intera famiglia di distribuzioni t, una per ogni grado di
libertà. Aumentando il numero di campioni n, la distribuzione di Student tende a una
distribuzione normale (n = ∞).
Figura A5.3 Distribuzioni t-student
Quando la distribuzione t di Student è applicata a test di verifica delle ipotesi, è necessario
rispettare le seguenti ipotesi:
• i campioni provengono da una popolazione avente una distribuzione Normale;
• le osservazioni devono essere raccolte in modo indipendente
n
∑x
38
Media
X=
i
i =1
n
2
n
∑ (x − x )
i
39
Varianza campionaria corretta
128
2
s =
i =1
(n − 1)
A6 Risultati dettagliati dell’esperimento
A6.1 Risultati del primo conteggio
Tabella A6.1 Dati riassuntivi dell’osservazione del controllo positivo
Controllo Positivo
micronuclei
mitosi
Apice 1
11
61
Apice 2
23
92
Apice 3
21
88
Apice 4
12
40
Apice 5
8
82
TOTALE
75
363
Tabella A6.2 Dati riassuntivi dell’osservazione del vetrino A
(esposizione a RNI per 24 h con fissaggio a 72h)
Vetrino A (24h/72h)
micronuclei
mitosi
Apice 1
0
65
Apice 2
4
84
Apice 3
3
117
Apice 4
2
79
Apice 5
0
141
TOTALE
9
485
129
Tabella A6.3 Dati riassuntivi dell’osservazione del vetrino B
(esposizione a RNI per 72 h con fissaggio a 72h)
Vetrino B (72h/72h)
micronuclei
mitosi
Apice 1
2
129
Apice 2
0
108
Apice 3
6
100
Apice 4
1
101
Apice 5
1
125
TOTALE
10
563
Tabella A6.4 Dati riassuntivi dell’osservazione del vetrino C
(controllo negativo)
Controllo Negativo
micronuclei
mitosi
Apice 1
0
110
Apice 2
3
108
Apice 3
0
90
Apice 4
1
109
Apice 5
2
136
TOTALE
6
553
Tabella A6.5 Dati complessivi del numero di micronuclei nei 4 trattamenti
130
Vetrino C
Controllo
Positivo
Vetrino A
Vetrino B
(24h/72h)
(72h/72h)
apice 1
0
2
(Controllo
Negativo)
0
apice 2
4
0
3
23
apice 3
3
6
0
21
apice 4
2
1
1
12
apice 5
0
1
2
8
media
1,8
2,0
1,2
15,0
Dev Stand
1,79
2,35
1,30
6,60
Errore Stand
0,80
1,05
0,58
2,95
11
A6.2 Risultati dopo il secondo conteggio
Tabella A6.6 Dati riassuntivi (primo e secondo conteggio)
dell’osservazione del vetrino B (esposizione a RNI per 72 h
con fissaggio a 72h)
Vetrino B (72h/72h)
micronuclei
mitosi
apice 1
2
129
apice 2
0
108
apice 3
6
100
apice 4
1
101
apice 5
1
125
apice 6
7
110
apice 7
4
95
apice 8
8
106
apice 9
2
132
apice 10
3
105
apice 11
6
135
apice 12
5
89
apice 13
2
87
apice 14
5
123
apice 15
4
133
Media
3,73
111,8
Dev Stand
2,40
16,4
Errore standard
0,62
4,2
131
Tabella A.7 Dati riassuntivi (primo e secondo conteggio)
dell’osservazione del vetrino C (Controllo Negativo)
Vetrino C (Controllo Negativo)
132
micronuclei
mitosi
apice 1
0
110
apice 2
3
108
apice 3
0
90
apice 4
1
109
apice 5
2
136
apice 6
2
147
apice 7
1
137
apice 8
3
204
apice 9
2
158
apice 10
1
149
apice 11
2
164
apice 12
3
88
apice 13
0
128
apice 14
4
132
apice 15
1
155
Media
1,67
134,3
Dev Stand
1,23
30,7
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RINGRAZIAMENTI
Ringrazio i miei relatori, il prof. G. Carboni e il prof. M. Rizzoni, la dott.ssa B. Gustavino, G.
Paoluzzi, per il loro aiuto e la loro collaborazione in questo lavoro di tesi, comprendendo e
venendomi incontro per la mia condizione di studente lavoratore e fuori sede.
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