TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN FISICA STUDIO 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

Prof. Giovanni CARBONI

Prof. Marco RIZZONI

CANDIDATO

Roberto PETRILLO

Anno Accademico 2009-2010

SOMMARIO

1 INTRODUZIONE .............................................................................................................. 7

2 LE RADIAZIONI NON IONIZZANTI, SORGENTI NATURALI ED ARTIFICIALI . 12

2.1 La radiazione elettromagnetica ................................................................................. 12

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 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

3 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

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 Altri effetti delle radiazioni e.m. .............................................................................. 63

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 Studi a livello cellulare ............................................................................................. 64

4.7.1 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

5 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

5.4 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 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

6 RISULTATI E DISCUSSIONI ........................................................................................ 96

5

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

7

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.

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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

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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

10

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

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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.

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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.

nc

k=

⋅==

εµω 1

v (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 (2.2)

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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.

0

0

µε

=HE

= Z0 = 377 Ω (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 = E x H (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

0

2

2 )(ZE

tmWatt

Intensità ==

S (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.

14

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

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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

Covalente 50-100 2,2 – 4,8

Van der Vals 1-2 0,04 – 0,08

Legame Idrogeno 3-7 0,13 – 0,30

Ionico 5 0,2

Energia termica a 310K 0,62 0,027

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

LF Bassa Frequenza 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

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

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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%

17

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

http://www.ecoage.it/la-radiazione-solare-al-suolo.htm

18

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

19

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.

20

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

Riferimento

0,3 – 3 (MF) 1 - 50 AM 3 - 800 1 – 100 m Mantiply et

al. 1997 [3]

600 AM 40 - 500 10 – 100 m Jokela et al. 1994 [4]

3 – 30 (HF)

- AM 2 - 200 0 – 300 m Mantiply et al. 1997 [3]

500 AM 35 - 120 5 – 100 m Jokela et al. 1994 [4]

4 FM 60 - 900 Sulla torre Mantiply et al. 1997[3]

30 – 300 (VHF)

- FM – AM (TV) Fino a 430 Sulla torre Mantiply et

al. 1997 [3]

- FM 300 10 – 15 cm dal cavo RF

Hansson Mild 1981

300 – 3000 (UHF)

40 FM 20 - 150 20 cm dalla scala

Jokela et al. 1999

30 DVB o FM/AM (TV) Fino a 620 Sulla torre Hansson

Mild 1981

16 DVB o FM/AM (TV) Fino a 526 10 – 20 cm

dall’antenna 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

21

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

22

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.

http://it.wikipedia.org/wiki/Milliwatt

http://it.wikipedia.org/wiki/Decibel

http://it.wikipedia.org/wiki/Metro

http://it.wikipedia.org/wiki/Tecnica

http://it.wikipedia.org/wiki/Multiplazione

http://it.wikipedia.org/wiki/Canale_%28Telecomunicazioni%29

23

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]

0

20

40

60

80

100

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Figura 2.7 Numero di abbonamenti di telefonia mobile in Italia, valori in milioni [5]

0

25

50

75

100

125

150

175

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]

24

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

25

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.

26

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 1885-

2010MHz 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.

27

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

28

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

Impulso di trasmissione in standby ogni … min 12 -240 5 - 720, attualmente ca. 33

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.

29

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

30

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 MPB Srl Roma 10 Sonda utilizzata sensore: EMCO model 7405/905

31

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

32

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

Europa European Specification

ICNIRP Guidelines 1998 (ICNIRP 1998) [16]

2,0 W/Kg in 10g di tessuto per 6

minuti ES 59005 (1998)</FONT< td>

Australia

Australian Communications Authority (ACA) Standard Australian Standard

AS/NZS 2772.1 1,6 W/Kg in 1g di

tessuto (ACA RS 1999)

US

Federal Communications Commission (FCC) American Standard ANSI

C95.1 (ANSI 1992)

1,6 W/Kg in 1g di tessuto per 30

minuti Guidelines (FCC 1997)

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.”

33

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.

34

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

35

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]

Tecnologia Livelli di flusso di potenza media misurati W/m-2

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

GSM1800 (12 torri)

3.1·10-4 4.1·10-5 4.7·10-6 4.3·10-4

3G (35 torri)

4.1·10-5 5.6·10-5 7.6·10-6 1.4·10-4

Tutti 3.8·10-4 2.8·10-4 2.8·10-5 8.1·10-4

1Massimo 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.

36

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

37

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:

t∂

∂=

DJS (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:

EDJS ⋅⋅=⋅= εωω ii (3.3)

13 ε0 = 8,85·10-12 F/m

38

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:

DE

=)(ωε) (3.5)

e la 3.1 viene riscritta:

ED ⋅= )(ωε) (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 )(ωε) , chiamata permittività statica :

)(ˆlim0

ωεεω→

=s (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:

39

( )δδεωεωεωε iseni −=−= cos)('')(')(ˆ (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:

dS

C ⋅= ε (3.9)

Sd

R ρ= (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:

dS

ijCi

RZ

+=+=

ωρεωω 111

(3.11)

40

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.

'''

1ˆ εεωσε

ωρεε ii

i−=−=+= (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:

ΕΕJJJ CST ·· i σεω + =+= (3.13)

Mettendo in evidenza il campo E:

( ) EEEEJ T ⋅⋅=⋅

−⋅=⋅

+⋅=⋅+= εωωσεω

ωσεωσωε ˆiiii

ii (3.14)

Dove ε 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):

'''

' εε

ωεσ

===S

C

JJ

p (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

41

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:

'''

εεδ =ptg (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:

m

ESAR

ρσ 2⋅

= (3.18)

42

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.

43

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 i

r

EE

=Γ (3.19)

coefficiente di trasmissione i

t

EE

T = (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

12

12

ηηηη

+−

=Γ (3.21)

Γ+=

+⋅

= 12

12

2

ηηη

T (3.22)

ove η1 ed η2 sono le impedenze d'onda, rispettivamente del mezzo 1 e 2.

44

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

ωεσωµηi

i+

= (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

1

1

2

RE

P ii ⋅=

η (3.24a)

1

1

2

RE

P rr ⋅=

η (3.24b)

2

2

2

RE

P tt ⋅=

η (3.24c)

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]

45

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:

46

δx

eEE−

⋅= 0 (3.25)

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]

( ) 21

112

'

1

20

−+⋅

=

pεµω

δ (3.26a)

'''

' εε

εωσ

=⋅

=p (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

47

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.

48

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.

49

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.

massaPotenza

SAR =

kgWatt

(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.

( ) ( ) ( )

( )zyxzyxEzyx

zyxSARm ,,

,,,,,,

2

ρσ ⋅

= (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.

50

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

( )

2/1

222

280 4

21075,2−

++⋅⋅= dllf

π (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:

51

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:

52

tT

cSAR∆∆

= (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.

53

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.

54

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

55

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 18 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.

56

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).

57

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;

58

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

59

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

60

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,

61

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

62

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.

63

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].

64

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).

http://it.wikipedia.org/wiki/Cromosoma

http://it.wikipedia.org/wiki/Cariotipo

http://it.wikipedia.org/wiki/Mitosi

http://it.wikipedia.org/wiki/Meiosi

http://it.wikipedia.org/wiki/Aberrazione_cromosomica

http://it.wikipedia.org/wiki/Anomalia_genomica

65

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.

66

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

67

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

68

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.

http://it.wikipedia.org/wiki/Test_di_mutagenesi

http://it.wikipedia.org/wiki/Interfase

http://it.wikipedia.org/wiki/Mutageno

69

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]);

http://it.wikipedia.org/wiki/Statistica

70

• 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]

71

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,

72

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

73

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]

( )

( )

+

−⋅⋅

=Ω

r

fr

C

C

dtd

wZ

εε

0885,0212

15,94

(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.

74

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]:

2b

ZPE C⋅

= (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]

( )ac

f c 20,1 = (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

75

la 5.4 permette di calcolare le altre frequenze di taglio di ordine superiore.

( )

banambc

f nmc 2)( 2222

,

+= (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

76

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.

77

Tabella 5.1 Caratteristiche della strumentazione utilizzata per la prova

Generatore 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

Amplificatore Mini-Circuits ZHL-5W-2G+ 50Ω 5W Range di frequenza 800 - 2000kHz Guadagno tipico 45 dBm (da 40 a 50 dBm)

Wattmetro 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.

78

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).

50

2VP = (5.5)

( )][log10][ mWPdBmP = (5.6)

27 A questo scopo sarebbe stato più utile un analizzatore di spettro.

79

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

80

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 Wattmetro

Ri = 50 Ω Rc = 50 Ω

dBm f (MHz) Vrms (V) P (mW) P (dBm)

P corretto

dBm

P corretto

(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.

81

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.

82

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

83

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

84

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:

( )mV

b

ZPE Cm 793

2±=

⋅= 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:

( ) 20

2

323mW

ZE

I ±==

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

85

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

86

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.

http://it.wikipedia.org/wiki/Cellule_staminali

87

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.

88

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.

89

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

90

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

91

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

92

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.

93

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.

94

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

( ) ( )TdtTd

CP tC ∆⋅+∆

= λ (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:

)1( τ

t

F eTT−

−∆=∆ (5.8)

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:

)1( τ

t

F eRR−

−∆=∆ (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:

CARR

TT

FF

0

0

)03,034,5( ±=∆

=∆

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 = WT

Ct F 54,0=∆

⋅τ

e da questa la SAR:

kgWT

cmP

SAR Fc )04,057,2( ±∆

⋅==τ

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

kgW

SAR )01,000,1(4

55,157,2±=

⋅=

95

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;

( )

0=

∆=

tC dt

TdCP

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:

kgW

ARdtRd

cdtdT

cSART

)18,053,2(1)(

0

±=∆

== per Pi = 4W

Riportando il valore al caso dell’esperimento sulle piantine con potenza di ingresso Pi =

1,55W:

kgW

SAR )05,098,0(4

55,153,2±=

⋅=

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]).

96

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 Tempo di fissaggio (h)

Frequenza micronuclei / apice (5000 cellule)

(± ES)

Indice mitotico medio / apice (5000 cellule)

(± ES)

Controllo Negativo 1,30±0,58 110,6±7,3

RF 915 MHZ

SAR = 1W/kg

I = 23 W/m2

24h

72h

1,80±0,80

2,00±1,05

97,0±13,8

112,5±6,1

Controllo Positivo MH 48h 15,0±2,9 72,6±9,7

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)

97

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 t-

student35. 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

t

Vetrino A

Esposizione

24h/72h

Vetrino B

Esposizione

72h/72h

Vetrino C

Controllo

Negativo

Controllo

Positivo

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

Tabella 6.3 Valori del p-value per la differenza tra la media della distribuzione riga e la media della distribuzione colonna

p-value

Vetrino A

Esposizione

24h/72h

Vetrino B

Esposizione

72h/72h

Vetrino C

Controllo

Negativo

Controllo

Positivo

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

35 Vedi Appendice A5

98

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.

99

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)

Frequenza micronuclei/5000

cellule (± ES)

Indice mitotico medio/5000 cellule

(± ES)

Controllo Negativo 1,67±0,32 134,3±7,9

RF 915 MHZ SAR = 1W/kg I = 23 W/m2

72h 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)

100

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.

101

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

102

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

103

APPENDICE

104

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.

105

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

106

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]

107

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

http://it.wikipedia.org/wiki/Lingua_latina

http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Batteri_acidoplastici&action=edit&redlink=1

http://it.wikipedia.org/wiki/Protozoo

http://it.wikipedia.org/wiki/Organismo_unicellulare

http://it.wikipedia.org/wiki/Uomo

http://it.wikipedia.org/wiki/Organismo_pluricellulare

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http://it.wikipedia.org/wiki/Animalia

http://it.wikipedia.org/wiki/Plantae

http://it.wikipedia.org/wiki/Fungi

http://it.wikipedia.org/wiki/Principi_nutritivi

http://it.wikipedia.org/wiki/Energia

108

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 N-

glicosidico. 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

http://it.wikipedia.org/wiki/Polimeri

http://it.wikipedia.org/wiki/Monomero

http://it.wikipedia.org/wiki/Nucleotide

http://it.wikipedia.org/wiki/Gruppo_fosfato

http://it.wikipedia.org/wiki/Deossiribosio

http://it.wikipedia.org/wiki/Zucchero

http://it.wikipedia.org/wiki/Pentoso

http://it.wikipedia.org/wiki/Base_azotata

http://it.wikipedia.org/wiki/Legame_glicosidico

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http://it.wikipedia.org/wiki/Adenina

http://it.wikipedia.org/wiki/Guanina

http://it.wikipedia.org/wiki/Citosina

http://it.wikipedia.org/wiki/Timina

http://it.wikipedia.org/wiki/Codice_genetico

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http://it.wikipedia.org/wiki/Cromosoma_1

http://it.wikipedia.org/wiki/Paia_di_basi

109

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).

110

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

http://it.wikipedia.org/wiki/Cromosomi

http://it.wikipedia.org/wiki/Microscopio_ottico

http://it.wikipedia.org/wiki/Cromatidio

http://it.wikipedia.org/wiki/Centrosoma

http://it.wikipedia.org/wiki/Microtubuli

http://it.wikipedia.org/wiki/Fuso_mitotico

http://it.wikipedia.org/wiki/Tubulina

http://it.wikipedia.org/wiki/Falloidina

http://it.wikipedia.org/wiki/Apparato_del_Golgi

http://it.wikipedia.org/wiki/Reticolo_endoplasmatico

http://it.wikipedia.org/wiki/Citoplasma

http://it.wikipedia.org/wiki/Membrana_nucleare

111

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

http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Dissoluzione&action=edit&redlink=1

http://it.wikipedia.org/wiki/Fosforilazione

http://it.wikipedia.org/wiki/Chinasi

http://it.wikipedia.org/wiki/Proteine

http://it.wikipedia.org/wiki/Lamina_%28proteina%29

http://it.wikipedia.org/wiki/Centrosomi

http://it.wikipedia.org/wiki/Cellula

http://it.wikipedia.org/wiki/Cromatidi



http://it.wikipedia.org/wiki/Enzima

http://it.wikipedia.org/wiki/Microtubuli

http://it.wikipedia.org/wiki/Fuso_mitotico

112

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

http://it.wikipedia.org/wiki/Cromosomi

http://it.wikipedia.org/wiki/Organelli

http://it.wikipedia.org/wiki/Citodieresi

http://it.wikipedia.org/wiki/Citoplasma

http://it.wikipedia.org/wiki/Actina

113

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 Condizioni di esposizione

Effetto Commento Riferimento

SSB e DSB in fibroblasti diploidi umani ed in cellule granulose di ratto, campionate subito dopo l’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

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

Diem et al 2005 [46]

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

Danni al DNA a 3W/kg osservati a 0 e 30 minuti dall’esposizione

L’esposizione per 2h a 2 e 3 W/kg hanno mostrato anche un incremento significativo nell’espressione della proteina hsp 70

Sun et al 2006 [47]

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

Incremento del fattore coda della cometa in modo dipendente dalla dose e dal tempo

Schwarz et al 2008 [48]

A3.2 Indagini citogenetiche sulla genotossicità delle RF

Saggio biologico Condizioni di esposizione Effetto Commento Riferimento

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

SAR non data

Garaj-Vrhovac et al 1991 [49]

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

Incremento proporzionale al tempo di aberrazioni cromosomiche (es. di centriche, acentriche, frammenti)

Probabile effetto termico; SAR non data

Garaj-Vrhovac et al 1992 [50]

Aberrazione cromosomica, scambio di cromatidi fratelli e test dei micronuclei in linfociti umani

2450 MHz PW; SAR: 75 W kg-1 per 30 e 120 min

Incremento della frequenza di aberrazioni cromoisomiche e di micronuclei, ma non di SCE o effetti sulla proliferazione cellulare

Probabile effetto termico

Maes et al 1993 [51]

Test delle aberrazioni cromosomiche in linfociti umani

954 MHz SAR: 1.5 W kg-1 per 2 h

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]

Test dei micronuclei in linfociti umani

415 MHz; standard NMT; Esposizione per 10, 20, 30 minuti con potenza di uscita di 15W

Incremento proporzioanle con il tempo della frequenza di micronuclei

SAR non data Garaj-Vrhovac et al 1996 [53]

114

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

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)

SAR non data Zotti-Martelli et al 2000 [54]

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

Nessun aumento della frequenza di micronuclei o di danno al DNA in base al test della cometa

McNamee et al 2003 [55]


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

Nessun incremento nella frequenza di micronuclei

Zeni et al 2003 [56]


1800 MHz, CW con una densità di potenza 5, 10 e 200 W m-2 per 60, 120 e 180 min.

Le microonde hanno mostrato di poter indurre micronuclei con esposizioni a breve termine a campi con densità di potenza media

SAR non data Zotti-Martelli et al 2005 [57]


CW o GMSK 1748 MHz; SAR: 5 W kg-1; Esposizione 15min.

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

Nessun cambiamneto rilevato nella proliferazione cellulare dopo l’esposizione a campi sia CW che GMSK

D’Ambrosio et al 2002 [58]

Rilevamento di aneuploidia in linfociti umani

830 MHz CW; SAR :2, 2.9, 4.3, 8.2 W kg-1; Esposizione per 72 h

Incremento dell’aneuploidia del cromosoma 17 in modo proporzionale alla SAR

Mashevich et al 2003 [59]


Segnale 900 MHz GSM SAR: 1, 5and 10 W kg-1, esposizione 24 h

Nessuna evidenza di effetto genotossico (test dei micronuclei) o di effetti citotossici

Scarfi et al 2006 [60]

Aberrazione cromosomiche e micronuclei in linfociti umani

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

Nessun effetto negativo sulla cinetica e sulla proliferazione cellulare o sulla quantità di danni cromosomici

Vijayalaxmi 2006 [61]

Test dei micronuclei e test della cometa alcalino in fibroblasti umani ES1 diploidi e in cellule V79 di criceto cinese

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

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]

Test dei micronuclei e test della cometa alcalino in linfociti umani

Segn. UMTS 1950 MHz Esposiz. intermittente (6 minuti acceso, 2 ore spento) per 14 e 68 ore SAR 2,2 W/kg

Nessun incremento nella frequenza di micronuclei

Nessun effetto sul test della cometa alcalino

Zeni et al 2008 [63]

Studi di aneuploidia in linfociti umani

800 MHz, CW, SAR: 2,9 e 4,1 W k7g per 72 h

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]

115

A3.3 Studi sulla genotossicità delle RF su animali vivi

Saggio biologico

Condizioni di esposizione Effetto Commento Riferimento

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


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


et al 2001a [67]

Micronuclei in cellule di sangue periferico in ratti

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]

Micronuclei in cellule di midollo osseo di ratto

1600 MHz; Iridium signal; SRA: 0,16 e 1,6 W kg-1; 2 h per giorno, 5 giorni la settimana per due anni

Nessun segno di effetto genotossico Vijayalaxmi

et al 2003 [69]

Micronuclei in cellule periferiche di sangue e di midollo osseo in topi

42.2 GHz; SAR: 622 ±100 W kg-1; 30 min al giorno per tre giorni Esposizione anche con cyclophosphamide

Nessun segno di effetto genotossico delle RF e nessuna influenza della cyclophosphamide

Vijayalaxmi et al 2004 [70]


2450 MHz; CW; SAR: 1.25 W kg-1; 2 h al giorno, 7 giorni la settimana e 4, 16, 30 e 60 h

Aumento dell’incidenza di micronuclei nel giorno sperimantale 15

Trosic et al 2004b [71]


910 MHz; SAR di picco : 0.42 W/kg 2 h/giorno per 30 giorni consecutivi

Aumento dell’incidenza di micronuclei

L’osservazione può essere stata alterata dalla presenza di granuli cellulari che non è stato possibile discriminare dai micronuclei

Lai and Singh 2005 [72]

Micronuclei in eritrociti, in cellule di midollo osseo, in cheratinociti, e linfociti della milza di topi

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

Nessun danno osseervato in cellule cerebrali

Görlitz et al 2005 [73]

Danno al DNA (test della cometa alcalino) e micronuclei in

900 MHz; ampiezza modulata; SAR: 0.3 e 0.9 W kg-1;

L’esposizione simultanea ad RF e ad MX non ha

Verschaeve et al 2006 [74]

116

cellule del sangue, del fegato e del cervello di ratto

2 h al giorno 5 giorni la settimana per 2 anni Esposizione insieme ad MX nell’acqua da bere

aumentato la risposta dei test

Formazione di micronuclei nel sangue di ratti esposti alla radiazione di un telefono cellulare durante l’embriogenesi

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

Aumento significativo della frequenza di MN negli eritrociti dei neonati dei ratti gravidi esposti

Ferreira et al 2006 [75]

Danno al DNA (test della cometa alcalino) in cellule cerebrali di ratto

2.45 GHz e 16.5 GHz SAR: 1.0 e 2.01 W/kg Esposizione 2 h al giorno per 35 giorni

Aumento statisticamente significativo di rotture al singolo filamento di DNA seguenti all’esposizione RF

Paulraj and Behari 2006 [76]

Frequenza di micronuclei in eritrociti di topi

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

Animali presi al necroscopio da uno studio cocarcinogenetico da Heikkinen et al 2001 Durante le prime settimane anche irrdiazione X a 4 Gy

Juutilainen et al 2007 [77]

Frequenza di micronuclei in eritrociti di topi

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 2003 Esposizione 3 volte la settimana alla radiazione UV 1,2 MED

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

http://it.wikipedia.org/wiki/DNA

117

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

118

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:

119

• 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,

120

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

121

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)

122

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.

123

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

elettrico E (V/m)

Intensità del campo

magnetico H (A/m)

Densità di potenza

(W/m2)

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 Intensità del campo

elettrico E (V/m)

Intensità del campo

magnetico H (A/m)

Densità di potenza

(W/m2)

100kHz < f < 300GHz 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.

124

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

125

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)

126

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).

127

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:

( )

+

−−=

21

2

21

11nn

S

dXXt

(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.

128

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

( ) ( )2

11

21

222

2112

−+−+−

=nn

snsnS (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

38 Media n

xX

n

ii∑

== 1

39 Varianza campionaria corretta

( )

( )1

2

12

−

−=∑

=

n

xxs

n

ii

129

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

130

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

Vetrino A (24h/72h)

Vetrino B (72h/72h)

Vetrino C (Controllo Negativo)

Controllo Positivo

apice 1 0 2 0 11

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

131

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

132

Tabella A.7 Dati riassuntivi (primo e secondo conteggio) dell’osservazione del vetrino C (Controllo Negativo)

Vetrino C (Controllo Negativo)

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

Errore standard 0,32 7,9

133

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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.

TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN FISICA STUDIO DI...

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