INTERPRETATION DES EFFETS “IN VITRO” ET “IN VIVO” DU RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE D’UNE ANTENNE A PLASMA CONFINE G. DUBOST * - A. BELLOSSI ** (*) : Professeur émérite, Université de Rennes 1, IETR, UMR CNRS 6164 Campus de Beaulieu, 35042 – Rennes, France (**) : Docteur en Médecine, Professeur de Biophysique 14th Colloque International sur la compatibilité Electromagnétique ,session C4 Bio électromagnétisme, CEM 2008 Paris, « Les Cordeliers » 20-21 mai 2008. Mots clés : Plasma. Résonances acoustique, cyclotronique, électrique basses fréquences, cellule. Résumé. Après un rappel des effets biologiques bénéfiques reconnus de certains rayonnements et des précautions à prendre pour d’autres, nous caractérisons les rayonnements émis in “vivo” et “in vitro” par une antenne à plasma confiné, dont les propriétés non linéaires du plasma [11] permettent de justifier les effets de résonances acoustique, magnétique et électrique sur les cellules. I. GENERALITES Les effets biologiques des ondes électomagnétiques de très basses fréquences sont évoqués. Les systèmes biologiques réagissent seulement pour des bandes étroites en intensité et en fréquence (effet fenêtre). La présence d’effets non linéaires complique leur compréhension. Le développement des lignes aériennes haute tension à proximité des habitations a fait l’objet de nombreuses polémiques. Le champ électrique endogène très faible qui en résulte et l’induction magnétique peuvent éventuellement provoquer des effets biologiques néfastes si le temps d’exposition est long. Au cours de la dernière guerre, l’utilisation de radar de forte puissance avait, pour le personnel, nécessité des zones de stationnement interdites. Ainsi la densité de puissance néfaste pour les yeux avait été fixée à 30 mW/cm2 pour les fréquences inférieures à 1 GHz et à 10 mW/cm2 pour celles comprises entre 1 et 3 GHz. Aujourd’hui ces limites sont considérées beaucoup trop élevées. Le développement des radiotéléphones est l’objet de nombreuses discussions sur l’épidémiologie en se basant sur des résultats théoriques et rarement expérimentaux tant les conséquences néfastes qui peuvent en résulter sont programmés à longue échéance. Un article récent [1] démontre les incertitudes des effets biologiques déduits des résultats scientifiques encore insuffisants sur les “ondes de radiofréquences ” en particulier émises par le WiFi, téléphone mobile, etc… Cependant il est enfin reconnu que certaines études épidémiologiques sur la téléphonie mobile montrent une augmentation des risques de tumeurs ! Par contre, le domaine des ondes millimétriques entre 20 et 300 GHz n’est pas évoqué alors qu’à ce jour nous devons considérer les effets biologiques dits « subtils » qui peuvent apparaître pour des densités de puissance bien inférieures à celles relatives aux effets “thermiques”. II. INTRODUCTION La théorie de la résonance cyclotronique liant le rapport de la charge électrique à la masse de l’ion, à la fréquence de l’induction magnétique, explique la traversée membranaire des ions en milieu biologique. L’utilisation d’un générateur spécifique à champ magnétique pulsé a permis l’obtention de guérisons dans diverses affections telles la sinusite [2], les calcifications tendineuses [3], les rhumatismes inflammatoires [4], les bronchites chroniques [5]. Trois ensembles de souris après ingestion quotidienne d’huile végétale furent exposés aux très basses fréquences pour lesquelles on peut considérer séparément les champs électrique et d’induction magnétique. L’influence du temps d’exposition du champ électrique et la variation de la concentration ionique due à la résonance cyclotronique ont été mises en évidence par des mesures de croissance de poids, de taux de cholestérol et de triglycérides [6]. Depuis des effets anti-inflammatoires, anti-infectieux, cicatrisants, dus aux champs magnétiques pulsés ont été signalés à de nombreuses reprises sans effets secondaires indésirables. Dans un autre registre nous avions déjà indiqué en 1998 [7] la nécessité d’éloigner de l’oreille un téléphone portable pendant l’émission d’un watt à la fréquence de 900 MHz pour être en conformité avec les recommandations de l’International Radiation Protection Association (IRPA), normes moins sévères que les actuelles. Le projet d’un système de communications hertziennes à haut débit à l’intérieur des bâtiments (réseaux locaux WLAN) prévu à 60 GHz, mais non encore en service à ce jour, a été l’objet d’une étude sur les effets biologiques éventuels. Nous avons montré que l’exposition entraîne un effet variable sur la survie de souris greffées avec la leucémie L1210, un accroissement plus rapide de la tumeur de Lewis et une activité accrue de souris saines suivie pendant 9 mois [ 8]. C’est la raison pour laquelle, suite aux premiers résultats obtenus à 60 GHz et à l’analyse faite, nous avons prévenu les utilisateurs des fréquences de la bande millimétrique des effets biologiques qui pourraient survenir ultérieurement [9] (exemple missiles autodirecteurs types MLRS dans la bande des 1011 Hz). De plus nous avons montré que l’eau pure à 20° C peut être considérée comme un milieu “conducteur” dans la bande millimétrique entre 2.1010 et 5.1011 Hertz [10]. C’est sensiblement dans cette bande que le coefficient d’absorption par longueur d’onde de l’eau est maximum ainsi que le confirment des mesures de conductivité réalisées par d’autres auteurs sur l’ADN du tymus du veau. En effet l’appréciable conductivité mesurée de l’ADN est due aux pertes par relaxation des dipôles des molécules d’eau l’entourant. L’objet de cette communication est de montrer les effets “in vitro” et “in vivo” du rayonnement émis par un dispositif électronique associé à une antenne à plasma confiné [11]. La précédente et récente communication [12] a été scindée en deux parties : -L’une [11] donnée dans une première communication approfondit la physique du plasma en particulier la description et la formulation des effets non linéaires. - L’autre, qui fait l’objet de cette communication ajoute aux effets “in vivo” sur les organes les effets “in vitro” sur les cellules en particulier d’origine sonore. III. CHAMPS ELECTRIQUE, D’INDUCTION MAGNETIQUE ET DENSITE SPECTRALE Chaque organe peut être défini physiquement par n n jk , qui son indice complexe de réfraction ~ s’exprime, à une fréquence donnée, par sa constante diélectrique relative et sa conductivité. Le module du champ électrique, donné en [11] par la formule (25) et le tableau I, est réduit “in vivo” par le facteur (n2 + k2) relativement à sa composante orthogonale à la surface de l’organe. Le tableau I donne la valeur de n2 + k2 pour différents organes. Le tableau II donne, en fonction de la fréquence, les grandeurs physiques déduites de [11] pour la peau humide. L’induction magnétique n’étant pas influencée par l’organe, la densité spectrale donnée dans l’air par [11], formule (27), s’écrit dans le vivant par l’expression (1) ci-dessous, valable pour : 200 f 3.104 Hz : ( f ) v 10 13 r2 . sin 2 n 2 k 2 (1) (en J.s/m3) Le milieu interstitiel est assimilé à un milieu aqueux pour lequel la permittivité et la conductivité sont égales à 80 et 0,6 s/m. IV. EFFETS RAYONNEMENT BIOLOGIQUES DU Il faut remarquer que les puissances réelles mises en jeu aux basses fréquences et caractérisées par (uf)v sont très faibles (voir tableau II).. On peut déduire que des effets thermiques sont à exclure. Par contre les champs électrique et d’induction magnétique sont relativement élevés. La pression alternative appliquée sur la paroi interne du tube de l’antenne à plasma confiné, qui décroît de 700 à 35 Pascals lorsque la fréquence croît de 200 à 10 3 Hz (Tableau II de [11]) engendre à l’extérieur, après affaiblissement, une onde acoustique cylindrique transmise au vivant. Les trois grandeurs physiques sont à l’origine des effets biologiques considérés ciaprès. IV.1 Fragilité acoustique des cellules par résonance La fréquence de résonance acoustique fr du résonateur d’Helmholtz supposé sphérique est donnée par la formule : fr 1 Vs . 2 u U (2) où V est la vitesse du son, U le volume du 4 résonateur, de rayon R avec V . R 3 , u le 3 volume de l’ajutage par lequel s’établit la communication sonore entre la cavité et le milieu extérieur et dont la section droite circulaire est r 2 égale à s = r avec u = . Nous avons imaginé un modèle de cellule sphérique de rayon R, d’épaisseur membranaire égale à , avec des pores de rayon r <<R, plongée dans un milieu équivalent à l’eau de mer. Dans ce cas à 15°C. on a : V = 1504 m/s. La justification d’une telle hypothèse a été faite par deux expérimentations : 2 a) L’une d’elle à partir des résultats de mesures “in vitro” de résonances de cellules soumises à des vibrations acoustiques [13]. L’auteur donnait uniquement, pour différents types de paramécie, le rayon moyen R , l’épaisseur de la membrane et la fréquence de résonance f qui entraînait l’éclatement. Nous avons déduit à partir de (2) le rayon r (3) de l’ajutage pour faire coïncider les fréquences théorique fr et expérimentale f. Le tableau III donne les résultats pour différentes cellules. Organe n2 + k2 Peau humide 4.104 f .R 3 / 2 r r (3) où R et sont exprimés en 207 mètres et fr en Hz. Les dimensions des pores des cellules calculées sont cohérentes puisque les valeurs de r (3) sont très petites devant R et . La réalité de la cellule est donc conforme au modèle acoustique proposé. . b) L’autre expérience été réalisée récemment [14] à l’aide d’un équipement électronique, associé à l’antenne plasma confiné, strictement identique à celui que nous avons utilisé [11]. Elle confirme la validité du modèle de cellule proposé. Il s’agit d’une expérience de destruction de microorganismes “in vitro” dont les rayons moyens R sont compris entre 150 et 60 µm. Les fréquences de résonances destructives sont comprises entre 460 et 930 Hz à 5Hz. Pour cette gamme de fréquences la pression à l’intérieur du tube plasma qui varie entre 140 et 35 Pascals (voir tableau II de [11]) est semble-t-il suffisante pour réagir “in vitro” sur les cellules concernées. Foie Sein Rein 7.105 4.105 2.106 Matière grise 2.106 Tableau I - Valable pour f=1KHz f(Hz) n2 + k2 (E ) v V / M 150 6.104 3.106 500 4.104 2.106 103 4.104 5.105 104 3.104 5.103 2.104 3104 103 105 104 2.102 B (T) 10-3 10-3 2.10-4 4.10-5 3.10-5 4.10-6 (f ) v (1) 10-17 10-17 10-17 10-17 10-17 10-17 Tableau II – Peau humide, valable pour r = 0,4 m, / 2 Spécimen P. caudatum P. bursaria P. calkensi P. aurelia G’s P. aurelia 51 P. aurelia 81a P. trichium R(µm) [13] 71,4 41,6 45,4 39,8 38,2 34 29,2 (µm) [13] 8,60 4,24 7,32 5,77 5,62 6,80 5,81 f r f (KHz ) (3) [13] 1,2 1,7 1,9 3,3 3,5 4,1 7,2 r(nm) (3) 10,3 4,5 7,6 9,6 9,5 10,2 13,3 Tableau III – P : paramécie IV.2 Résonance cyclotronique par le champ d’induction magnétique Les valeurs élevées du champ d’induction magnétique B permettent d’envisager des résonances cyclotroniques d’ions dont les fréquences fc seraient égales aux fréquences f de modulation. f c q i B / 2m i (4) Pour différents ions , (H , Li , Mg , Ca , I 1 ) q nous avons : 5.10 6 i 10 8. Compte tenu des mi valeurs de B en fonction de f on peut conclure que les résonances cyclotroniques, qui ont eu des effets biologiques confirmés (voir le paragraphe II), sont effectives pour les fréquences f telle que : 500 < f(Hz) < 3.103, avec r = 0,4 m. IV.3 Rerayonnement d’une fibre nerveuse à la résonance demi-onde excitée par le champ électrique [15], [16]. Soit une fibre nerveuse caractérisée par les paramètres physiques et biologiques suivants : ( r )m permittivité de la membrane plasmique d’épaisseur s, ( r )i la permittivité du milieu interstitiel, a et 2h le rayon et la longueur de la fibre supposée isolée de l’ensemble du système auquel elle est reliée, v la vitesse des signaux physiologiques de basses fréquences transmis, ( E )v le champ électrique d’excitation supposé parallèle à la fibre. A la résonance demi-onde pour laquelle : f=v/4h (5), le champ électrique diffracté ou rerayonné Ed au point d’observation est égal à : 2 1 v r m a cos M E d 1,09 . . . . E v . r i s 2 cos M 3 (6) L’angle sous lequel du point d’observation on voit la fibre nerveuse est égal à 2 M avec : 3 cos M h h 2 2 1/ 2 . En prenant l’exemple d’une fibre nerveuse musculaire du groupe A, myélinisée, motrice ou sensitive avec a= 10-5 m, s = 9.10-9 m, v = 120 m/s, 2h = 0,1 m, ( r ) m 10 6 , ( r ) i 80, on trouve avec f = 600 Hz (5) : cos M 3 E d 1,53 10 4 E v . 1 / 2 .cos M 3 (7) Avec pour r = 0,4 m : (E ) v 5.10 10 / (n 2 k 2 ) 5.10 10 / 10 6 5.10 4 V / m, On obtient : cos M 3 E d 7,510 8. 1 / 2 cos M 3 (8) Le tableau IV donne la grandeur du champ diffracté en fonction de (cm) 1 E d (V / m) (8) 2 5 10 1013 2.1012 3.1011 6.1010 Tableau IV : résonance à f = 600 Hz, r = 0,4 m IV .4 Effet du champ membrane cellulaire électrique sur la Toute membrane cellulaire d’épaisseur s est soumise à un champ électrique interne Ei, dû à la densité de charges superficielles réparties sur les parois interne et externe, donné par (9) : : Ei / o r (9) L’ordre de grandeur de Ei est de 107 V/m. Le nombre de dipôles internes à la membrane, rapporté à une surface S est égal à (10) : N o r E iS / e (10) e désignant la charge élémentaire. Le moment électrique m de l’ensemble des dipôles est donné par l’expression (11) : m Ne s Ss (11) Soit (E ) v le champ électrique variant en 1/r3 dû à l’antenne à plasma. Pour exprimer son gradient on peut écrire : E v 3 E v (12) r r La force agissant sur la surface S est égale à : E v F m. (13) r Avec les relations (9) (11), (12), (13) on déduit la pression P exercée sur les parois de la membrane : P 3 o r E i E v .s / r (14) Avec : Ei = 107 V/m, s = 9.10-9 m, r = 0,4 m, r = 80 (14) s’écrit : P (Pascals) = 5.10 10 E v E v (15) s’exprime en V/m Dans le cas de la diffraction d’une fibre nerveuse à la résonance demi-onde, pour 1 < (cm) < 10 (Tableau IV), la pression (15) est telle que : 30 < P < 5.103 Pascals. Dans le cas de la peau humide (Tableau II) à 500 Remerciements : Les auteurs remercient le Professeur Jean Dupuy, physicien émérite, pour ses nombreux conseils et suggestions manifestant ainsi son intérêt pour cette étude, Madame Danielle Lemoine ainsi que Madame Jacqueline Garçon pour la réalisation du texte. Références Hz avec E v 2.106 V / m, la pression P (15) est égale à 10-3 Pascals. Dans ce cas c’est la pression de résonance acoustique égale à 140 Pascals sur les parois du tube de l’antenne plasma (voir Tableau II de [11] ) qui pourrait aussi agir sur la cellule comme cela s’est manifesté “in vitro” récemment [14] interprété au paragraphe IV.1.b. [1] Journal “Le Monde” du 19/12 /07 Article de Paul Benkimoun “N’abusons pas des ondes”. V - CONCLUSION [3] A.Bellossi, R. Berget, J.Y. Christien, “Treatment of sinew calcifications by pulsed magnetic fields”. The first world congress of electricity and magnetism in Biology and Medicine 1992, b N-6. Les fortes valeurs des champs d’induction magnétique et électrique émis dans l’environnement immédiat de l’antenne sont à l’origine des effets émis “ in vivo” et “in vitro”. Il s’agit essentiellement de phénomènes de résonances acoustique, électrique provoqués directement ou indirectement (rerayonnement de fibres nerveuses à la résonance) et magnétique (résonance cyclotronique). Ils résultent des effets non linéaires apparaissant au cours de la décharge ionique, se traduisant par des émissions basses fréquences. Les faibles puissances réelles mises en jeu permettent d’exclure tout effet thermique. Cependant il est important de souligner, hors résonance, la présence de champ électrique « in vivo » à des fréquences plus élevées de l’ordre de 105 Hz dont la grandeur est voisine de 102 V/m à la distance r = 0,4 m. Ces derniers résultat sont à rapprocher de ceux donnés dans un article récent [17] publié dans les PNAS qui traite du ralentissement à la suppression, de la prolifération de cellules cancéreuses émis “in vitro” et “in vivo” à l’aide d’un champ électrique de basses fréquences (entre 105 et 3.105 Hz) et de grandeur égale de 1 à 2 V/cm, appliqué entre électrodes implantées ! L’explication donnée par les auteurs est la suivante : l’inhomogénéité du champ électrique qui règne au raccordement étroit des membranes de deux cellules sœurs en cours de division provoque des forces d’interaction unidirectionnelles sur les dipôles que sont les atomes et molécules. Ces forces sont maximales lorsque la direction du champ électrique est parallèle à l’axe de la division. [2] A. Bellossi, “Could you explain it ? Three healing cases of sinusitis through E.F.L. pulsed magnetic field”. The 11th BEMS annual meeting 1989 G2-4. [4] A.Bellossi, R. Berget, L. Jegorel, “How to recover from arthritis for young people and young animals – Here the cases of three little girls and a heifer who recovered from arthritis thanks to the use of pulsed magnetic fields”. The first EBEA congress 1992 a. [5] A. Bellossi, R. Berget, “Treatment of recurent respiratory infectious through pulsed magnetic fields”. The 15th BEMS annual meeting 1993 a-G1. [6] A.Bellossi, G. Dubost, M. Himdi, “Effets biologiques du champ électrique et du champ d’induction magnétique aux très basses fréquences”. Revue Scientifique et Technique de la Défense (RSTD) 1997-4 p. 83 à 96. [7] G. Dubost, A. Bellossi, M. Himdi, J.P. Daniel, “Safety irradiation of human by RF near fields due to dipoles”. JINA 98 – Nice – Inter. Symposium on Antennas. [8] A. Bellossi, G. Dubost, J.P. Moulinoux, M. Himdi, M. Ruelloux and C. Rocher, “Biological Effects of Millimeter-wave Irradiation on Mice – Preliminary résults”. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 48, n° 11, nov. 2000. [9] A. Bellossi, M. Ruelloux, C. Rocher, J.M. Moulinoux, G. Dubost, M. Himdi, “Préventions des effets Biologiques des Ondes Millimétriques aux fréquences 28, 38, 60, 77 et 90 à 100 GHz”. RSTD n° 50, déc. 2000, p. 45 à 54. [10] G. Dubost, A. Bellossi, “Electromagnetic Radiation Effects on Electronic Particles Transfer in DNA. Applications to millimeter and optical ranges”. BEEF, 4th Inter. Workshop 16-20 october 2005 – Crête – Greece, p. 666 to 675. [11] G. Dubost, A. Bellossi, “ Rayonnement electromagnétique de solitons d’une antenne à plasma confiné”. Colloque international sur la CEM et les journées scientifiques du CNFRS/URSI, 20-23 mai 2008 Paris. [12] G. Dubost, A. Bellossi, “Experimental Approach of the Electromagnetic Effects “in vivo” due to the solitary-waves radiated by a Confined Plasma Antenna”. TU 2.11.6. The second European Conference on Antennas and Propagation EICC Edinburgh UK, nov. 2007. [13] E. Ackerman, “Resonances of biological cells at audible frequencies”. Bull. Math. Biophysics 13.93, 1951. [14] A.G. Holland, “Spectrum and Waveform Analysis of a Rife-Base plasma device. Experiment destroys micro-organisms”. sept.oct 2007. http://video.google.com/videoplay?docid= -75688569702927 87 129 [15] G. Dubost, A. Bellossi, “Rerayonnement d’une fibre nerveuse irradiée par un champ électromagnétique externe de très basse fréquence ». RSTD n° 61, octobre 2003, P. 127 à 140. [16] G. Dubost, A. Bellossi, “Electromagnetic field diffracted by a nervous fiber excited by an external electric field”. Biological Effects of Electromagnetic fields – Third Intern. Workshop. 48 october 2004 – Kos – Greece, p. 482 à 491 [17] Eilon D. Kirson, Rosa Schneiderman, Yoram Palty and all, “Alternating electric fields arrest cell proliferation in animal tumor models and human brain tumors”. PNAS June 12, 2007, vol. 104, n° 24, 10152-10157