Fachgespräch Wirkmechanismen elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder auf biologische Systeme – Von der Molekulardynamik-Simulation bis zum Experiment

Worum geht es?

In den meisten Ländern der Welt ist die Bevölkerung mittlerweile nahezu ununterbrochen exponiert gegenüber vom Menschen verursachten elektromagnetischen Feldern. Nach wie vor wird erforscht, ob schwache Magnetfelder (unterhalb der Grenzwerte) biologische Effekte auslösen können, die möglicherweise von gesundheitlicher Relevanz sind. Ein erster Schritt zu einem Verständnis gesundheitlicher Wirkungen ist die Identifikation der physikalischen Wechselwirkungen von elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern (EMF) mit Teilen des menschlichen oder tierischen Körpers. Diese können sehr unterschiedliche Größen haben: von Gewebestrukturen wie etwa der Haut über einzelne Zellen bis zu Proteinen und schließlich den Eigendrehimpulsen (sog. Spins) von ungepaarten Elektronen in Molekülen (Radikale). Im Rahmen des Fachgesprächs diskutierten international anerkannte Expert*innen aus Dosimetrie, Biologie und theoretischer Biophysik den aktuellen Stand der Forschung und offene Fragestellungen.

Wie ist die Ausgangssituation?

Seit Jahrzehnten werden Studien initiiert, die einen Zusammenhang von schwachen magnetischen Feldern (unterhalb bestehender internationaler Grenzwertempfehlungen) und möglichen gesundheitsrelevanten Wirkungen untersuchen. Vereinzelt gibt es in epidemiologischen oder experimentellen Studien Hinweise darauf. Mechanismen zur Erklärung solcher Wirkungen sind bisher nicht nachgewiesen.

Seit Jahren werden verschiedene biophysikalische Effekte erforscht. Einige davon stehen momentan im Fokus, weil es neue Erkenntnisse gibt. Dazu zählen unter anderem

• der Radikalpaar-Mechanismus (bei diesem ändern äußere Magnetfelder chemische Reaktionen, bei denen Moleküle mit ungepaarten Elektronen beteiligt sind),
• die Protein-Fehlfaltung (die Entwicklung von großen Molekülen in einen stabilen Zustand, der nicht dem natürlichen Zustand entspricht)
• oder die Reaktion neuronaler Netzwerke (in Netzwerken zusammenhängende Nervenzellen) auf äußere Felder.

Welche Ziele verfolgte das Fachgespräch?

Das Fachgespräch diente als Austausch zwischen Expert*innen aus Fachgebieten, die das volle Spektrum vom Molekül bis zum Menschen abdecken. Neben dem aktuellen Stand der Forschung waren die Identifikation offener Fragen und die interdisziplinäre Diskussion zentrale Anliegen des Fachgesprächs. Folgende Punkte fanden dabei besondere Beachtung:

• Was sind die derzeit am meisten diskutierten und nicht geklärten biophysikalischen Wirkmechanismen, die gesundheitsrelevant sein könnten?
• Welche theoretischen und experimentellen Methoden werden derzeit für deren Erforschung verwendet?
• Welche Rolle spielt das Rechnen mit Supercomputern in der Erforschung der Wirkmechanismen?

An dem hybrid abgehaltenen Fachgespräch nahmen über 50 Expert*innen (davon 22 in Präsenz) aus sieben Ländern (Deutschland, Österreich, Frankreich, Großbritannien, Finnland, Italien und Japan) teil.

Welche Ergebnisse lieferte das Fachgespräch?

Aufgrund der sich auf verschiedenen Größenbereichen (Organe, einzelne Zellen, Proteine) abspielenden Effekte werden die Ergebnisse in drei Themenkomplexen zusammenfasst: Effekte auf atomarer oder subatomarer Ebene (Quanteneffekte), Wirkungen auf Proteinfaltung und Wirkungen auf Körpergewebe.

Effekte auf atomarer oder subatomarer Ebene (Quanteneffekte)

Den Radikalpaar-Mechanismus versteht die Forschung inzwischen relativ gut, verglichen mit anderen möglichen nicht-thermischen Wechselwirkungseffekten von Magnetfeldern und biologischen Systemen. Das liegt vor allem an Studien zum Orientierungssinn verschiedener Tierarten.

Die in Radikalpaaren auftretenden Wechselbeziehungen (Fluktuationen) zwischen Spin-Systemen bewegen sich hin und her zwischen zwei charakteristischen Zuständen: dem Singlett-Zustand und dem Triplett-Zustand. Ein externes Magnetfeld, wie z.B. das Erdmagnetfeld, kann die auftretenden Fluktuationsraten und damit chemische Reaktionen beeinflussen, deren Endprodukte vom Spin-Zustand der beteiligten Radikale abhängen. In der Untersuchung des Radikalpaar-Mechanismus bieten kombinierte Quantenmechanik- und Molekulardynamik-Simulationen einen - im Experiment unzugänglichen - Einblick in die Abläufe der beteiligten Reaktionen, weshalb man vom "rechnergestützten Mikroskop" spricht. Bisher simulierte Systeme zeigen sehr kurze Radikal-Lebensdauern, welche die bei Zugvögeln beobachtete Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern nicht vollständig erklären können. Die bei Tieren bekannten Radikalpaar-Reaktionen benötigen Licht und entsprechende Lichtrezeptoren, die der Mensch nicht besitzt. Bisher sind im Menschen somit keine chemischen Prozesse bekannt, bei denen der Radikalpaar-Mechanismus eine Rolle spielen könnte. Es wird allerdings weiter dazu geforscht.

Wirkung auf Proteinfaltung

Generell ist die Wirkung von schwachen EMF auf große Moleküle wie Eiweiße äußerst gering im Vergleich zur üblichen Molekülbewegung bei Raumtemperatur (Brownsche Molekularbewegung). Das Einbinden von Magnetfeldern in Simulationsstudien bedarf weiterer Forschung. Eine offene Frage ist, wie Magnetfelder molekulare Transportprozesse beeinflussen und ob Teile von Molekülen andere Moleküle binden können. Eine große Schwierigkeit stellt nach wie vor dar, dass Simulationen auf Atomebene nur kleinste Sekundenbruchteile berechnen können, aber biologische Prozesse Sekunden dauern.

Wirkung auf Körpergewebe

Um ermitteln zu können, wie groß EMF sind, die in biologischem Gewebe erzeugt werden, wird insbesondere bei niedrigen EMF-Frequenzen (unterhalb von 1 MHz) auf computergestützte Verfahren zurückgegriffen. Dafür ist eine Verbesserung der Datenlage hinsichtlich der dielektrischen Eigenschaften von Geweben erforderlich. Mittels bildgebender Verfahren, wie z.B. der Magnetresonanztomographie, ist es möglich, sehr detaillierte Körpermodelle zu erstellen, mit denen z.B. Schwellenströme zur Erzeugung von Phosphenen (flackernde Lichterscheinungen am Blickfeldrand bei hohen Feldstärken) sehr realistisch simuliert werden können. Eine offene Frage besteht hinsichtlich der mikroskopischen Größenskala, bis zu der man noch von Leitfähigkeit und Permeabilität als makroskopischen Größen sprechen kann: Ist es das Mitochondrium (Kraftwerk der Zelle) oder doch die ganze Zelle?