L’effetto dei campi elettromagnetici sui moscerini

In questo articolo, descriviamo un insieme di semplici esperimenti con riproducibilità molto buona, riguardante gli effetti di diversi tipi di campi elettromagnetici (CEM), sulla capacità riproduttiva dell’insetto Drosophila melanogaster, il famoso “moscerino della frutta”. Negli esperimenti, possiamo usare diversi tipi di campi elettromagnetici, per coprire la più grande parte possibile dello spettro elettromagnetico, dalle ELF (frequenze tipiche ad es. degli elettrodotti), alle RF (tipiche ad es. di cellulari e Wi-Fi), relative ai campi a cui la persona media è esposta quotidianamente e che sono note avere effetti biologici.

Ricordiamo che le basse frequenze (che comprendono quella di rete a 50 Hz) sono suddivise in due gamme principali, ovvero radiazioni a frequenza estremamente bassa (ELF), con frequenze fino a 300 Hz, e frequenza intermedia (IF), con frequenze comprese tra 300 Hz e 10 MHz. Le comuni fonti di esposizione alle frequenze intermedie (IF) comprendono cucine ad induzione, lampadine fluorescenti compatte, sistemi di ricarica induttivi per auto elettriche e dispositivi di allarme o antitaccheggio.

Le alte frequenze, invece, comprendono le radiofrequenze (RF), che si estendono da 10 KHz a 300 GHz; e un suo sottoinsieme, la regione delle microonde, che è quella compresa tra le gamme superiori delle onde radio e la radiazione infrarossa: ovvero, a partire da una frequenza di circa 1 GHz (pari a 1000 MHz e corrispondente a una lunghezza d’onda di 30 cm) fino a circa 300 GHz. Qui troviamo radio-TV, la telefonia mobile (800 MHz-2600 MHz e il 5G anche a 3,7 e 26 GHz), il Wi-Fi (2,4 e 5 GHz), i radar, etc.

Le varie sorgenti di campi elettromagnetici alle varie frequenze. (fonte: ENEA)

Negli esperimenti con la Drosophila, possiamo usare tre diversi tipi di campi elettromagnetici, per coprire dalle ELF (Frequenze estremamente basse), alle IF (Frequenze intermedie) fino alle RF (Frequenze radio). Questi campi sono: a) campo magnetico alternato, a 50Hz; b) Campo elettrico a impulsi, con impulsi alternati smorzanti, con frequenza portante a 10 kHz e frequenza di ripetizione a 50 Hz; c) campo pulsato RF da GSM (rete 2G della telefonia mobile e dei cellulari), con frequenza portante a 900 MHz.

Il campo elettromagnetico di tipo GSM è commercialmente disponibile grazie ai telefoni cellulari, mentre per la generazione dei campi elettrici, magnetici e pulsati, è anche possibile costruire, in alternativa, dispositivi specifici basandosi su calcoli teorici; anche se – come vedremo – è di gran lunga preferibile usare campi “reali” prodotti da normali apparati domestici o commerciali per testarne gli effetti sui moscerini. L’adeguatezza dei dispositivi selezionati è assicurata con misurazioni dei loro campi.

Ad esempio, uno dei misuratori RF di elettrosmog più diffusi in Italia – e, soprattutto, con il miglior rapporto qualità/prezzo – è il PCE-EM 29, prodotto dall’omonima e affidabilissima casa tedesca, la PCE. Si tratta di un apparecchio a larga banda, del costo di circa 200 euro, in grado di misurare i campi elettromagnetici a radiofrequenza nell’intervallo 50 MHz-3,5 GHz, grazie al suo sensore di campi elettrici isotropico, che permette misurazioni su tre assi insieme o uno alla volta). Puoi trovare prodotti simili qui.

Un misuratore di basse frequenze (50 Hz ed ELF) affidabile e con un buon rapporto qualità/prezzo è invece il TriField 100XE, uno strumento analogico del costo di circa 200 euro che misura principalmente campi magnetici ed elettrici generati dalla tensione di rete (a 50 Hz) – nella banda da 30 Hz a 2 kHz – insieme su tre assi determinando così il valore efficace, grazie alle sue sonde isotropiche. L’ultimo arrivato in casa TriField è comunque il misuratore digitale TriField TF2, un misuratore ELF isotropico che può misurare campi magnetici (e campi elettrici) nell’intervallo 40 Hz-100 kHz.

Due misuratori di campi low-cost: il TriField 100XE per 50 Hz ed ELF (a sinistra) e il PCE-EM 29 per le radiofrequenze (a destra).

In genere, un misuratore per misurare le ELF potrebbe avere una gamma di frequenze da 30 Hz a 2 kHz e uno per misurare la RF da 50 MHz a 3 GHz. In generale, per frequenze inferiori a 300 MHz (e dunque anche alla frequenza di rete), sono necessarie misurazioni separate dei campi magnetici (H) ed elettrici (E), o quanto meno del campo magnetico (che è quello che provoca gli effetti biologici a 50 Hz), mentre per le radiofrequenze e per le microonde è sufficiente la misurazione del solo campo elettrico.

Abbiamo scelto l’insetto Drosophila melanogaster come animale sperimentale, in quanto il moscerino della frutta è in generale un animale sperimentale molto ben studiato, con background genetico ben noto e molti vantaggi, compreso il suo breve ciclo di vita e il buon tempismo dei suoi stadi metamorfici e dei suoi processi di sviluppo, in condizioni costanti. Per ulteriori informazioni sull’utilizzo della Drosophila in esperimenti, puoi leggere anche il mio articolo Esperimenti con il moscerino della frutta.

Come fase della vita dell’insetto sensibile ai campi elettromagnetici, abbiamo scelto quella riproduttiva. Si può infatti usare la Drosophila come un indicatore biologico corretto delle possibili azioni dei campi elettromagnetici direttamente correlate con lo sviluppo delle gonadi, ovvero con la Capacità Riproduttiva dell’insetto, poiché quest’ultima è definita semplicemente dal numero di pupe che, nelle condizioni dei nostri esperimenti, corrispondono, alla deposizione delle uova da parte di questi insetti.

Il ciclo di vita di una Drosophila.

Illustreremo poi un semplice protocollo sperimentale, sviluppato da esperti, relativo alla capacità riproduttiva degli insetti, il quale si è dimostrato essere un indice molto sensibile per l’efficacia biologica di tutti i tipi di campi elettromagnetici utilizzabili negli esperimenti. Infine, nella discussione dei risultati sperimentali ottenuti in studi reali di questo tipo, vedremo una possibile spiegazione su base biochimica, che può essere collegata al possibile meccanismo di azione a livello biofisico.

L’importanza di tali esperimenti è notevole. Come è noto, i processi cellulari di base sono identici nelle cellule di insetto e di mammifero. Inoltre, gli insetti, (specie la Drosophila), sono molto più resistenti rispetto ai mammiferi, almeno alle radiazioni ionizzanti, su cui sono stati effettuati studi comparativi. Quindi è semplice e facile utilizzare il protocollo sperimentale relativo alla capacità riproduttiva della Drosophila per valutare l’efficacia biologica dei campi elettromagnetici in generale.

Materiali occorrenti e protocollo sperimentale

Di solito, in esperimenti biologici con campi elettromagnetici, vengono utilizzati come sorgenti del campo che si vuole studiare dei dispositivi speciali, per garantire condizioni di esposizione costanti e riproducibili di un campione biologico o di diversi campioni simultaneamente. Si può quindi trattare, ad esempio, di realizzare delle coppie di bobine con caratteristiche operative ben standardizzate, per soddisfare le esigenze degli esperimenti biologici. Ma per studi realistici questa non è la strada migliore.

Due circuiti realizzati, rispettivamente, per studiare l’esposizione a un campo magnetico a frequenza di rete (a sinistra) ed a un campo elettrico a bassa frequenza (a destra).

Infatti, ad esempio i segnali GSM reali non sono mai costanti: ci sono sempre cambiamenti di intensità e di frequenza in questi segnali. I campi elettromagnetici con parametri che variano di solito hanno un’azione biologica più forte dei campi con parametri costanti, probabilmente perché è più difficile per gli organismi viventi adattarsi ad essi. Possono essere eseguiti esperimenti con segnali GSM costanti, ma essi non simulano condizioni reali, pertanto sarebbero relativamente poco utili.

Per tale ragione, per simulare condizioni reali in esperimenti sugli effetti dei campi elettromagnetici, è bene usare: (1) un vecchio telefono cellulare GSM per quanto riguarda le radiofrequenze GSM (usate dalla rete 2G), o uno più moderno se si vogliono testare le le radiofrequenze UMTS (3G), oppure LTE (4G), o quelle del 5G; (2) una lampadina fluorescente compatta se si vogliono testare le Frequenze Intermedie (tali lampadine generano un campo elettromagnetico “in campo vicino” nella banda 40-50 kHz) sovrapposte a quella di rete a 50 Hz; (3) una collocazione vicina al contatore elettrico, dove c’è l’interruttore generale e il salvavita, se si vogliono testare le conseguenze della tensione di rete a 50 Hz.

Nei nostri esperimenti, possiamo esporre alla sorgente uno o due campioni alla volta simultaneamente, e inoltre non è importante per noi avere tutti i moscerini in una provetta sotto una densità di potenza del campo costante (o sotto una SAR costante), perché questo non simulerebbe le condizioni reali a cui un utente umano è esposto e perché l’effetto registrato è statistico. Naturalmente in tal caso, ovvero quando le caratteristiche del sistema di esposizione non sono costanti, è necessaria una corretta analisi statistica, effettuata attraverso la ben nota “analisi della varianza” (AnOVa).

Negli esperimenti, gli insetti vengono tenuti in bottiglie di vetro, collocate in una incubatrice a 25 °C, con periodi di 12 ore di luce e oscurità. Un’incubatrice – tipo quelle usate in laboratorio per coltivare le cellule – non è difficile da autocostruire: v. l’articolo Come costruire un’incubatrice per colture cellulari. Gruppi di 10 moscerini possono essere quindi collocati in provette cilindriche di vetro standard da laboratorio (da 50 ml, con diametro di 2,5 cm e altezza di 10 cm), che vanno prima sterilizzate.

Un esempio di incubatrice fai-da-te.

I moscerini vengono alimentati con un cibo standard, che forma una superficie piana liscia, di 1 cm di spessore, sul fondo delle provette, che vengono poi chiuse con un batuffolo di cotone. Il cibo consiste in 450 ml di acqua, 4 gr di agar, 13 gr di lievito, 32 gr di farina di riso, 16 gr di zucchero, 25 gr di polpa di pomodoro. Tale miscela (sufficiente per 25-30 provette) va fatta bollire per oltre 10 minuti per garantire la sterilità, e viene preservata con l’aggiunta di 2 ml di acido propionico e di 2 ml di etanolo.

In ogni esperimento, gli insetti vanno separati in due gruppi: a) G1: il gruppo esposto al campo elettromagnetico che si vuole studiare e b) G2: il gruppo di controllo, (non esposto). I gruppi di moscerini non esposti ricevono un trattamento identico a quelli esposti, tranne che per il fatto che nel loro caso non vi è alcuna esposizione al campo (cosa verificabile con un misuratore di campo magnetico a bassa frequenza per le ELF e per le IF, o con un misuratore RF per le radiofrequenze).

In ogni gruppo i maschi e le femmine vanno tenuti in provette separate per le prime 48 ore di ciascun esperimento. Tenere separati i maschi dalle femmine per le prime 48 ore di ciascun esperimento assicura che i moscerini siano in completa maturità sessuale e siano pronti per l’accoppiamento immediato e per la posa di uova fertilizzate. Infatti, alla fine del secondo giorno della loro vita adulta, i moscerini femmina hanno nel loro ovodepositore il primo uovo pronto per essere fecondato e deposto.

Pertanto, inizialmente i moscerini vanno leggermente anestetizzati e occorre separare i maschi dalle femmine. Per distinguere i maschi dalle femmine occorre guardare, con una buona lente di ingrandimento: (1) le dimensioni (le femmine sono molto più grandi); (2) il colore dell’addome (nei maschi gli ultimi due segmenti sono molto più scuri che nelle femmine); (3) la forma degli ultimi due segmenti dell’addome (l’ultimo segmento dei maschi è arrotondato, mentre quello delle femmine è a punta).

Uno degli elementi che consentono di riconoscere i moscerini maschi (a sinistra) da quelli femmina (a destra).

Dopo le prime 48 ore dell’esperimento, si mettono insieme i 10 maschi e le 10 femmine di ogni gruppo in un’altra provetta di vetro con cibo fresco e li si lasciano accoppiare e deporre le uova per 72 ore. Durante questi tre giorni, la produzione giornaliera di uova di Drosophila è al suo livello massimo, (dal 3° fino al 5° giorno della sua vita adulta), quindi rimane su un plateau o diminuisce leggermente nei successivi 5 giorni e diminuisce rapidamente dopo il decimo giorno della vita adulta.

Dopo cinque giorni dall’inizio dell’esperimento – durante i quali i moscerini del gruppo G1 erano esposti al campo elettromagnetico – si prendono le provette con i moscerini e le si pongono nell’incubatore per sei giorni senza nessuna ulteriore esposizione ai campi elettromagnetici. Dopo questi sei giorni, la maggior parte degli embrioni nati sono nella fase di pupa, dove possono essere visti e contati chiaramente sulle pareti delle provette, ma non sono gli unici che conteremo.

I moscerini con il cibo nelle provette (a sinistra) e pupe della Drosophila immobilizzate sulle pareti della provetta (a destra). (tratte dal lavoro citato più avanti)

Infatti, naturalmente ci saranno ancora alcuni embrioni negli ultimi stadi di larva, che sono grandi abbastanza e pronti per diventare pupa, e che si trovano in superficie o già lontano dal cibo, così che possono essere contati facilmente. Inoltre ci possono essere già alcuni moscerini appena nati, che possono anch’essi venire contati facilmente. Per comodità, conviene tenere una colonna di Excel separata per ciascuno di questi tre diversi conteggi, e poi una che riporta il totale.

Negli ultimi sei giorni ispezioniamo la superficie del cibo nelle provette, sotto un microscopio stereo, per vedere se ci sono uova deposte non sviluppate, o larve morte (ovviamente gusci d’uovo vuoti possono essere visti dopo la schiusa delle larve). Le eccezioni da questa regola, nei gruppi esposti e in quelli di controllo, sono sempre all’interno della deviazione standard del numero della progenie. Quindi, nei nostri esperimenti, il numero di pupe corrisponde alla deposizione delle uova.

Un microscopio stereo si rivela fondamentale per questo tipo di esperienza.

In tal modo, contando le sole pupe, possiamo stimare la deposizione delle uova senza alcun errore, mentre considerando il conteggio del numero di uova deposte che possiamo effettuare sotto uno microscopio stereo avremmo un errore considerevole. Operando nel modo descritto, possiamo vedere se ci sono dei cambiamenti, dovuti all’esposizione a campi elettromagnetici, nella deposizione delle uova di Drosophila, durante i primi tre giorni della sua massima ovoposizione giornaliera.

Qualsiasi cambiamento nella normale ovodeposizione dell’insetto, durante i primi tre giorni della sua massima ovodeposizione, riflette i cambiamenti della normale funzione dell’insetto. Questo semplice protocollo sperimentale, che è stato progettato da biologi professionisti, si è dimostrato essere un indice molto affidabile per le alterazioni biologiche dovute a diversi tipi di campi elettromagnetici. Esso apre la strada a una quantità di sperimentazioni interessanti in questo settore di ricerca.

Risultati sperimentali realmente ottenuti

In quest’ultima parte illustreremo brevemente i risultati sperimentali realmente ottenuti in questo tipo di esperimento, seguendo il protocollo appena illustrato, da due ricercatori professionisti greci dell’Università di Atene (v. figura qui sotto), e con alle spalle oltre 250 pubblicazioni in due, per i tre tipi di campi elettromagnetici di interesse. Naturalmente, ciascuno è libero di ripeterlo o di effettuare un esperimento simile per studiare gli effetti di altre sorgenti, come ad es. antenne fisse o telefonini 3G, 4G e 5G.

Gli autori della ricerca che ho riassunto nel presente articolo e che trovate qui.

La tabella qui sotto mostra i risultati dell’effetto del campo magnetico alternato a 50 Hz, di intensità pari a 70 G (ovvero 7 mT), sulla capacità riproduttiva dell’insetto, dove M(G1) indica i gruppi di insetti esposti al campo magnetico in questione, M(G2) i gruppi di controllo non esposti al campo magnetico. Nella tabella, possiamo vedere l’Ovodeposizione media (numero di uova deposte) per insetto (progenitore) femmina durante i primi tre giorni di massima ovodeposizione giornaliera (3°, 4° e 5° giorno della vita adulta).

Ovodeposizione di gruppi di moscerini esposti, M(G1), a campi magnetici alternati sinusoidale a 50 Hz e dei gruppi di controllo, M(G2), in 9 esperimenti. In fondo, è mostrata l’ovodeposizione media per insetto materno +/- Deviazione Standard, durante i primi tre giorni della massima deposizione delle uova.

L’ovodeposizione era definita dal numero di pupe progenie, poiché durante gli esperimenti non è stata registrata alcuna percentuale statisticamente importante di uova deposte non sviluppate, o larve morte, nei Gruppi Esposti o nei Gruppi di Controllo. Come possiamo vedere, in nove esperimenti, il campo magnetico alternato ha causato una diminuzione media del 6,16% della capacità riproduttiva degli insetti. Si noti l’elevato numero di esperimenti che si è reso necessario per ottenere un risultato statisticamente significativo, data la piccola variazione della capacità riproduttiva riscontrata.

La tabella qui sotto mostra, invece, i risultati dell’effetto del Campo elettrico a impulsi di 4kV/cm, con impulsi alternati smorzanti, con frequenza portante a 10 kHz e frequenza di ripetizione a 50 Hz (ovvero delle Frequenze Intermedie sovrapposte a un campo a frequenza di rete) sulla capacità riproduttiva dell’insetto, dove E(G1) indica i gruppi di insetti esposti al campo in questione, E(G2) i gruppi di controllo non esposti al campo. Al solito, è mostrata l’ovodeposizione media per femmina (progenitore). Come si vede, in cinque esperimenti, il campo ha causato un aumento medio della capacità riproduttiva del 36,5%.

Ovodeposizione media dei gruppi di moscerini esposti a campi elettrici pulsati a Frequenza Intermedia di 10 kHz sovrapposti alla frequenza di rete a 50 Hz, ovvero E(G1), e dei gruppi di controllo, ovvero E(G2), in 5 esperimenti. In fondo, è mostrata l’ovodeposizione media per insetto materno +/- Deviazione Standard.

La tabella qui sotto mostra invece i risultati dell’effetto del Campo a radiofrequenza non modulato (cioè senza parlare), di intensità pari a 0,037 mW/cm2,  di un telefono cellulare operante su rete GSM sulla capacità riproduttiva dell’insetto, dove GSM(G1)NM indica i gruppi di insetti esposti al campo in questione, GSM(G2)NM i gruppi di controllo non esposti al campo. Al solito, è mostrata l’ovodeposizione media per femmina (progenitore). Come possiamo vedere, in quattro esperimenti il campo GSM “non modulato” ha causato una notevole diminuzione media, pari al 18,24%, nella capacità riproduttiva dell’insetto (come definita dalla deposizione delle uova).

Ovodeposizione media dei gruppi di moscerini esposti al campo a radiofrequenza “non modulato” (ovvero senza parlare) prodotto da un telefono cellulare operante sulla rete GSM, ovvero GSM(G1)NM, e dei gruppi di controllo, ovvero GSM(G2)NM, in 4 esperimenti. In fondo, è mostrata l’ovodeposizione media per insetto materno +/- Deviazione Standard.

Infine, la tabella qui sotto mostra i risultati dell’effetto del Campo a radiofrequenza modulato (cioè parlando), di intensità pari a 0,62 mW/cm2, di un cellulare operante su rete GSM sulla capacità riproduttiva dell’insetto, dove GSM(G1) indica i gruppi di insetti esposti al campo in questione, GSM(G2) i gruppi di controllo non esposti al campo. Al solito, è mostrata l’ovodeposizione media per femmina (progenitore). Come possiamo vedere, in quattro esperimenti il campo GSM “non modulato” ha causato un drastico calo medio, pari al 53,01%, nella capacità riproduttiva dell’insetto (come definita dalla deposizione delle uova).

Ovodeposizione media dei gruppi di moscerini esposti al campo a radiofrequenza modulato (ovvero parlando normalmente) prodotto da un telefono cellulare operante sulla rete GSM, ovvero GSM(G1), e dei gruppi di controllo, ovvero GSM(G2), in 4 esperimenti. In fondo, è mostrata l’ovodeposizione media per insetto materno +/- Deviazione Standard.

Si noti che la capacità riproduttiva dei moscerini  è molto più ridotta con l’emissione “modulata” (50-60%), rispetto all’emissione “non modulata” (15-20%). Si noti, inoltre, che non è stato rilevato alcun aumento di temperatura, causato dal campo GSM, all’interno delle provette (nel cibo) usando un termometro con una precisione di 0,05 °C. Anche se ci fosse stato un aumento di temperatura, certamente inferiore a 0,1 °C, questo non avrebbe qualche effetto osservabile sulla deposizione delle uova.

Pertanto, l’effetto registrato non può essere attribuito a un aumento di temperatura causato dalla radiazione; dunque, esso è di origine non termica. I limiti di legge attuali per i campi elettromagnetici, però, sono stati stabiliti misurando i soli effetti termici, che si verificano a valori di campo molto più alti di quelli misurati negli esperimenti appena descritti. Questa semplice esperienza, invece, dimostra che gli effetti non termici si verificano sulla materia vivente a soglie assai più basse dei limiti di legge.

Riassumendo, gli esperimenti reali condotti dal ricercatore greco hanno mostrato: a) una diminuzione piccola ma statisticamente significativa, nell’ordine del 6%, della capacità riproduttiva, in seguito all’esposizione al campo magnetico alternato a 50 Hz; b) un grande aumento della capacità riproduttiva, nell’ordine del 40%, nell’esposizione al campo elettrico pulsato; c) una diminuzione drammatica del capacità riproduttiva, fino al 60%, in seguito all’esposizione al campo RF di un GSM.

Effetto dei quattro tipi di campi testati sulla capacità riproduttiva di Drosophila melanogaster.  Gli ultimi due sono campi e intensità reali, i primi due sono simulati e di intensità elevata. 

Vediamo ora di dare un’interpretazione ai risultati ottenuti, peraltro in accordo con altri lavori in letteratura. La piccola diminuzione della capacità riproduttiva degli insetti causata dal campo magnetico a 50 Hz negli esperimenti del ricercatore greco appena descritti sembra essere in accordo sia con la piccola diminuzione del tasso di proliferazione cellulare sia con la diminuzione della concentrazione citosolica di ioni Ca2+, che sono stati riportati in altri esperimenti pubblicati con campi magnetici ELF.

Anche il grande aumento della capacità riproduttiva dell’insetto causato dal campo elettrico a 10 kHz negli esperimenti del ricercatore greco sembra concordare con corrispondenti aumenti nel tasso di sintesi del DNA, aumenti del tasso di proliferazione cellulare, e aumento della concentrazione citosolica di ioni Ca2+, riportati in altri esperimenti. Nei casi in letteratura in cui i campi ELF aumentano o accelerano le funzioni biologiche, sembra che il campo elettrico indotto – non quello magnetico – sia il responsabile.

Infine, la drammatica diminuzione della capacità riproduttiva degli insetti causata dal campo a radiofrequenza del cellulare GSM negli esperimenti del ricercatore greco sembra concordare con le diminuzioni significative nel tasso di proliferazione cellulare, e nella concentrazione citosolica degli ioni Ca2+, trovati da altri sperimentatori. Dunque, sarebbe interessante estendere questi esperimenti al 3G (UMTS), al 4G (LTE) e al 5G, per fare un confronto con il 2G (GSM).