Ионизирующее излучение — одно из уникальных явлений, окружающей среды, последствия от воздействия которого на организм на первый взгляд совершенно неэквивалентны величине поглощаемой энергии.
Действительно, летальная доза для млекопитающих составляет 10 Гр (1000 рад), поглощаемая же при этом тканями и органами животных энергия могла бы повысить их температуру всего на тысячные доли градуса. Ясно, что само по себе такое повышение температуры не могло бы вызвать столь выраженного эффекта поражения; в то же время непосредственные прямые нарушения в химических связях биомолекул в клетках и тканях, возникающие вслед за облучением, ничтожны. Вместе с тем известно, что ни один из субстратов клетки in vitro не является столь радиочувствительным, как вся клетка in vivo. В связи с указанными обстоятельствами в настоящее время выдвигается гипотеза о возможности существования цепных автокаталитических реакций, усиливающих первичное действие, или наличии в клетках систем положительных обратных связей, которые после возникновения поддерживаются независимо от существования породившей их причины.
Процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом клетки, в результате чего образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, являются первым этапом развития лучевого поражения. Ионизированные и возбужденные атомы и молекулы в течение 10-6 с взаимодействуют как между собой, так и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы, ионы, ионные радикалы и др.). В этот же период возможно образование разрывов связей в молекулах как за счет непосредственного взаимодействия с ионизирующим агентом, так и за счет внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения.
В дальнейшем имеют место реакции химически активных веществ с различными биологическими структурами, при которых отмечается как деструкция, так и образование новых, несвойственных для облучаемого организма соединений.
Последующие этапы развития лучевого поражения проявляются в нарушении обмена веществ в биологических системах с изменением соответствующих функций. У высших организмов это протекает на фоне нейрогуморальной реакции на развитие нарушения.
Явления, происходящие на начальных, физико-химических этапах лучевого воздействия, принято называть первичными, или пусковыми, поскольку именно они определяют весь дальнейший ход развития лучевых поражений.