Ионизирующее излучение - одно из уникальных явлений окружающей среды, последствия действия которого на организм, на первый взгляд, совершенно неэквивалентны величине поглощаемой энергии. Летальная доза для млекопитающих при облучении всего тела - 10 Гр. Поглощаемая при этом тканями и органами животных энергия повышает температуру тела всего на тысячные доли градуса. Такое повышение температуры не вызывает выраженного поражения. Непосредственные нарушения в химических связях молекул в клетках и тканях, возникающие вслед за облучением, ничтожны. Ни один из субстратов клетки in vitro не является радиочувствительным, как вся клетка in vivo. В связи с этим предполагают возможность существования цепных автокаталитических реакций, усиливающих первичное действие, или наличие в клетках систем положительных обратных связей, которые после возникновения поддерживаются независимо от существования породившей их причины.
Процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом клетки, в результате чего образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, - первый этап лучевого поражения. Ионизированные и возбужденные атомы и молекулы в течение 10-6 с взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы, ионы, ион-радикалы и др.). Одновременно возможны разрывы связей в молекулах как при непосредственном взаимодействии с ионизирующим агентом, так и при внутри- и межмолекулярной передаче энергии возбуждения.
В дальнейшем развиваются реакции химически активных веществ с разными биологическими структурами, при которых возникает как деструкция, так и образование новых, несвойственных облучаемому организму соединений.
Последующие этапы развития лучевого поражения проявляются нарушением обмена веществ в биологических системах с изменением их функций. У высших организмов это протекает на фоне нейрогуморальной реакции на нарушения.
Явления, происходящие на начальных, физико-химических этапах лучевого воздействия, принято называть первичными, или пусковыми, поскольку именно они определяют дальнейший ход развития лучевого поражения.