辐射生物效应的发生与发展是包含着一系列矛盾的复杂过程。机体从能量吸收到引起损伤有其特有的原发和继发反应过程。从原子水平的激发或电离开始，继而引起分子水平的破坏（如蛋白质分子、DNA键断裂和酶的破坏等），又进一步影响到细胞、组织、器官乃至整体水平的损伤；遭受损伤的细胞、组织、器官还可以引起机体继发性损伤，进而使机体组织发生一系列生物化学变化、代谢的紊乱、机能的失调以及病理形态方面的改变，损伤严重的则导致死亡。

1 电离和激发

电离辐射可以使受照射物质中的原子或其他组成分子释放一个或多个电子，形成由正离子（失去电子的原子）和负离子（击出的电子）构成的离子对，这种现象称为电离。由带电粒子形成的电离辐射，如α粒子和β粒子能直接引起电离，称为直接电离；不带电粒子构成的电离辐射，如不带电粒子（X射线、γ射线）能从原子壳层击出电子，由所产生的次级带电粒子引起物质电离。不带电的电子与原子核碰撞形成反冲核也能造成原子电离，这些都称为间接电离。电离辐射还可以将其能量转移给原子，使其以较低的能态上升至较高能态的激发，而激发所产生的生物学效应影响不如电离那样强烈。

2 直接作用和间接作用

电离辐射可通过电离和激发直接作用于生物活性物质特别是大分子，最重要的是会使细胞核中的脱氧核糖核酸（DNA）受到损伤，称为直接作用。电离辐射与细胞中其他原子或分子特别是水分子作用，产生自由基，从而使生物活性物质受到损伤，称为间接作用。

3 基因突变和染色体畸变

DNA链上具有一定功能的一般核苷酸序列称为基因（gene）。基因是储存特定遗传信息的功能单位。细胞核中的染色体是生物遗传信息即基因的载体。遗传物质DNA发生可遗传的变异称为突变。辐射引起DNA损伤伴有染色体数目和结构异常时，称为染色体畸变。电离辐射引起的突变包括基因突变和染色体畸变，几乎都是DNA断裂的结果。

4 细胞死亡和细胞变异

辐射引起的DNA分子变化可以导致细胞的死亡，当照射剂量达到一定水平，机体的细胞死亡达到一定数量时，必然会引起器官或组织功能障碍甚至导致机体的死亡，这就是确定性效应。

如受照射的细胞DNA的损伤和突变没有导致细胞死亡，也没有得到正确修复，而是出现错误修复，这些错误修复的细胞可以保持增殖的能力并把错误的信息传给后代细胞，演变形成伴有特定DNA变化的异常细胞克隆（细胞克隆是指由一个细胞通过无性繁殖产生的具有相同遗传组成的细胞群），这就是细胞变异。

体细胞的变异可以使正常细胞转变为恶性细胞最后形成癌症。若照射引起的细胞变异发生于生殖细胞，则其错误信息将向受照者的后代传递，结果有可能引起遗传性疾病。

照射引起的癌症和遗传性疾病被认为是射线引起单一的体细胞和生殖细胞突变的结果，这种现象是随机发生的，与接受足够剂量（阈剂量）后必然发生的确定性效应不同，这便是随机效应。

电离辐射生物效应发生发展的过程，如图3.1所示。

图3.1 电离辐射生物效应发生、发展示意图