Дію іонізуючого випромінювання на живі організми поділяється на кілька етапів, що здійснюються на різних рівнях, зокрема, на атомарному (іонізація і збудження) і молекулярному. Це фізико-хімічний етап іонізуючого впливу на живий організм. Після цього починається біологічний етап іонізуючої дії, що починається з порушення обміну речовин, гальмується активність ферментних систем, утворюються нові хімічні сполуки, що можуть бути токсичними для організму.
Дози радіації, що відповідають природному фонові, не шкідливі для життєдіяльності переважної більшості організмів та їхнього потомства. Проте, навіть природний рівень випромінювання в окремих випадках може спричинити шкідливі мутації. З підвищенням дози іонізуючої радіації імовірність виникнення таких змін зростає.
Збільшення обсягів використання радіоактивних матеріалів у різних галузях техніки і суспільного життя, нагромадження ядерних відходів атомних реакторів різного призначення незмінно супроводжуватимуться зростанням опромінення, особливо у малих дозах, дедалі більшого контингенту населення, всіх представників біоти планети.
До нині чітко не визначено, які дози слід вважати малими, спостерігається розбіжність у кількісних значеннях доз, котрі відносять до малих. Найчастіше під малими розуміють дози, кількісні значення яких не більше, ніж на один-два порядки перевищують значення доз, що зумовлені природним рівнем опромінення. Природні дози опромінення характеризуються потужностями порядку 0,1… 0,4 сГр/рік, отже малі дози становлять 1… 40 сГр. Це відповідає рекомендаціям Наукового комітету з дії атомної радіації (НКДАР).
При поглиненні білками високих доз радіації (100 Гр і більше) змінюється конформація (геометричні форми молекул) білкових молекул, відбувається їх агрегація з’єднання, збирання в ціле та деструкція (руйнування). При опроміненні дозами до 50 Гр знижується концентрація амінокислот, особливо метіоніну та триптофану, що сповільнює синтез білка.
Ферментні системи реагують на опромінення по різному: їхня активність може зростати, знижуватися або залишатися незмінною, а при великих дозах – вони інактивуються.
Опромінення високими дозами розчину простих цукрів спричинює їхнє окислення і розпад, а поліцукрів – зменшує в’язкість і розпад на прості цукри.
При поглинанні доз 5-1- Гр порушуються процеси розщеплення глюкози, знижується вміст глікогену в тканинах, змінюються властивості ряду вуглеводів.
Малі дози опромінення мають кумулятивний ефект, тобто вони можуть накопичуватися і підсумовуватися в організмі. Малі дози радіації мають генетичний ефект, тобто впливом не лише на організм, який опромінюється, але і на його потомство.
Одноразове опромінення великими дозами викликає більш глибокі наслідки, ніж порційне.
За визначенням Наукового комітету ООН з дії атомної радіації (UNSCEAR) малі дози опромінення становлять 0,2 Гр для іонізуючого випромінювання із низьким значенням ЛПЕ й 0,05 Гр – із високим за потужності поглинутої дози.
Іноді вважають, що малі дози іонізуючого випромінювання відповідають значенням, які на два або більше порядків менші за летальні.
У клінічній практиці під малими розуміють дози 0,5…1,0 Гр, під впливом яких не виявляються ефекти ураження. Іноді малою вважають дозу, за якої починає проявлятися досліджуваний нелетальний ефект, але навіть у одній і тій же клітині рівні радіобіологічні ефекти проявляються під впливом різних доз опромінення.
Запропоновано фізичний критерій малої дози, за якої в критичній мішені відбувається в середньому не більше, ніж одна радіаційна подія – перетинання мішені треком фотона або зарядженої частинки.
Відмічені підходи відповідають умові, за якої у прояві радіобіологічного ефекту клітинної популяції ніякої ролі не відіграють міжклітинні взаємодії. Якщо ж останні мають місце у формуванні радіобіологічного ефекту, то може проявитися залежність ефекту від інактивації певної кількості клітин, і тоді потрібні відповідні корегування у визначенні малих доз опромінення.
Отже, малими дозами іонізуючого опромінення є ті, за умови дії яких спостерігається радіобіологічний ефект не летального характеру.
Так само як і за великих доз опромінення, під впливом малих доз проявляються стохастичні й детерміністичні ефекти.
До стохастичних (ймовірних) ефектів належать ті радіобіологічні реакції, що не мають дозового порога (хромосомні аберації, точкові мутації, трансформація клітин, втрата проліферативної активності), тобто від значення дози залежить частота їх прояву. Оскільки трансформацією клітин розпочинається пухлинне перетворення тканини, то формування злоякісних пухлин, індукованих опроміненням, також є стохастичним ефектом. Як типово стохастичні ефекти проявляються ті форми ушкоджень, котрі не піддаються інтегративним процесам.
Для прояву стохастичних ефектів іноді потрібні досить тривалі проміжки часу після опромінення: первинні ушкодження ДНК можуть реалізуватись у віддалених нащадків опромінених клітин. Це свідчить про наявність латентного періоду у формуванні стохастичних ефектів опромінення. Стохастичні ефекти ґрунтуються на ймовірній природі влучень іонізуючих частинок або фотонів у певні клітинні структури-мішені. Стохастичні ефекти або проявляються повною мірою, або взагалі не проявляються.
До детерміністичних ефектів належать такі реакції, що формують адаптивну відповідь, яка має неспецифічний характер, зумовлює збільшення стійкості організму до дії несприятливих факторів різної природи (зростає стійкість до радіації, стимулюється проліферативна активність, біохімічних і фізіологічних процесів), тобто від значення дози залежить інтенсивність їх прояву.
Детерміністичні радіобіологічні ефекти не мають рис, які притаманні ймовірному процесові: опромінення в певній дозі провокує радіаційне ураження відповідного рівня. За дуже малих доз опромінення детерміністичні ефекти можуть не проявлятися, що свідчить про існування дозового порога – межі дозового навантаження, лише у випадку перевищення якого проявлятиметься ефект. Значна частина детерміністичних ефектів є наслідком багатоетапних процесів розвитку радіаційного ураження. Детерміністичні процеси проявляються в тому випадку, коли розвиток радіобіологічної реакції зумовлений ураженями масових структур клітини або реакція залежить від кількості інактивованих клітин.
Стохастичні й детерміністичні радіобіологічні ефекти в багатьох складних системах досить тісно пов’язані між собою, оскільки первинні процеси променевого ураження є ймовірними за своєю природою.
Виявлено, що спостерігається діапазон малих доз опромінення, у межах якого здійснюється стимуляція росту й розвитку тваринних і рослинних організмів. Такі явища називають радіостимуляцією або гормезисом.
Гормезис спостерігають у рослин, тварин, одноклітинних організмів, у культурі клітин. Найповніше це явище досліджено у рослин. Так, опромінення насіння у малих дозах сприяє збільшенню схожості, інтенсивнішому росту паростків, що свідчить про підвищений рівень метаболічних і фізіологічних процесів.
Існує думка, що радіаційний гормезис є явищем тотожним за умови застосування деяких токсичних речовин у дуже малих дозах.
Значення стимулювальних доз для багатьох видів культурних рослин виявляються не дуже малими, наприклад, для гороху – 3…10 Гр, кукурудзи – 5… 10 Гр, льону – 10 Гр, озимої пшениці – 25 Гр.
Радіостимуляцію рослин виявляють не лише у випадку опромінення насіння, а й при опромінюванні цибулин, бульб та інших органів вегетативного розмноження.
Кількісно гормезисний ефект оцінюють за збільшенням біомаси, висоти рослин або врожайності відносно неопромінених рослин. Підвищення врожаю внаслідок дії стимулюючих доз може сягати 40…60%. Регулярність прояву гормезисного ефекту в різних рослин неоднакова. Вважають, що розвиток гормезису розпочинається з появи вільнорадикальних станів молекул у клітині, а вільні радикали можуть досить швидко дезактивуватися внаслідок рекомбінаційних процесів. О.М. Кузіна висунула гіпотезу природи гормезису, за якою він зумовлюється активацією певних генів під впливом так званих тригер-ефекторів, що регулюють репресію окремих ділянок геному. Під впливом малих доз радіації спостерігається функціональне перепрограмування геному. Тригер-ефектори належать до тих систем клітини, які контролюють взаємодію ДНК з ядерним білком. Внаслідок опромінення відбуваються структурно-функціональні перебудови кластера рибосомних генів.
За дії опромінювання із високими значеннями ЛПЕ радіостимуляція не спостерігається.
Гормезис може проявлятися як компенсаційні ефекти соматичних реакцій у відповідь на ураження окремих груп клітин.
Опромінення тварин дозами, що не перевищують 10 сГр, обумовлює прискорення оновлення тимоцитів (малих лімфоцитів; лімфоцити – одна з форм лейкоцитів, розрізняють великі, середні та малі, вони беруть участь в імуногенезі, виробляють антитіла, утворюються в лімфовузлах, селезінці, тимусі).
Явище гормезису не свідчить про те, що малі дози опромінення є безпечними для біологічних систем. Гормезис є проявом соматичних реакцій, і водночас із ним можуть виникати молекулярні ушкодження, внаслідок яких формуватимуться стохастичні ефекти – генетичні порушення й трансформація клітин, що можуть проявитися до 10-20 покоління, тобто протягом періоду до 500 років.
