生命系統各結構層次上的信息傳遞例析

王啟雨

(安徽省合肥工業大學附屬中學 230009)

1生命系統各結構層次上的信息傳遞

1.1 細胞水平上的信息傳遞 細胞水平上的信息傳遞可表現在細胞整體水平上、亞細胞水平上、分子水平上等。例如，基因的表達、酶活性的變化、細胞膜通透性的變化等無不與信息傳遞有關。

1.1.1 神經細胞膜上電信號的作用 以人為例，神經細胞的細胞內液和細胞外液中鈉、鉀離子濃度差異很大，表現為細胞外高鈉、細胞內高鉀。未受刺激時，細胞膜上的鉀離子通道易打開，鉀離子順濃度梯度外流，導致細胞膜內、外存在著外正內負的電位差，形成靜息電位；受到刺激時，細胞膜上鈉離子通道打開，鈉離子順著濃度梯度內流，受刺激部位形成外負內正的動作電位，產生興奮。此時，細胞膜內外的受刺激部位與未受刺激部位形成電位差，導致電荷的定向流動，形成局部電流(電信號)。局部電流在膜外由未受刺激部位流向受刺激部位，膜內由受刺激部位流向未受刺激部位，從而實現興奮在神經細胞上的傳導，這是神經調節的基礎。

1.1.2 第二信使的作用 細胞外的信號如激素分子、神經遞質、淋巴因子等被稱為第一信使；而將細胞表面受體接受的細胞外信號轉換為細胞內的信號物質稱為第二信使,其是細胞對細胞外信號做出應答反應的基礎。已知的第二信使如環腺苷酸(cAMP)、環鳥苷酸(cGMP)，Ca2+等，它們分別存在相應的信號傳遞系統。第二信使在細胞信號轉遞中起重要作用，其在細胞內的濃度受第一信使的調節,它可以瞬間升高、且能快速降低,并由此調節細胞內代謝系統的酶以及非酶蛋白活性等,控制細胞的生命活動。例如，肝細胞對腎上腺素信號應答促使糖原分解和調節糖代謝的過程。當腎上腺素分子與肝細胞膜上的受體結合后，立刻大大增加了細胞中的cAMP濃度。cAMP使得蛋白激酶A(PKA)活化，后者又誘導活化磷酸化激酶，再激活糖原磷酸化酶。在活化的糖原磷酸化酶的作用下，肝細胞中的糖原被分解，釋放出葡萄糖分子。通過上述一系列逐級放大反應，單個腎上腺素分子便可導致成千上萬個葡萄糖分子的產生[1]。此外，在細胞的增殖和分化,基因轉錄等過程都有第二信使參與調節。

1.1.3 細胞內核酸的作用 DNA的復制實現了細胞內DNA與DNA間信息的傳遞；通過基因表達過程，DNA中所含有的遺傳信息經轉錄傳遞給mRNA，然后通過翻譯過程再傳遞給蛋白質。在細胞的各組分之間實現遺傳信息的傳遞。

1.2 組織、器官、系統水平上的信息傳遞 信息傳遞不僅僅存在于細胞層次上，還存在于以細胞間信息傳遞為基礎的組織、器官、系統水平上。

1.2.1 組織水平上的信息傳遞 相鄰細胞間形成通道使細胞相互溝通，通過攜帶信息的物質來交流信息。例如，高等植物細胞之間通過胞間連絲相互連接，進行細胞間的信息交流；精子與卵細胞通過膜信號分子與受體的相互識別而融合；動物細胞在培養過程中通過相互識別產生接觸抑制的現象，也是通過細胞間的信息傳遞實現的。

還有通過體液的作用來完成的間接交流。例如，神經元之間在傳遞興奮時，突觸前膜通過突觸小泡釋放神經遞質，由突觸間隙擴散到突觸后膜，與后膜上的特異性受體結合，導致后膜的膜電位的變化，實現神經元之間的信息傳遞；T淋巴細胞在受到吞噬細胞呈遞的抗原信息刺激后，釋放淋巴因子，通過體液的運輸促進B細胞增殖和分化。

1.2.2 器官水平上的信息傳遞 例如，植物的根屬于一種器官，根尖分生組織分泌生長素能促進伸長區細胞的伸長生長；動物的性腺分泌的性激素對性腺的發育及生殖細胞成熟有促進作用。當然，激素等信號分子的調節作用不僅僅限于器官水平。

1.2.3 系統水平上的信息傳遞 動物通過分級調節及反饋調節方式調節甲狀腺激素的分泌過程中，下丘腦分泌的促甲狀腺激素釋放激素通過血液運輸作用于垂體，促進垂體分泌促甲狀腺激素，促甲狀腺激素又會促進甲狀腺分泌甲狀腺激素；而血液中甲狀腺激素分泌增多又會反過來抑制下丘腦及垂體分泌相應的激素。各種內分泌腺屬于構成內分泌系統的不同器官，該調節事例體現了系統水平上的信息傳遞。

1.3 個體水平上的信息傳遞 機體對寒冷刺激所做出的一系列的生理反應體現了神經系統、內分泌系統、運動系統、血液循環系統、排泄系統等通過電信號、激素和神經遞質等化學信號以及細胞的相互接觸傳遞信息的過程，體現了個體內神經、內分泌等多系統之間通過信息傳遞的形式形成一個統一整體。

1.4 種群、群落、生態系統水平的信息傳遞 在宏觀的自然環境中也廣泛存在著信息傳遞，這些被傳遞的信息主要可以分為四種類型，即物理信息、化學信息、行為信息和營養信息[2]。它們可以發生在種群水平上、群落水平上、生態系統水平上。

1.4.1 種群水平上的信息傳遞 例如，蜜蜂通過跳“8”擺尾舞行為信息等告知同伴蜜源的距離和方位；七星瓢蟲捕食棉蚜蟲時，被捕食的蚜蟲會立即釋放警報信息素(化學信息),于是周圍的蚜蟲紛紛跌落[2]；烏鴉發現貓頭鷹時會發出特殊的叫聲(物理信息)呼喚聚集同群其他個體對付捕食者。

1.4.2 群落水平的信息傳遞 例如，蝙蝠通過發出物理信息聲波對昆蟲 “回聲定位”進行捕食；煙草植株受到蛾幼蟲攻擊后，能夠釋放一種化學信息素，白天可以吸引蛾幼蟲的天敵——捕食者，夜間又能夠驅除在葉片上產卵的雌蛾；植物以芳香氣味的化學信息吸引昆蟲來采食花粉、花蜜時幫助其傳粉授精；貓在受到狗的攻擊時，會通過聲音、體態等行為信息威嚇阻止狗的攻擊；食物和養分的供應狀況也是一種信息，即營養信息，老鷹以田鼠為食,田鼠多的地方能夠吸引饑餓的老鷹前來捕食。

1.4.3 生態系統水平上的信息傳遞 光照時間的長短影響動物、植物的繁殖，這是生態系統的無機環境中物理信息對群落中生物生命活動的調節事例；腐爛的臭味所代表的無機環境中的化學信息會吸引蒼蠅等昆蟲前來取食和產卵。這些事例表明在生態系統內部的群落中的生物與無機環境之間廣泛存在著信息的交流。

2生命系統各結構層次信息傳遞的聯系

生命系統具有復雜的結構層次，細胞是最基本的結構層次。生物體具有對刺激做出規律性反應的能力。細胞水平的信息傳遞是其他各生命系統結構層次的信息傳遞的基礎。

2.1 細胞膜具有信息傳遞的結構基礎 進行細胞間的信息交流是細胞膜的重要功能之一。與此功能相適應的是細胞膜上存在糖蛋白、糖脂等成分，這些成分是細胞間，或者細胞與其他大分子之間相互識別的“文字”或“語言”。諸如激素的受體、神經遞質的受體、抗原結合點以及其他有關細胞識別的位點，往往都在細胞膜上(或在胞漿內)，一般情況下細胞間信息交流是以細胞膜的特殊結構為基礎。

2.2 細胞水平上的信息傳遞是立足點 多種多樣細胞水平上的信息傳遞，促進了細胞的物質代謝和能量代謝，使細胞的各種生命活動得以協調順利地進行。同時，建立在細胞層次上的其他結構層次上的信息傳遞才有立足點。

從細胞、個體的結構層次看，細胞增殖實現細胞數量的增多(或單細胞個體的增多)，物種繁衍實現個體增多。其生命活動過程中通過DNA復制(細胞內分子水平上的信息傳遞)才能進行有絲分裂，產生遺傳信息完全相同的子細胞，實現細胞數量的增殖；通過DNA復制，減數分裂產生生殖細胞，精子、卵細胞是親子代遺傳信息傳遞的橋梁、紐帶。精卵結合形成受精卵發育成新個體，確保了生物的遺傳和變異。因此，細胞水平的信息傳遞是個體繁衍的基礎。

從多細胞生物個體內不同結構層次看，高等動物的生命活動的調節分為體液調節、神經調節、免疫調節。高等動物個體的各大系統的生命活動都直接或間接的受神經系統的支配，神經系統活動的基本方式是反射，反射的結構基礎是反射弧，而每個反射弧至少含有兩個神經元，神經元之間的信息傳遞及神經元與效應器之間的信息傳遞都是通過突觸或類似突觸結構完成，此過程是以細胞水平信息傳遞為基礎實現的。而體液調節過程中，下丘腦通過分級調節和反饋調節支配性腺的活動。此過程涉及組織、器官、系統水平，但是激素發揮作用時往往是通過作用細胞膜上特異受體，調節細胞內酶的活性或基因表達等來實現的，體現了以細胞水平信息傳遞為基礎。免疫調節也不例外，特異性免疫涉及T細胞、B細胞、抗體等對抗原信息的識別，與細胞膜上的特異性受體有關，建立在細胞水平上。

從種群、群落、生態系統結構層次看，動物對來自種群內(如性外激素)、群落內(如蛇用舌尖識別獵物氣味)和無機環境的化學信息的刺激，是通過舌上的味蕾細胞、鼻黏膜上的嗅覺細胞等來識別傳遞的；動物對于無機環境中的光信息，可以通過視網膜上的視神經細胞，將光信號轉化為電信號進行傳導的。這些事例都說明細胞水平上的信息傳遞是各結構層次信息傳遞的立足點。