生命如何保持动态平衡

闫荣玲

(湖南科技学院化学与生物工程学院 永州 425199)

生命是由具备各种特定功能的不同部分组成的，不断进行着物质和能量代谢，且能对外界刺激做出反应和繁殖后代的开放系统[1]。生命表现出多重特征，除了“生殖与遗传”“新陈代谢”以及“应激性”之外，还包括“特定组构”“生长与发育”“进化和适应”“维持稳态”等。

贝尔纳(C.Bernard)100多年前就发现，外界环境虽然变化和波动很大，但哺乳动物的内环境总能维持基本不变；1926年，坎农(W.B.Cannon)把这一概念加以发展命名为稳态，并指出稳态不是恒定的，而是一种动态的平衡[2]。随着研究的拓展和深入，人们不断意识到，整个生命的世界，包括所有生命个体、个体组构的不同水平，以及由生命个体组成的种群、群落，甚至整个生态系统，若无剧烈和极端干扰因素下，均保持着动态的平衡(稳定)。本文从生命的不同水平的视角，以实例来阐明生命的这一基本特征。

1 生态系统水平的动态平衡

生物群落与无机环境相互作用的自然系统叫做生态系统，其不仅包括生命的成分也包括非生命成分。前者如生态链中的生产者、消费者和分解者；后者如非生物的物质和能量。当一个成熟的生态系统形成后，它的不同组成成分之间能够保持一种稳态，系统中的能量流动和物质循环能够保持动态的平衡，这种动态平衡叫做“生态平衡”。例如，化石的燃烧使局部大气二氧化碳浓度增加，但通过绿色植物等的光合吸收，浓度又会降到初始水平而重新达到平衡[3]。由于只有植物和部分低等微生物具有这一功能，可见植物在生态系统中角色的重要性。

2 群落与种群水平的动态平衡

在一定的时间和空间内的多个种群构成群落。当一个群落演替与当地的气候、土壤条件处于平衡状态时，演替就不再进行了。在这个平衡点上，群落的结构最复杂、最稳定，若无外界干扰，它将始终保持这种“平衡状态”。这样的群落叫做顶极群落。可见，在群落水平，生命也是朝向动态平衡状态进行演变并最终维持这一状态的。

生命世界是由不同物种共同构成的，不同物种在进化地位、形态结构、种群数量、营养与繁殖方式上差异显著，但有一点是各物种的共性，那就是均形成种群。在正常条件下，某一物种种群数量(规模)会处于平衡状态。即使由于自然灾害或者人类活动的影响，这种平衡遭到了破坏，但只要破坏不是毁灭性的，则经过一定的时间后又可以恢复稳定。因为每个物种通过捕食与被捕食的营养联系形成食物链，食物链的相互依赖与相互制约使生活在一定自然区域的各种生物种群的数量趋于平衡。而在种群内，雄性与雌性个体的数量比例维持在1∶1附近，即性别平衡。这种平衡的建立主要是由两个因素决定的，一是在形成雄配子时，性染色体在子代生殖细胞中的分配及形成的两类雄配子数量是平均的；二是带有不同性染色体的雄配子与雌配子结合的几率是相等的。

3 个体水平的动态平衡

生命的每个个体时刻与其所处环境进行着物质与能量的交换。以人体为例，在物质方面，每天要吸入氧气，呼出二氧化碳；要摄入营养物质，排泄代谢产物。在能量方面，每天的运动以及众多生理活动会消耗大量能量，但同时机体不断对摄入的营养物质进行分解产能，并且消耗和生成的能量总量之间大致相等。

对于高等动物来说，每个个体均包括神经、呼吸、循环、消化、泌尿、运动、生殖、内分泌等多个系统，这些不同的系统也均处于自身动态平衡中。例如，泌尿系统调节着身体内水和无机盐的动态平衡，当身体缺水时，肾小管重吸收时就回收更多的水分，减少排尿量；相反，若身体水分过剩则回收较少的水分，增加排尿量。而循环系统除了为身体运送营养物质和代谢产物(部分为废弃物)之外，还在机体内环境酸碱平衡调节中起到极为重要的作用，使其自身的pH维持在7.4左右。这是因为血液中存在着多组酸碱缓冲物质，其中碳酸/碳酸氢盐最为重要，两者以比较固定的比例(约1∶20)存在。当血液中的酸性物质增加(例如，运动后产生大量乳酸)，酸性物质就会和碳酸氢钠发生反应，生成碳酸和对应的中性盐，碳酸在肺部以二氧化碳形式呼出体外，含量减少，碳酸/碳酸氢盐的比例得以恢复，血液的pH维持稳定[4]。

4 细胞水平的动态平衡

所有生命均由细胞构成，单细胞生物仅一个细胞(因此单细胞生物的个体水平实质就是细胞水平)，多细胞生物所含有的细胞则从几个到几十亿个不等。通常情况下，特定生物体的某种细胞的形态、体积一般维持不变。例如，人的成熟红细胞为双凹圆盘状，直径约7～8 μm。当然，细胞的形态与体积在特殊条件下也会发生改变。例如，当动物细胞处在高渗溶液中时，细胞会失水皱缩，体积减小；相反，当细胞处在低渗环境中时，细胞吸水体积增大[1](但超过一定极限，细胞则不可逆受损，会涨破死亡)；植物细胞在高渗溶液中会发生质壁分离，复入清水后又可以复原。这种在一定范围内波动的变化实质是一种动态平衡的体现。

5 亚细胞水平的动态平衡

细胞器是悬浮在细胞质基质中的具有特定结构功能的微小构造，可以归为亚细胞结构。细胞中主要的细胞器包括液泡、叶绿体、线粒体、核糖体、溶酶体、内质网、高尔基体等。亚细胞水平的这些细胞器也处处体现着生命动态平衡的特征。糙面内质网一端与细胞核的外层核膜相连；一端与高尔基体相连。细胞核中转录出的mRNA通过附着在内质网上的核糖体合成后，进入内质网的内部空腔，经过折叠、组装、加糖基等修饰后，通过出芽为具膜小泡包裹蛋白质转移到高尔基体腔内进一步加工，之后再以小泡包裹形式把蛋白质从高尔基体运输到细胞膜，小泡与细胞膜融合，把蛋白质释放到细胞外。在这一过程中，高尔基体既接受小泡的膜输入，也有形成运输小泡的膜减少，其膜面积变化不明显；质膜除发生 “外吐”作用外，也在不断发生着一些“内吞”作用；内质网同样如此，内质网的出芽小泡看似膜面积有所减少，但也有一些膜结构向其转移而导致面积增加。因此，一个细胞中这些细胞器的膜面积维持在一个稳定的水平[5]。

6 分子水平的动态平衡

分子水平上生命处于动态平衡的表现更加多样化。例如，细胞中几乎所有的新陈代谢反应均在酶的催化下完成，反应的速度要适合细胞的生理需要。因此，这些反应的速度会受到细胞的调控，调节的一个重要方式就是改变反应所需酶的数量与其活性。对于酶分子数量的调节涉及多个方面，包括酶基因的表达水平(指基因转录与翻译生产酶蛋白的数量)，以及细胞中此酶的降解速度等。而改变酶的活性主要是指一些酶蛋白会调动储量(即细胞已合成，但暂时不表现出酶活性的酶分子前体)，人们把这种改变称为酶原的激活；或者通过微调酶蛋白的空间构象以改变活性(这类酶称为别构酶)[6]。

又如，人体血糖浓度的稳定与动态调节是分子水平生命动态平衡的典型例证。当血糖含量偏低时，下丘脑的相关区域通过神经调节作用于胰岛A细胞和肾上腺髓质，使其分泌胰高血糖素与肾上腺素，刺激肝脏加速糖原分解和其他非糖物质转变为血糖，使血糖浓度升高至正常水平；相反，当血糖含量偏高时，下丘脑另一相关区域通过神经调节刺激胰岛B细胞分泌胰岛素，促进肝脏与肌细胞合成肝糖原与肌糖原(减少血液中葡萄糖的含量)。同时，抑制非糖物质转化为葡萄糖，使血糖含量降低[4]。

再如，生命的繁衍中也充分体现出分子水平的动态平衡。在亲代形成生殖细胞时，减数分裂使生殖细胞染色体数目减半；待到雌雄生殖细胞两者受精结合后，合子的染色体数目得到恢复。减数分裂与受精作用相辅相成，保障了染色体在生命繁衍过程中的稳定性和连续性[1]。

7 小结

综上所述，生命处于动态平衡的稳态中这一特征，具有从微观到宏观的普遍性。处于平衡状态的生命运行成本最经济，信息传递最畅通。对于生物个体而言，体内通过一套复杂的机制(例如，动物的神经与内分泌调节)时刻监视、调整和维持着分子、亚细胞、细胞、系统以及个体水平的动态平衡。机体受到干扰可能会暂时脱离动态平衡，一般可以通过自身的调节恢复到之前的平衡状态。但是，随着平衡破坏程度增加和数量的累积，平衡可能被不可逆破坏，机体将表现出不同程度的异常，最终生命出现疾病、衰老、死亡。