生命系统各结构层次上的信息传递例析

王启雨

(安徽省合肥工业大学附属中学 230009)

1生命系统各结构层次上的信息传递

1.1 细胞水平上的信息传递 细胞水平上的信息传递可表现在细胞整体水平上、亚细胞水平上、分子水平上等。例如，基因的表达、酶活性的变化、细胞膜通透性的变化等无不与信息传递有关。

1.1.1 神经细胞膜上电信号的作用 以人为例，神经细胞的细胞内液和细胞外液中钠、钾离子浓度差异很大，表现为细胞外高钠、细胞内高钾。未受刺激时，细胞膜上的钾离子通道易打开，钾离子顺浓度梯度外流，导致细胞膜内、外存在着外正内负的电位差，形成静息电位；受到刺激时，细胞膜上钠离子通道打开，钠离子顺着浓度梯度内流，受刺激部位形成外负内正的动作电位，产生兴奋。此时，细胞膜内外的受刺激部位与未受刺激部位形成电位差，导致电荷的定向流动，形成局部电流(电信号)。局部电流在膜外由未受刺激部位流向受刺激部位，膜内由受刺激部位流向未受刺激部位，从而实现兴奋在神经细胞上的传导，这是神经调节的基础。

1.1.2 第二信使的作用 细胞外的信号如激素分子、神经递质、淋巴因子等被称为第一信使；而将细胞表面受体接受的细胞外信号转换为细胞内的信号物质称为第二信使,其是细胞对细胞外信号做出应答反应的基础。已知的第二信使如环腺苷酸(cAMP)、环鸟苷酸(cGMP)，Ca2+等，它们分别存在相应的信号传递系统。第二信使在细胞信号转递中起重要作用，其在细胞内的浓度受第一信使的调节,它可以瞬间升高、且能快速降低,并由此调节细胞内代谢系统的酶以及非酶蛋白活性等,控制细胞的生命活动。例如，肝细胞对肾上腺素信号应答促使糖原分解和调节糖代谢的过程。当肾上腺素分子与肝细胞膜上的受体结合后，立刻大大增加了细胞中的cAMP浓度。cAMP使得蛋白激酶A(PKA)活化，后者又诱导活化磷酸化激酶，再激活糖原磷酸化酶。在活化的糖原磷酸化酶的作用下，肝细胞中的糖原被分解，释放出葡萄糖分子。通过上述一系列逐级放大反应，单个肾上腺素分子便可导致成千上万个葡萄糖分子的产生[1]。此外，在细胞的增殖和分化,基因转录等过程都有第二信使参与调节。

1.1.3 细胞内核酸的作用 DNA的复制实现了细胞内DNA与DNA间信息的传递；通过基因表达过程，DNA中所含有的遗传信息经转录传递给mRNA，然后通过翻译过程再传递给蛋白质。在细胞的各组分之间实现遗传信息的传递。

1.2 组织、器官、系统水平上的信息传递 信息传递不仅仅存在于细胞层次上，还存在于以细胞间信息传递为基础的组织、器官、系统水平上。

1.2.1 组织水平上的信息传递 相邻细胞间形成通道使细胞相互沟通，通过携带信息的物质来交流信息。例如，高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，进行细胞间的信息交流；精子与卵细胞通过膜信号分子与受体的相互识别而融合；动物细胞在培养过程中通过相互识别产生接触抑制的现象，也是通过细胞间的信息传递实现的。

还有通过体液的作用来完成的间接交流。例如，神经元之间在传递兴奋时，突触前膜通过突触小泡释放神经递质，由突触间隙扩散到突触后膜，与后膜上的特异性受体结合，导致后膜的膜电位的变化，实现神经元之间的信息传递；T淋巴细胞在受到吞噬细胞呈递的抗原信息刺激后，释放淋巴因子，通过体液的运输促进B细胞增殖和分化。

1.2.2 器官水平上的信息传递 例如，植物的根属于一种器官，根尖分生组织分泌生长素能促进伸长区细胞的伸长生长；动物的性腺分泌的性激素对性腺的发育及生殖细胞成熟有促进作用。当然，激素等信号分子的调节作用不仅仅限于器官水平。

1.2.3 系统水平上的信息传递 动物通过分级调节及反馈调节方式调节甲状腺激素的分泌过程中，下丘脑分泌的促甲状腺激素释放激素通过血液运输作用于垂体，促进垂体分泌促甲状腺激素，促甲状腺激素又会促进甲状腺分泌甲状腺激素；而血液中甲状腺激素分泌增多又会反过来抑制下丘脑及垂体分泌相应的激素。各种内分泌腺属于构成内分泌系统的不同器官，该调节事例体现了系统水平上的信息传递。

1.3 个体水平上的信息传递 机体对寒冷刺激所做出的一系列的生理反应体现了神经系统、内分泌系统、运动系统、血液循环系统、排泄系统等通过电信号、激素和神经递质等化学信号以及细胞的相互接触传递信息的过程，体现了个体内神经、内分泌等多系统之间通过信息传递的形式形成一个统一整体。

1.4 种群、群落、生态系统水平的信息传递 在宏观的自然环境中也广泛存在着信息传递，这些被传递的信息主要可以分为四种类型，即物理信息、化学信息、行为信息和营养信息[2]。它们可以发生在种群水平上、群落水平上、生态系统水平上。

1.4.1 种群水平上的信息传递 例如，蜜蜂通过跳“8”摆尾舞行为信息等告知同伴蜜源的距离和方位；七星瓢虫捕食棉蚜虫时，被捕食的蚜虫会立即释放警报信息素(化学信息),于是周围的蚜虫纷纷跌落[2]；乌鸦发现猫头鹰时会发出特殊的叫声(物理信息)呼唤聚集同群其他个体对付捕食者。

1.4.2 群落水平的信息传递 例如，蝙蝠通过发出物理信息声波对昆虫 “回声定位”进行捕食；烟草植株受到蛾幼虫攻击后，能够释放一种化学信息素，白天可以吸引蛾幼虫的天敌——捕食者，夜间又能够驱除在叶片上产卵的雌蛾；植物以芳香气味的化学信息吸引昆虫来采食花粉、花蜜时帮助其传粉授精；猫在受到狗的攻击时，会通过声音、体态等行为信息威吓阻止狗的攻击；食物和养分的供应状况也是一种信息，即营养信息，老鹰以田鼠为食,田鼠多的地方能够吸引饥饿的老鹰前来捕食。

1.4.3 生态系统水平上的信息传递 光照时间的长短影响动物、植物的繁殖，这是生态系统的无机环境中物理信息对群落中生物生命活动的调节事例；腐烂的臭味所代表的无机环境中的化学信息会吸引苍蝇等昆虫前来取食和产卵。这些事例表明在生态系统内部的群落中的生物与无机环境之间广泛存在着信息的交流。

2生命系统各结构层次信息传递的联系

生命系统具有复杂的结构层次，细胞是最基本的结构层次。生物体具有对刺激做出规律性反应的能力。细胞水平的信息传递是其他各生命系统结构层次的信息传递的基础。

2.1 细胞膜具有信息传递的结构基础 进行细胞间的信息交流是细胞膜的重要功能之一。与此功能相适应的是细胞膜上存在糖蛋白、糖脂等成分，这些成分是细胞间，或者细胞与其他大分子之间相互识别的“文字”或“语言”。诸如激素的受体、神经递质的受体、抗原结合点以及其他有关细胞识别的位点，往往都在细胞膜上(或在胞浆内)，一般情况下细胞间信息交流是以细胞膜的特殊结构为基础。

2.2 细胞水平上的信息传递是立足点 多种多样细胞水平上的信息传递，促进了细胞的物质代谢和能量代谢，使细胞的各种生命活动得以协调顺利地进行。同时，建立在细胞层次上的其他结构层次上的信息传递才有立足点。

从细胞、个体的结构层次看，细胞增殖实现细胞数量的增多(或单细胞个体的增多)，物种繁衍实现个体增多。其生命活动过程中通过DNA复制(细胞内分子水平上的信息传递)才能进行有丝分裂，产生遗传信息完全相同的子细胞，实现细胞数量的增殖；通过DNA复制，减数分裂产生生殖细胞，精子、卵细胞是亲子代遗传信息传递的桥梁、纽带。精卵结合形成受精卵发育成新个体，确保了生物的遗传和变异。因此，细胞水平的信息传递是个体繁衍的基础。

从多细胞生物个体内不同结构层次看，高等动物的生命活动的调节分为体液调节、神经调节、免疫调节。高等动物个体的各大系统的生命活动都直接或间接的受神经系统的支配，神经系统活动的基本方式是反射，反射的结构基础是反射弧，而每个反射弧至少含有两个神经元，神经元之间的信息传递及神经元与效应器之间的信息传递都是通过突触或类似突触结构完成，此过程是以细胞水平信息传递为基础实现的。而体液调节过程中，下丘脑通过分级调节和反馈调节支配性腺的活动。此过程涉及组织、器官、系统水平，但是激素发挥作用时往往是通过作用细胞膜上特异受体，调节细胞内酶的活性或基因表达等来实现的，体现了以细胞水平信息传递为基础。免疫调节也不例外，特异性免疫涉及T细胞、B细胞、抗体等对抗原信息的识别，与细胞膜上的特异性受体有关，建立在细胞水平上。

从种群、群落、生态系统结构层次看，动物对来自种群内(如性外激素)、群落内(如蛇用舌尖识别猎物气味)和无机环境的化学信息的刺激，是通过舌上的味蕾细胞、鼻黏膜上的嗅觉细胞等来识别传递的；动物对于无机环境中的光信息，可以通过视网膜上的视神经细胞，将光信号转化为电信号进行传导的。这些事例都说明细胞水平上的信息传递是各结构层次信息传递的立足点。