生命系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)層次上的信息傳遞例析

王啟雨

(安徽省合肥工業(yè)大學(xué)附屬中學(xué) 230009)

1生命系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)層次上的信息傳遞

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

1.1.1 神經(jīng)細(xì)胞膜上電信號(hào)的作用 以人為例，神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中鈉、鉀離子濃度差異很大，表現(xiàn)為細(xì)胞外高鈉、細(xì)胞內(nèi)高鉀。未受刺激時(shí)，細(xì)胞膜上的鉀離子通道易打開，鉀離子順濃度梯度外流，導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)、外存在著外正內(nèi)負(fù)的電位差，形成靜息電位；受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜上鈉離子通道打開，鈉離子順著濃度梯度內(nèi)流，受刺激部位形成外負(fù)內(nèi)正的動(dòng)作電位，產(chǎn)生興奮。此時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)外的受刺激部位與未受刺激部位形成電位差，導(dǎo)致電荷的定向流動(dòng)，形成局部電流(電信號(hào))。局部電流在膜外由未受刺激部位流向受刺激部位，膜內(nèi)由受刺激部位流向未受刺激部位，從而實(shí)現(xiàn)興奮在神經(jīng)細(xì)胞上的傳導(dǎo)，這是神經(jīng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。

1.1.2 第二信使的作用 細(xì)胞外的信號(hào)如激素分子、神經(jīng)遞質(zhì)、淋巴因子等被稱為第一信使；而將細(xì)胞表面受體接受的細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)物質(zhì)稱為第二信使,其是細(xì)胞對(duì)細(xì)胞外信號(hào)做出應(yīng)答反應(yīng)的基礎(chǔ)。已知的第二信使如環(huán)腺苷酸(cAMP)、環(huán)鳥苷酸(cGMP)，Ca2+等，它們分別存在相應(yīng)的信號(hào)傳遞系統(tǒng)。第二信使在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)遞中起重要作用，其在細(xì)胞內(nèi)的濃度受第一信使的調(diào)節(jié),它可以瞬間升高、且能快速降低,并由此調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)代謝系統(tǒng)的酶以及非酶蛋白活性等,控制細(xì)胞的生命活動(dòng)。例如，肝細(xì)胞對(duì)腎上腺素信號(hào)應(yīng)答促使糖原分解和調(diào)節(jié)糖代謝的過程。當(dāng)腎上腺素分子與肝細(xì)胞膜上的受體結(jié)合后，立刻大大增加了細(xì)胞中的cAMP濃度。cAMP使得蛋白激酶A(PKA)活化，后者又誘導(dǎo)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(xì)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(jí)放大反應(yīng)，單個(gè)腎上腺素分子便可導(dǎo)致成千上萬個(gè)葡萄糖分子的產(chǎn)生[1]。此外，在細(xì)胞的增殖和分化,基因轉(zhuǎn)錄等過程都有第二信使參與調(diào)節(jié)。

1.1.3 細(xì)胞內(nèi)核酸的作用 DNA的復(fù)制實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)DNA與DNA間信息的傳遞；通過基因表達(dá)過程，DNA中所含有的遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄傳遞給mRNA，然后通過翻譯過程再傳遞給蛋白質(zhì)。在細(xì)胞的各組分之間實(shí)現(xiàn)遺傳信息的傳遞。

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

1.2.1 組織水平上的信息傳遞 相鄰細(xì)胞間形成通道使細(xì)胞相互溝通，通過攜帶信息的物質(zhì)來交流信息。例如，高等植物細(xì)胞之間通過胞間連絲相互連接，進(jìn)行細(xì)胞間的信息交流；精子與卵細(xì)胞通過膜信號(hào)分子與受體的相互識(shí)別而融合；動(dòng)物細(xì)胞在培養(yǎng)過程中通過相互識(shí)別產(chǎn)生接觸抑制的現(xiàn)象，也是通過細(xì)胞間的信息傳遞實(shí)現(xiàn)的。

還有通過體液的作用來完成的間接交流。例如，神經(jīng)元之間在傳遞興奮時(shí)，突觸前膜通過突觸小泡釋放神經(jīng)遞質(zhì)，由突觸間隙擴(kuò)散到突觸后膜，與后膜上的特異性受體結(jié)合，導(dǎo)致后膜的膜電位的變化，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元之間的信息傳遞；T淋巴細(xì)胞在受到吞噬細(xì)胞呈遞的抗原信息刺激后，釋放淋巴因子，通過體液的運(yùn)輸促進(jìn)B細(xì)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(zhǎng)素能促進(jìn)伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)；動(dòng)物的性腺分泌的性激素對(duì)性腺的發(fā)育及生殖細(xì)胞成熟有促進(jìn)作用。當(dāng)然，激素等信號(hào)分子的調(diào)節(jié)作用不僅僅限于器官水平。

1.2.3 系統(tǒng)水平上的信息傳遞 動(dòng)物通過分級(jí)調(diào)節(jié)及反饋調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)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(yùn)輸作用于垂體，促進(jìn)垂體分泌促甲狀腺激素，促甲狀腺激素又會(huì)促進(jìn)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(huì)反過來抑制下丘腦及垂體分泌相應(yīng)的激素。各種內(nèi)分泌腺屬于構(gòu)成內(nèi)分泌系統(tǒng)的不同器官，該調(diào)節(jié)事例體現(xiàn)了系統(tǒng)水平上的信息傳遞。

1.3 個(gè)體水平上的信息傳遞 機(jī)體對(duì)寒冷刺激所做出的一系列的生理反應(yīng)體現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)等通過電信號(hào)、激素和神經(jīng)遞質(zhì)等化學(xué)信號(hào)以及細(xì)胞的相互接觸傳遞信息的過程，體現(xiàn)了個(gè)體內(nèi)神經(jīng)、內(nèi)分泌等多系統(tǒng)之間通過信息傳遞的形式形成一個(gè)統(tǒng)一整體。

1.4 種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)水平的信息傳遞 在宏觀的自然環(huán)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(xué)信息、行為信息和營(yíng)養(yǎng)信息[2]。它們可以發(fā)生在種群水平上、群落水平上、生態(tài)系統(tǒng)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(shí)，被捕食的蚜蟲會(huì)立即釋放警報(bào)信息素(化學(xué)信息),于是周圍的蚜蟲紛紛跌落[2]；烏鴉發(fā)現(xiàn)貓頭鷹時(shí)會(huì)發(fā)出特殊的叫聲(物理信息)呼喚聚集同群其他個(gè)體對(duì)付捕食者。

1.4.2 群落水平的信息傳遞 例如，蝙蝠通過發(fā)出物理信息聲波對(duì)昆蟲 “回聲定位”進(jìn)行捕食；煙草植株受到蛾幼蟲攻擊后，能夠釋放一種化學(xué)信息素，白天可以吸引蛾幼蟲的天敵——捕食者，夜間又能夠驅(qū)除在葉片上產(chǎn)卵的雌蛾；植物以芳香氣味的化學(xué)信息吸引昆蟲來采食花粉、花蜜時(shí)幫助其傳粉授精；貓?jiān)谑艿焦返墓魰r(shí)，會(huì)通過聲音、體態(tài)等行為信息威嚇阻止狗的攻擊；食物和養(yǎng)分的供應(yīng)狀況也是一種信息，即營(yíng)養(yǎng)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(tài)系統(tǒng)水平上的信息傳遞 光照時(shí)間的長(zhǎng)短影響動(dòng)物、植物的繁殖，這是生態(tài)系統(tǒng)的無機(jī)環(huán)境中物理信息對(duì)群落中生物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)事例；腐爛的臭味所代表的無機(jī)環(huán)境中的化學(xué)信息會(huì)吸引蒼蠅等昆蟲前來取食和產(chǎn)卵。這些事例表明在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的群落中的生物與無機(jī)環(huán)境之間廣泛存在著信息的交流。

2生命系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)層次信息傳遞的聯(lián)系

生命系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層次，細(xì)胞是最基本的結(jié)構(gòu)層次。生物體具有對(duì)刺激做出規(guī)律性反應(yīng)的能力。細(xì)胞水平的信息傳遞是其他各生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的信息傳遞的基礎(chǔ)。

2.1 細(xì)胞膜具有信息傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 進(jìn)行細(xì)胞間的信息交流是細(xì)胞膜的重要功能之一。與此功能相適應(yīng)的是細(xì)胞膜上存在糖蛋白、糖脂等成分，這些成分是細(xì)胞間，或者細(xì)胞與其他大分子之間相互識(shí)別的“文字”或“語(yǔ)言”。諸如激素的受體、神經(jīng)遞質(zhì)的受體、抗原結(jié)合點(diǎn)以及其他有關(guān)細(xì)胞識(shí)別的位點(diǎn)，往往都在細(xì)胞膜上(或在胞漿內(nèi))，一般情況下細(xì)胞間信息交流是以細(xì)胞膜的特殊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。

2.2 細(xì)胞水平上的信息傳遞是立足點(diǎn) 多種多樣細(xì)胞水平上的信息傳遞，促進(jìn)了細(xì)胞的物質(zhì)代謝和能量代謝，使細(xì)胞的各種生命活動(dòng)得以協(xié)調(diào)順利地進(jìn)行。同時(shí)，建立在細(xì)胞層次上的其他結(jié)構(gòu)層次上的信息傳遞才有立足點(diǎn)。

從細(xì)胞、個(gè)體的結(jié)構(gòu)層次看，細(xì)胞增殖實(shí)現(xiàn)細(xì)胞數(shù)量的增多(或單細(xì)胞個(gè)體的增多)，物種繁衍實(shí)現(xiàn)個(gè)體增多。其生命活動(dòng)過程中通過DNA復(fù)制(細(xì)胞內(nèi)分子水平上的信息傳遞)才能進(jìn)行有絲分裂，產(chǎn)生遺傳信息完全相同的子細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞數(shù)量的增殖；通過DNA復(fù)制，減數(shù)分裂產(chǎn)生生殖細(xì)胞，精子、卵細(xì)胞是親子代遺傳信息傳遞的橋梁、紐帶。精卵結(jié)合形成受精卵發(fā)育成新個(gè)體，確保了生物的遺傳和變異。因此，細(xì)胞水平的信息傳遞是個(gè)體繁衍的基礎(chǔ)。

從多細(xì)胞生物個(gè)體內(nèi)不同結(jié)構(gòu)層次看，高等動(dòng)物的生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)分為體液調(diào)節(jié)、神經(jīng)調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)。高等動(dòng)物個(gè)體的各大系統(tǒng)的生命活動(dòng)都直接或間接的受神經(jīng)系統(tǒng)的支配，神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的基本方式是反射，反射的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是反射弧，而每個(gè)反射弧至少含有兩個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元之間的信息傳遞及神經(jīng)元與效應(yīng)器之間的信息傳遞都是通過突觸或類似突觸結(jié)構(gòu)完成，此過程是以細(xì)胞水平信息傳遞為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。而體液調(diào)節(jié)過程中，下丘腦通過分級(jí)調(diào)節(jié)和反饋調(diào)節(jié)支配性腺的活動(dòng)。此過程涉及組織、器官、系統(tǒng)水平，但是激素發(fā)揮作用時(shí)往往是通過作用細(xì)胞膜上特異受體，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酶的活性或基因表達(dá)等來實(shí)現(xiàn)的，體現(xiàn)了以細(xì)胞水平信息傳遞為基礎(chǔ)。免疫調(diào)節(jié)也不例外，特異性免疫涉及T細(xì)胞、B細(xì)胞、抗體等對(duì)抗原信息的識(shí)別，與細(xì)胞膜上的特異性受體有關(guān)，建立在細(xì)胞水平上。

從種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次看，動(dòng)物對(duì)來自種群內(nèi)(如性外激素)、群落內(nèi)(如蛇用舌尖識(shí)別獵物氣味)和無機(jī)環(huán)境的化學(xué)信息的刺激，是通過舌上的味蕾細(xì)胞、鼻黏膜上的嗅覺細(xì)胞等來識(shí)別傳遞的；動(dòng)物對(duì)于無機(jī)環(huán)境中的光信息，可以通過視網(wǎng)膜上的視神經(jīng)細(xì)胞，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行傳導(dǎo)的。這些事例都說明細(xì)胞水平上的信息傳遞是各結(jié)構(gòu)層次信息傳遞的立足點(diǎn)。