高中生物學中的信息傳遞舉例

朱龍

摘要：生命系統通過物理、化學及生物信息的傳遞，維持了生物及其環境的穩態。本文從細胞內、細胞間、種群以及生態系統中非生命信息與生物群落之間的信息溝通，闡釋了信息傳遞的物質基礎、類型及意義。

關鍵詞：高中生物學 信息傳遞

中圖分類號：Q-49 文獻標識碼：E

信息傳遞可發生在同一細胞內、不同細胞以及不同的生物體之間。信息傳遞物有蛋白質、離子和激素等化學因子，也有聲波、光粒子等物理因子和生物因子。通過信息傳遞，催促生物體順利實現生命活動，使生命個體、群體及生命系統處于相對穩定的狀態。

1.細胞內的信息傳遞

1.1以分泌蛋白為遞質

動物細胞和植物細胞都具有分泌某些化學物質的能力。分泌出的化學物質有的是結構蛋白質，有的是功能蛋白質。屬于功能蛋白質的如細胞外酶、某些蛋白質類激素等；屬于結構蛋白質如生長因子、血清蛋白和細胞外基質蛋白等。

1975年，Blobel和Dobberstein根據對信號作用的研究，正式提出了信號假說，其要點是：①分泌蛋白的合成始于細胞質中的游離的核糖體；②合成的N端信號序列露出核糖體后，靠自由碰撞與內質網膜接觸，然后靠N端信號序列的疏水性插入內質網的膜；③蛋白質繼續合成，并以袢環形式穿過內質網的膜；④如果合成的是分泌蛋白，除了信號被信號肽酶切除外，全部進入內質網的腔；若是膜蛋白，則由一個或多個停止轉移信號將蛋白質錨定在內質網膜上。之后信號假說得到了許多實驗的支持。在核糖體上，以mRNA的遺傳密碼為直接模板，將一個個氨基酸裝配成為多肽鏈，多肽鏈再通過內質網的修飾和加工后進入高爾基體，在高爾基體內經進一步的加工和分裝，使之成為具有一定生命活力的蛋白質。這些分泌蛋白以具膜小泡的形式，向細胞膜逐漸推進，有的通過細胞膜的胞吐作用排出細胞外，在細胞外發揮作用。分泌蛋白的行走路線為：（核糖體）分泌蛋白→內質網→高爾基體→細胞膜→細胞外。

1.2以電子流為遞質

1.2.1葉綠體類囊體膜上的電子傳遞：光能→電能

在葉綠體的類囊體膜上進行著能量轉換。其大致過程是：葉綠體類囊體膜上有2類色素：一類是常態的葉綠素a、葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素；另一類是少數處于特殊狀態的葉綠素a，它既能吸收光能也能轉換光能。在光的照射下，具有吸收和傳遞光能的色素將吸收的光能傳遞給少數處于特殊狀態的葉綠素a，使這些葉綠素a被激發而失去電子。脫離葉綠素a的電子，經過一系列的傳遞，最后傳遞給一種帶正電荷的NADP+。失去電子的葉綠素a變成一種強氧化劑，從水中奪得電子，使水分子氧化成為O₂和H+，葉綠素a由于獲得電子而恢復了穩定。因此在光的照射下，少數處于特殊狀態的葉綠素a，連續不斷地丟失電子和獲得電子，這樣就形成了電子流，使得光能轉換成為電能。

1.2.2線粒體內膜上的電子傳遞

電子傳遞鏈存在于線粒體內膜中，由3種蛋白質復合體組成，每種復合體中又有一種以上的電子傳遞體。還原型輔酶NADH中的氫離子和電子被電子傳遞體所接受。電子傳遞體將電子進一步地傳遞到末端。高能電子經過一系列的電子傳遞體時，能量不斷地減少。這些減少的能量用于合成ATP。電子傳遞的最后一站是氫與氧結合形成水：2H⁺+2e+1/2O₂→H₂O。

1.2.3神經纖維上動作電位的傳遞

當神經纖維在未受到刺激時，細胞膜內外的電位表現為膜外正電位、膜內負電位。當神經纖維的某一部位受到刺激產生興奮時，興奮部位的膜就發生一次很快的電位變化，膜外由正電位變為負電位，膜內由負電位變為正電位。但相鄰的未興奮部位仍然是膜外正電位、膜內負電位。這樣在細胞膜外的興奮部位與鄰近的未興奮部位之間形成了電位差，也有了電荷的移動，就形成了局部電流。該電流在膜外由未興奮部位流向興奮部位，在膜內則由興奮部位流向未興奮部位，從而形成了局部電流回路。這種局部電流又刺激相鄰的未興奮部位發生上述同樣的電位變化，又產生了局部電流。如此依次進行下去，興奮不斷地向前傳導，已經興奮的部位又不斷地恢復到原先的電位。神經沖動就是以這樣的方式沿著神經纖維向前傳導，神經纖維膜內的電流走向決定了興奮傳導的方向。

2.細胞間的信息傳遞（細胞間通信）

2.1以蛋白質及氨基酸的衍生物為遞質：神經分泌細胞→靶細胞

較典型的實例是：下丘腦→垂體→甲狀腺→靶細胞軸系反饋性調節。

下丘腦的神經分泌細胞分泌的甲狀腺激素釋放激素，進入血液循環后，作用于腺垂體，促使腺垂體分泌促甲狀腺激素，促甲狀腺激素又通過血液的傳遞作用于甲狀腺，使甲狀腺合成并分泌甲狀腺素和三碘甲腺原氨酸。這些激素又通過血液的攜帶作用于靶細胞，以促使靶細胞內的物質氧化分解。當然這種信息傳遞鏈又表現為一定的可逆性。即當血液中的甲狀腺激素的含量增加到一定程度時，就會抑制下丘腦和垂體的活動，使促甲狀腺激素釋放激素和促甲狀腺激素的合成和分泌減少，從而使血液中甲狀腺激素的含量不致過多；當血液中甲狀腺激素的含量降低時，對下丘腦和垂體的抑制作用就減弱，使促甲狀腺激素釋放激素和促甲狀腺激素的合成和分泌增加，從而使血液中的甲狀腺激素不致過少（圖1）。

2.2以電信號和化學信號為遞質

神經細胞之間多數通過化學突觸聯系。從神經元傳來的神經沖動作用于突觸小體，促使突觸小泡釋放化學遞質，化學遞質作用于突觸前膜，之后利用突觸前膜的流動性而進入突觸間隙，通過突觸間隙作用于突觸后膜，造成突觸后膜產生動作電位，再將信息傳遞下去，使下一個神經元產生一定的反應。

3.種群間的信息傳遞

3.1以“直效型”信息激素為遞質

“直效型”外激素是指作用于接受者的中樞神經系統，對其行為立即產生影響作用的激素。目前發現的昆蟲激素有20余種，一般說來昆蟲激素只作用于特定的靶器官。按分泌器官的不同可將昆蟲激素分為外激素和內激素。昆蟲外激素又叫信息激素，種群中的個體之間是通過信息激素來通訊的，它能調節誘導同種個體的特殊行為。昆蟲的信息激素一般有：性外激素、追蹤激素、聚集激素和告警激素。性外激素的作用是引誘異性個體的交尾，如雌蛾的性外激素，在空氣流動時，可分布到幾百米甚至幾千米遠的空間。一只雌蛾平均含有0.1mg的性外激素，在1km外的雄蛾對稀釋10000個分子的性外激素就會引起反應，它們所嗅到的分子數只有幾百個甚至更少。性外激素的種類很多，但化學性質清楚的卻很少，如雌蠶蛾性外激素的化學本質是10，12-十六二烯-1-醇。

3.2以“引發型”外激素為遞質

所謂“引發型”外激素，是指可引發接受者在生理上產生較長時間的改變，進而改變動物對刺激所應具有的行為。例如，在蜜蜂的社會中，蜂皇上顎腺分泌一種叫做蜂王物質的外激素——反-9-氧-二-葵酸，這種物質可以引誘雄蜂與之交配。這種外激素的作用方式是“直效型”。但交配后蜂皇返回蜂巢，這種物質被某些雄蜂所沾染，在進食時又將該物質傳給其他工蜂。每只工蜂吞食一點蜂王物質后，工蜂卵巢的發育就受到了抑制，同時也不能在蜂巢中建筑能夠發育新蜂皇的王臺。這種方式就屬于“引發型”了。若蜂皇由巢中移去，蜂王物質消失，或蜂群擴大蜂王物質不夠分吃時，某些工蜂卵巢就發育起來，就有可能變成成熟的雌性——蜂皇。一旦工蜂開始擁立另外蜂皇時，就可能導致大戰，其結果是兩只蜂皇必有一死。但在大多數情況下，蜜蜂是分群生活，通常是老的蜂皇帶部分工蜂另起爐灶。因此，“引發型”外激素決定著昆蟲的社會地位和種群的密度。

3.3以“肢體語言”為遞質

蜜蜂的通訊可以依賴于聽覺、視覺、觸覺以及化學信號。這里僅以蜜蜂的“擺尾舞”為例，來說明蜜蜂通過肢體語言使其他同種個體產生反應的狀況。1944年，弗里奇做了一個實驗：將2個裝有糖水的碟子，一個放在距離蜂巢10m處，另一個放在距離蜂巢300m處，并且每一個碟子中都放有薰衣草油。然后他在距離蜂巢10m處碟子里喂了一只蜜蜂，不久就發現大量的蜜蜂在碟子里出現，而僅有少數的蜜蜂在遠處碟子里出現。當他重復這個實驗時，在距離300m處的碟子里喂了一只找食的蜜蜂，其他就會大量地出現在這個碟子的附近，而只有少數蜜蜂在距離較近的那個碟子周圍出現。道理很清楚，距離是以某一種方式被蜜蜂表達出來了。當弗里奇觀察從這兩只碟子附近返回找食蜜蜂時，立即看到它們的行為是完全不同的：從距離蜂巢10m處碟子飛回的蜜蜂跳的是圓形舞，而從300m處碟子返回的蜜蜂跳的是擺尾舞，也就是蜜蜂在直線上飛了一個短距離，同時迅速地搖動其腹部，然后行半個弧圈再走一段直線，腹部繼續擺動，最后在另一邊再走行半個弧圈，多次重復這種舞蹈。弗里奇發現，每分鐘跳舞的次數就是在告知其他蜜蜂食物來源的距離。如蜜源離巢335m時每分鐘就跳30次，如果超過670m僅跳22次。擺尾的快慢、擺動弧圈的大小都與蜜源距離有關。

3.4以染色體攜帶的遺傳物質為遞質

這是在親代與子代之間發生的遺傳信息傳遞。1944年由于艾弗里及其同事的工作，被爭論了幾十年的“遺傳物質是什么”這個難題終于有了答案，即遺傳物質是DNA。大量的事實表明，DNA分子中儲藏著大量遺傳信息。DNA的基本功能有2個：通過復制在生物的傳種接代過程中傳遞遺傳信息；使遺傳信息在后代的個體發育過程中，正確表達，即使遺傳信息反映到蛋白質的分子結構上，使子代與親代在性狀上表現相似。

4.生態系統中的物理信息傳遞

4.1以光粒子為遞質

在自然界中，植物的開花不僅需要一定的溫度等條件，還需要一定的光刺激。當日照時間達到一定長度時，植物才能夠開花。這是因為植物在光的刺激下，在植物體一定部位產生了光敏素，光敏素沿著一定的路徑到達植物體的特定部位，便促使植物開花。

4.2以聲波為遞質

有許多昆蟲可以利用聲音進行通訊。如雄蟋蟀利用它的翅膀及其特化的部位一起摩擦而發出響聲，這種聲音的頻率大約在8000周/秒。若翅膀每分鐘振動30次時，表明它在吸引異性，刺激它的繁殖行為。如果雄蟋蟀鳴叫，則表明它在警告其他的雄蟋蟀，要求它們迅速離開，如果其它雄蟋蟀不離開就會引發一場“戰爭”。蟋蟀的叫聲具有很強的種特異性，可以通過蟋蟀的叫聲來區別蟋蟀的類型。