生命如何保持動態(tài)平衡

閆榮玲

(湖南科技學院化學與生物工程學院 永州 425199)

生命是由具備各種特定功能的不同部分組成的，不斷進行著物質和能量代謝，且能對外界刺激做出反應和繁殖后代的開放系統(tǒng)[1]。生命表現出多重特征，除了“生殖與遺傳”“新陳代謝”以及“應激性”之外，還包括“特定組構”“生長與發(fā)育”“進化和適應”“維持穩(wěn)態(tài)”等。

貝爾納(C.Bernard)100多年前就發(fā)現，外界環(huán)境雖然變化和波動很大，但哺乳動物的內環(huán)境總能維持基本不變；1926年，坎農(W.B.Cannon)把這一概念加以發(fā)展命名為穩(wěn)態(tài)，并指出穩(wěn)態(tài)不是恒定的，而是一種動態(tài)的平衡[2]。隨著研究的拓展和深入，人們不斷意識到，整個生命的世界，包括所有生命個體、個體組構的不同水平，以及由生命個體組成的種群、群落，甚至整個生態(tài)系統(tǒng)，若無劇烈和極端干擾因素下，均保持著動態(tài)的平衡(穩(wěn)定)。本文從生命的不同水平的視角，以實例來闡明生命的這一基本特征。

1 生態(tài)系統(tǒng)水平的動態(tài)平衡

生物群落與無機環(huán)境相互作用的自然系統(tǒng)叫做生態(tài)系統(tǒng)，其不僅包括生命的成分也包括非生命成分。前者如生態(tài)鏈中的生產者、消費者和分解者；后者如非生物的物質和能量。當一個成熟的生態(tài)系統(tǒng)形成后，它的不同組成成分之間能夠保持一種穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)中的能量流動和物質循環(huán)能夠保持動態(tài)的平衡，這種動態(tài)平衡叫做“生態(tài)平衡”。例如，化石的燃燒使局部大氣二氧化碳濃度增加，但通過綠色植物等的光合吸收，濃度又會降到初始水平而重新達到平衡[3]。由于只有植物和部分低等微生物具有這一功能，可見植物在生態(tài)系統(tǒng)中角色的重要性。

2 群落與種群水平的動態(tài)平衡

在一定的時間和空間內的多個種群構成群落。當一個群落演替與當地的氣候、土壤條件處于平衡狀態(tài)時，演替就不再進行了。在這個平衡點上，群落的結構最復雜、最穩(wěn)定，若無外界干擾，它將始終保持這種“平衡狀態(tài)”。這樣的群落叫做頂極群落。可見，在群落水平，生命也是朝向動態(tài)平衡狀態(tài)進行演變并最終維持這一狀態(tài)的。

生命世界是由不同物種共同構成的，不同物種在進化地位、形態(tài)結構、種群數量、營養(yǎng)與繁殖方式上差異顯著，但有一點是各物種的共性，那就是均形成種群。在正常條件下，某一物種種群數量(規(guī)模)會處于平衡狀態(tài)。即使由于自然災害或者人類活動的影響，這種平衡遭到了破壞，但只要破壞不是毀滅性的，則經過一定的時間后又可以恢復穩(wěn)定。因為每個物種通過捕食與被捕食的營養(yǎng)聯系形成食物鏈，食物鏈的相互依賴與相互制約使生活在一定自然區(qū)域的各種生物種群的數量趨于平衡。而在種群內，雄性與雌性個體的數量比例維持在1∶1附近，即性別平衡。這種平衡的建立主要是由兩個因素決定的，一是在形成雄配子時，性染色體在子代生殖細胞中的分配及形成的兩類雄配子數量是平均的；二是帶有不同性染色體的雄配子與雌配子結合的幾率是相等的。

3 個體水平的動態(tài)平衡

生命的每個個體時刻與其所處環(huán)境進行著物質與能量的交換。以人體為例，在物質方面，每天要吸入氧氣，呼出二氧化碳；要攝入營養(yǎng)物質，排泄代謝產物。在能量方面，每天的運動以及眾多生理活動會消耗大量能量，但同時機體不斷對攝入的營養(yǎng)物質進行分解產能，并且消耗和生成的能量總量之間大致相等。

對于高等動物來說，每個個體均包括神經、呼吸、循環(huán)、消化、泌尿、運動、生殖、內分泌等多個系統(tǒng)，這些不同的系統(tǒng)也均處于自身動態(tài)平衡中。例如，泌尿系統(tǒng)調節(jié)著身體內水和無機鹽的動態(tài)平衡，當身體缺水時，腎小管重吸收時就回收更多的水分，減少排尿量；相反，若身體水分過剩則回收較少的水分，增加排尿量。而循環(huán)系統(tǒng)除了為身體運送營養(yǎng)物質和代謝產物(部分為廢棄物)之外，還在機體內環(huán)境酸堿平衡調節(jié)中起到極為重要的作用，使其自身的pH維持在7.4左右。這是因為血液中存在著多組酸堿緩沖物質，其中碳酸/碳酸氫鹽最為重要，兩者以比較固定的比例(約1∶20)存在。當血液中的酸性物質增加(例如，運動后產生大量乳酸)，酸性物質就會和碳酸氫鈉發(fā)生反應，生成碳酸和對應的中性鹽，碳酸在肺部以二氧化碳形式呼出體外，含量減少，碳酸/碳酸氫鹽的比例得以恢復，血液的pH維持穩(wěn)定[4]。

4 細胞水平的動態(tài)平衡

所有生命均由細胞構成，單細胞生物僅一個細胞(因此單細胞生物的個體水平實質就是細胞水平)，多細胞生物所含有的細胞則從幾個到幾十億個不等。通常情況下，特定生物體的某種細胞的形態(tài)、體積一般維持不變。例如，人的成熟紅細胞為雙凹圓盤狀，直徑約7～8 μm。當然，細胞的形態(tài)與體積在特殊條件下也會發(fā)生改變。例如，當動物細胞處在高滲溶液中時，細胞會失水皺縮，體積減小；相反，當細胞處在低滲環(huán)境中時，細胞吸水體積增大[1](但超過一定極限，細胞則不可逆受損，會漲破死亡)；植物細胞在高滲溶液中會發(fā)生質壁分離，復入清水后又可以復原。這種在一定范圍內波動的變化實質是一種動態(tài)平衡的體現。

5 亞細胞水平的動態(tài)平衡

細胞器是懸浮在細胞質基質中的具有特定結構功能的微小構造，可以歸為亞細胞結構。細胞中主要的細胞器包括液泡、葉綠體、線粒體、核糖體、溶酶體、內質網、高爾基體等。亞細胞水平的這些細胞器也處處體現著生命動態(tài)平衡的特征。糙面內質網一端與細胞核的外層核膜相連；一端與高爾基體相連。細胞核中轉錄出的mRNA通過附著在內質網上的核糖體合成后，進入內質網的內部空腔，經過折疊、組裝、加糖基等修飾后，通過出芽為具膜小泡包裹蛋白質轉移到高爾基體腔內進一步加工，之后再以小泡包裹形式把蛋白質從高爾基體運輸到細胞膜，小泡與細胞膜融合，把蛋白質釋放到細胞外。在這一過程中，高爾基體既接受小泡的膜輸入，也有形成運輸小泡的膜減少，其膜面積變化不明顯；質膜除發(fā)生 “外吐”作用外，也在不斷發(fā)生著一些“內吞”作用；內質網同樣如此，內質網的出芽小泡看似膜面積有所減少，但也有一些膜結構向其轉移而導致面積增加。因此，一個細胞中這些細胞器的膜面積維持在一個穩(wěn)定的水平[5]。

6 分子水平的動態(tài)平衡

分子水平上生命處于動態(tài)平衡的表現更加多樣化。例如，細胞中幾乎所有的新陳代謝反應均在酶的催化下完成，反應的速度要適合細胞的生理需要。因此，這些反應的速度會受到細胞的調控，調節(jié)的一個重要方式就是改變反應所需酶的數量與其活性。對于酶分子數量的調節(jié)涉及多個方面，包括酶基因的表達水平(指基因轉錄與翻譯生產酶蛋白的數量)，以及細胞中此酶的降解速度等。而改變酶的活性主要是指一些酶蛋白會調動儲量(即細胞已合成，但暫時不表現出酶活性的酶分子前體)，人們把這種改變稱為酶原的激活；或者通過微調酶蛋白的空間構象以改變活性(這類酶稱為別構酶)[6]。

又如，人體血糖濃度的穩(wěn)定與動態(tài)調節(jié)是分子水平生命動態(tài)平衡的典型例證。當血糖含量偏低時，下丘腦的相關區(qū)域通過神經調節(jié)作用于胰島A細胞和腎上腺髓質，使其分泌胰高血糖素與腎上腺素，刺激肝臟加速糖原分解和其他非糖物質轉變?yōu)檠牵寡菨舛壬咧琳Ｋ剑幌喾矗斞呛科邥r，下丘腦另一相關區(qū)域通過神經調節(jié)刺激胰島B細胞分泌胰島素，促進肝臟與肌細胞合成肝糖原與肌糖原(減少血液中葡萄糖的含量)。同時，抑制非糖物質轉化為葡萄糖，使血糖含量降低[4]。

再如，生命的繁衍中也充分體現出分子水平的動態(tài)平衡。在親代形成生殖細胞時，減數分裂使生殖細胞染色體數目減半；待到雌雄生殖細胞兩者受精結合后，合子的染色體數目得到恢復。減數分裂與受精作用相輔相成，保障了染色體在生命繁衍過程中的穩(wěn)定性和連續(xù)性[1]。

7 小結

綜上所述，生命處于動態(tài)平衡的穩(wěn)態(tài)中這一特征，具有從微觀到宏觀的普遍性。處于平衡狀態(tài)的生命運行成本最經濟，信息傳遞最暢通。對于生物個體而言，體內通過一套復雜的機制(例如，動物的神經與內分泌調節(jié))時刻監(jiān)視、調整和維持著分子、亞細胞、細胞、系統(tǒng)以及個體水平的動態(tài)平衡。機體受到干擾可能會暫時脫離動態(tài)平衡，一般可以通過自身的調節(jié)恢復到之前的平衡狀態(tài)。但是，隨著平衡破壞程度增加和數量的累積，平衡可能被不可逆破壞，機體將表現出不同程度的異常，最終生命出現疾病、衰老、死亡。