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(xiàn)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(xiàn)，外界環(huán)境雖然變化和波動很大，但哺乳動物的內(nèi)環(huán)境總能維持基本不變；1926年，坎農(nóng)(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(chǎn)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(nèi)的多個種群構成群落。當一個群落演替與當?shù)氐臍夂?、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?？梢姡谌郝渌?，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(shù)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(shù)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(jīng)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(lián)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(shù)量趨于平衡。而在種群內(nèi)，雄性與雌性個體的數(shù)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)、呼吸、循環(huán)、消化、泌尿、運動、生殖、內(nèi)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(nèi)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(chǎn)物(部分為廢棄物)之外，還在機體內(nèi)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(chǎn)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??；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(nèi)波動的變化實質是一種動態(tài)平衡的體現(xiàn)。

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(nèi)質網(wǎng)、高爾基體等。亞細胞水平的這些細胞器也處處體現(xiàn)著生命動態(tài)平衡的特征。糙面內(nèi)質網(wǎng)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(nèi)質網(wǎng)上的核糖體合成后，進入內(nèi)質網(wǎng)的內(nèi)部空腔，經(jīng)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(nèi)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?shù)郊毎?，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(nèi)吞”作用；內(nèi)質網(wǎng)同樣如此，內(nèi)質網(wǎng)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(xiàn)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(shù)量與其活性。對于酶分子數(shù)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(chǎn)酶蛋白的數(shù)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(xiàn)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(jīng)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?，使血糖濃度升高至正常水平；相反，當血糖含量偏高時，下丘腦另一相關區(qū)域通過神經(jīng)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(xiàn)出分子水平的動態(tài)平衡。在親代形成生殖細胞時，減數(shù)分裂使生殖細胞染色體數(shù)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(shù)目得到恢復。減數(shù)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(jīng)濟，信息傳遞最暢通。對于生物個體而言，體內(nèi)通過一套復雜的機制(例如，動物的神經(jīng)與內(nèi)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(shù)量的累積，平衡可能被不可逆破壞，機體將表現(xiàn)出不同程度的異常，最終生命出現(xiàn)疾病、衰老、死亡。