生態(tài)系統(tǒng)中的化學(xué)信息及其傳遞

1、生態(tài)系統(tǒng)中的化學(xué)信息及其傳遞生態(tài)系統(tǒng)中的化學(xué)信息及其傳遞電子信息工程121班 信 息 工 程 學(xué) 院 趙 宇 聰 生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一。在生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力,信息傳遞則決定著能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的方向和狀態(tài)。在生態(tài)系統(tǒng)中,種群和種群之間、種群內(nèi)部個(gè)體和個(gè)體之間,甚至生物和環(huán)境之間都有信息傳遞。信息(information)一詞起源于通訊工程科學(xué)。1984年,美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)(C E Shannon)最早從通訊角度把信息定義為，兩次不確定性之差 ,即不確定性的減少的量 。在日常生活中,信息通常是指包含在情報(bào)、消息、信號(hào)、指令、數(shù)據(jù)、圖像

2、等傳播形式中的新的知識(shí)內(nèi)容。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的信息,到目前為止還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。有學(xué)者認(rèn)為,生態(tài)系統(tǒng)中的信息是指生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量在時(shí)空上分布的不均勻性。還有學(xué)者認(rèn)為,生態(tài)系統(tǒng)中的信息是實(shí)現(xiàn)世界物質(zhì)客體間相互聯(lián)系的形式。信息的傳遞(informationtransfer)包括信息的發(fā)送處理、傳輸處理和接收處理等過程。生態(tài)系統(tǒng)信息傳遞過程一般包括6個(gè)基本環(huán)節(jié)(如下圖)。 (1)信源:即信息源(source),是信息的產(chǎn)生者。 (2)發(fā)送器官:發(fā)送器官(sender)要把傳遞的消息變換成適合于信道上傳輸?shù)男盘?hào)。一般要經(jīng)過編碼器的編碼。 (3)信道:信道(channel)是連接發(fā)送端與接收端的信息

3、媒介,是信息的傳輸者。發(fā)送器官發(fā)送的信號(hào)通過信道從一個(gè)有機(jī)體傳遞到另一個(gè)有機(jī)體;從這一種群傳遞到另一個(gè)種群;從一個(gè)群落進(jìn)入另一個(gè)群落?？諝?、水域、土壤、食物等是生態(tài)系統(tǒng)中典型的信道。 (4)接收器官:接收器官(receiver)執(zhí)行與發(fā)送器官相反的功能,把通過信道后的信號(hào)接收,并進(jìn)行解碼,變換成為能夠被接收者理解的消息。 (5)信宿:信宿(recipicentofinformation)是信息的接收者,是信息傳遞的目的地。信息傳遞的目的就是要使接收端獲得一個(gè)與發(fā)送端相同的復(fù)現(xiàn)消息,包括全部內(nèi)容和特征。然而,在實(shí)際中不可避免地會(huì)受到噪聲(noise)干擾,從而使接收信息和發(fā)送信息之間總是存在差別

4、。噪聲是生態(tài)系統(tǒng)中所有信息傳遞中的限制因素。 生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)層次都有生物代謝產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)參與信息傳遞,這種傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)通稱為化學(xué)信息。如酶、維生素、生長素、抗生素、性外激素,甚至尿和糞便等都屬于傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)。化學(xué)信息深深地影響著生物種間和種內(nèi)的關(guān)系。有的相互制約,有的相互促進(jìn),有的相互吸引,有的相互排斥?；瘜W(xué)信息在生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在,對(duì)它的研究近幾年發(fā)展迅速,并逐步形成一個(gè)分支學(xué)科-化學(xué)生態(tài)學(xué)。動(dòng)物和植物間的化學(xué)信息植物的氣味是由化合物構(gòu)成的。不同的動(dòng)物對(duì)氣味有不同的反應(yīng)，蜜蜂取食和傳粉，除與植物花的香味、花粉和蜜的營養(yǎng)價(jià)值緊密相關(guān)外，還與許多花蕊中含有昆蟲的性信息素成分有關(guān)。植

5、物的香精油成分就類似于昆蟲的信息素?？梢娭参镂ハx的化學(xué)性質(zhì)，正是昆蟲應(yīng)用的化學(xué)信號(hào)。事實(shí)上，除一些昆蟲外，差不多所有哺乳動(dòng)物，可能還有鳥類和爬行類，都能鑒別滋味和識(shí)別氣味植物給人們的印象似乎只能呆在那里等待被動(dòng)物吃掉,然而,事實(shí)并非如此,如植物的苦味是一個(gè)重要的化學(xué)信息,對(duì)許多植食動(dòng)物來說,可以起到拒食作用,不過這種苦味對(duì)有些植食動(dòng)物來說可能又是引誘的信號(hào)。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉有可專門破壞棉鈴蟲消化道的Bt殺蟲蛋白基因經(jīng)過改造，轉(zhuǎn)到了棉花中，使棉花細(xì)胞中存在這種殺蟲蛋白質(zhì)，專門破壞棉鈴蟲等鱗翅目害蟲的消化系統(tǒng)，導(dǎo)致其死亡。 捕蠅草具有捕食昆蟲的習(xí)性，一般這類植物稱之為“食肉植物”或是“食蟲植物”。

6、捕蠅草的捕食器官就是其葉子的部份。這類食肉植物大多是生長在養(yǎng)份比較貧瘠的濕地，為了補(bǔ)充不足的養(yǎng)份，尤其是氮與磷酸，所以借由特殊演化而來的構(gòu)造，捕食昆蟲消化其養(yǎng)份。 食蟲植物的習(xí)性大致上分為以下四步驟：引誘昆蟲捕捉昆蟲利用消化液來分解與吸收利用吸收到的養(yǎng)份來維持生長。不過并不是所有的食肉植物都是經(jīng)過如此完整的過程，例如有些同類型的植物并不分泌出消化液，而是借由各種微生物來分解后吸取養(yǎng)份的。捕蠅草的葉緣部份含有蜜腺，會(huì)分泌出蜜汁來引誘昆蟲靠近。當(dāng)昆蟲進(jìn)入葉面部份時(shí)，碰觸到屬于感應(yīng)器官的感覺毛兩次，兩瓣的葉就會(huì)很迅速的合起來。生長于葉緣上的刺毛是屬于多細(xì)胞突出物，沒有彎曲的功能。當(dāng)葉子很快速的閉合將

7、昆蟲夾住時(shí)，刺毛就會(huì)緊緊相扣的交互咬合，其目的就是防止昆蟲脫逃。 動(dòng)物通過外分泌腺體向體外分泌某些信息素，它攜帶著特定的信息，通過氣流或水流的運(yùn)載，被種內(nèi)的其他個(gè)體嗅到或接觸到，接受者能立即產(chǎn)生某些行為反應(yīng)，或活化了特殊的受體，產(chǎn)生某種生理改變。動(dòng)物可利用信息素作為種間、個(gè)體間的識(shí)別信號(hào)，還可用信息素刺激性成熟和調(diào)節(jié)生殖率。哺乳動(dòng)物釋放信息素的方式，除由體表釋放到周圍環(huán)境為受納動(dòng)物接受外，還可將信息素寄存到一些物體或生活的基質(zhì)中，建立氣味標(biāo)記點(diǎn)，然后再釋放到 空氣中被其他個(gè)體接納。如獵豹和貓科動(dòng)物有著高度特化的尿標(biāo)志的結(jié)構(gòu)，它們總是仔細(xì)觀察前獸留下來的痕跡，并由此傳達(dá)時(shí)間信息，避免與棲居同一地

8、區(qū)的對(duì)手相互遭遇。 雌蠶蛾釋放的性外激素,可以把3km以外的雄蛾吸引過來。雖然每只雌蛾所釋放的性外激素的數(shù)量不到0.01mg,但雄蛾仍然能夠作出反應(yīng)。小蠹甲在發(fā)現(xiàn)榆、松等寄生植物后,會(huì)釋放聚集化學(xué)信息,以召喚同類來共同取食。棉蚜蟲受到七星瓢蟲攻擊時(shí),被捕食的蚜蟲會(huì)立即釋放告警外激素,通知同類個(gè)體逃避,于是周圍的蚜蟲紛紛跌落。螞蟻群體中的偵察蟻分泌的追蹤外激素能引導(dǎo)同類覓食、去搬運(yùn)食物等。在生態(tài)系統(tǒng)中,生產(chǎn)者之間同樣發(fā)生著復(fù)雜的信息聯(lián)系。為人們熟知的是植物的他感作用。他感作用是指植物在物質(zhì)代謝過程中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì),對(duì)其他植物的生長發(fā)育產(chǎn)生某種影響的相互作用。植物的他感作用有的是互利的。在植物群落

9、中，一種植物通過某些化學(xué)物質(zhì)的分泌和排泄而影響另一種植物的生長甚至生存的現(xiàn)象是很普遍的。一些植物通過揮發(fā)、淋溶、根系分泌或殘株腐爛等途徑，把次生代謝物釋放到環(huán)境中，促進(jìn)或抑制其他植物的生長或萌發(fā)，影響競爭能力，從而對(duì)群落的種類結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。人們?cè)缇妥⒁獾?，有些植物分泌化學(xué)親和物質(zhì)，使其在一起相互促進(jìn)，如作物中的洋蔥與食用甜菜、馬鈴薯和菜豆、小麥和豌豆種在一起能相互促進(jìn)；有些植物分泌植物毒素或防御素使其對(duì)鄰近植物產(chǎn)生毒害，或抵御鄰近植物的侵害農(nóng)民在種植莊稼時(shí)發(fā)現(xiàn):作物中的洋蔥和甜菜、馬鈴薯和菜豆、小麥和豌豆混種或間種能夠相互促進(jìn),比單獨(dú)種植產(chǎn)量高。有的是相互拮抗、相互排斥的,這種現(xiàn)象常稱為異