生态系统中的化学信息及其传递

1、生态系统中的化学信息及其传递生态系统中的化学信息及其传递电子信息工程121班 信 息 工 程 学 院 赵 宇 聪 生态系统的信息传递是生态系统的基本功能之一。在生态系统中物质循环是生态系统的基础，能量流动是生态系统的动力,信息传递则决定着能量流动和物质循环的方向和状态。在生态系统中,种群和种群之间、种群内部个体和个体之间,甚至生物和环境之间都有信息传递。信息(information)一词起源于通讯工程科学。1984年,美国数学家香农(C E Shannon)最早从通讯角度把信息定义为，两次不确定性之差 ,即不确定性的减少的量 。在日常生活中,信息通常是指包含在情报、消息、信号、指令、数据、图像

2、等传播形式中的新的知识内容。对生态系统中的信息,到目前为止还没有一个统一的定义。有学者认为,生态系统中的信息是指生态系统中物质和能量在时空上分布的不均匀性。还有学者认为,生态系统中的信息是实现世界物质客体间相互联系的形式。信息的传递(informationtransfer)包括信息的发送处理、传输处理和接收处理等过程。生态系统信息传递过程一般包括6个基本环节(如下图)。 (1)信源:即信息源(source),是信息的产生者。 (2)发送器官:发送器官(sender)要把传递的消息变换成适合于信道上传输的信号。一般要经过编码器的编码。 (3)信道:信道(channel)是连接发送端与接收端的信息

3、媒介,是信息的传输者。发送器官发送的信号通过信道从一个有机体传递到另一个有机体;从这一种群传递到另一个种群;从一个群落进入另一个群落。空气、水域、土壤、食物等是生态系统中典型的信道。 (4)接收器官:接收器官(receiver)执行与发送器官相反的功能,把通过信道后的信号接收,并进行解码,变换成为能够被接收者理解的消息。 (5)信宿:信宿(recipicentofinformation)是信息的接收者,是信息传递的目的地。信息传递的目的就是要使接收端获得一个与发送端相同的复现消息,包括全部内容和特征。然而,在实际中不可避免地会受到噪声(noise)干扰,从而使接收信息和发送信息之间总是存在差别

4、。噪声是生态系统中所有信息传递中的限制因素。 生态系统的各个层次都有生物代谢产生的化学物质参与信息传递,这种传递信息的化学物质通称为化学信息。如酶、维生素、生长素、抗生素、性外激素,甚至尿和粪便等都属于传递信息的化学物质。化学信息深深地影响着生物种间和种内的关系。有的相互制约,有的相互促进,有的相互吸引,有的相互排斥。化学信息在生态系统中广泛存在,对它的研究近几年发展迅速,并逐步形成一个分支学科-化学生态学。动物和植物间的化学信息植物的气味是由化合物构成的。不同的动物对气味有不同的反应，蜜蜂取食和传粉，除与植物花的香味、花粉和蜜的营养价值紧密相关外，还与许多花蕊中含有昆虫的性信息素成分有关。植

5、物的香精油成分就类似于昆虫的信息素。可见植物吸引昆虫的化学性质，正是昆虫应用的化学信号。事实上，除一些昆虫外，差不多所有哺乳动物，可能还有鸟类和爬行类，都能鉴别滋味和识别气味植物给人们的印象似乎只能呆在那里等待被动物吃掉,然而,事实并非如此,如植物的苦味是一个重要的化学信息,对许多植食动物来说,可以起到拒食作用,不过这种苦味对有些植食动物来说可能又是引诱的信号。转基因抗虫棉有可专门破坏棉铃虫消化道的Bt杀虫蛋白基因经过改造，转到了棉花中，使棉花细胞中存在这种杀虫蛋白质，专门破坏棉铃虫等鳞翅目害虫的消化系统，导致其死亡。 捕蝇草具有捕食昆虫的习性，一般这类植物称之为“食肉植物”或是“食虫植物”。

6、捕蝇草的捕食器官就是其叶子的部份。这类食肉植物大多是生长在养份比较贫瘠的湿地，为了补充不足的养份，尤其是氮与磷酸，所以借由特殊演化而来的构造，捕食昆虫消化其养份。 食虫植物的习性大致上分为以下四步骤：引诱昆虫捕捉昆虫利用消化液来分解与吸收利用吸收到的养份来维持生长。不过并不是所有的食肉植物都是经过如此完整的过程，例如有些同类型的植物并不分泌出消化液，而是借由各种微生物来分解后吸取养份的。捕蝇草的叶缘部份含有蜜腺，会分泌出蜜汁来引诱昆虫靠近。当昆虫进入叶面部份时，碰触到属于感应器官的感觉毛两次，两瓣的叶就会很迅速的合起来。生长于叶缘上的刺毛是属于多细胞突出物，没有弯曲的功能。当叶子很快速的闭合将

7、昆虫夹住时，刺毛就会紧紧相扣的交互咬合，其目的就是防止昆虫脱逃。 动物通过外分泌腺体向体外分泌某些信息素，它携带着特定的信息，通过气流或水流的运载，被种内的其他个体嗅到或接触到，接受者能立即产生某些行为反应，或活化了特殊的受体，产生某种生理改变。动物可利用信息素作为种间、个体间的识别信号，还可用信息素刺激性成熟和调节生殖率。哺乳动物释放信息素的方式，除由体表释放到周围环境为受纳动物接受外，还可将信息素寄存到一些物体或生活的基质中，建立气味标记点，然后再释放到 空气中被其他个体接纳。如猎豹和猫科动物有着高度特化的尿标志的结构，它们总是仔细观察前兽留下来的痕迹，并由此传达时间信息，避免与栖居同一地

8、区的对手相互遭遇。 雌蚕蛾释放的性外激素,可以把3km以外的雄蛾吸引过来。虽然每只雌蛾所释放的性外激素的数量不到0.01mg,但雄蛾仍然能够作出反应。小蠹甲在发现榆、松等寄生植物后,会释放聚集化学信息,以召唤同类来共同取食。棉蚜虫受到七星瓢虫攻击时,被捕食的蚜虫会立即释放告警外激素,通知同类个体逃避,于是周围的蚜虫纷纷跌落。蚂蚁群体中的侦察蚁分泌的追踪外激素能引导同类觅食、去搬运食物等。在生态系统中,生产者之间同样发生着复杂的信息联系。为人们熟知的是植物的他感作用。他感作用是指植物在物质代谢过程中产生的化学物质,对其他植物的生长发育产生某种影响的相互作用。植物的他感作用有的是互利的。在植物群落

9、中，一种植物通过某些化学物质的分泌和排泄而影响另一种植物的生长甚至生存的现象是很普遍的。一些植物通过挥发、淋溶、根系分泌或残株腐烂等途径，把次生代谢物释放到环境中，促进或抑制其他植物的生长或萌发，影响竞争能力，从而对群落的种类结构和空间结构产生影响。人们早就注意到，有些植物分泌化学亲和物质，使其在一起相互促进，如作物中的洋葱与食用甜菜、马铃薯和菜豆、小麦和豌豆种在一起能相互促进；有些植物分泌植物毒素或防御素使其对邻近植物产生毒害，或抵御邻近植物的侵害农民在种植庄稼时发现:作物中的洋葱和甜菜、马铃薯和菜豆、小麦和豌豆混种或间种能够相互促进,比单独种植产量高。有的是相互拮抗、相互排斥的,这种现象常称为异