中学生物学信息观：本质内涵及认知路径

 

周哲　冯春艳
华南师范大学生命科学学院

摘要：生命信息观是生命观念的重要组成部分，有助于从信息的视角理解生命的本质。通过对生命信息观内涵的解析，基于“香农-韦弗”信息通信模式，构建出信息观的四阶段认知路径：识别信息本质类属—剖析信息传递过程—洞察信息整体交互—哲思信息深层价值。

生命观念是生物学首要的学科核心素养，能帮助学生理解生物学现象，指导学生探究生命活动规律，解决实际问题。除《普通高中生物学课程标准(2017年版2025年修订)》提到的结构与功能观、物质与能量观、进化与适应观、稳态与平衡观外，生命观念还包括生态观、系统观和信息观。培养生命信息观，不仅有助于学生理解各个生命系统结构层次中信息传递和交流的过程，还能帮助学生从信息传递的角度解释生物学现象，进而解决问题、指导实践。解析信息观的认知路径，可为在生物学教学中培养学生的信息观提供理论依据。

1 生命信息观：生命是特殊的信息系统

在生命科学领域，学界对信息观本质内涵的理论阐释主要基于广义和狭义两种视角展开。广义视角的信息观以生命科学哲学为基础，把生命看作是生命信息，认为生命是一种运动的组织形式,强调信息对生命系统中物质和能量的组织调控作用,是基于对生命的信息属性，如生命系统中信息的类型、调节过程、作用效果的认识和抽象而形成的思想、观点与方法。狭义视角的信息观侧重描述信息在生命系统中的传递和交流，即信息分子从产生部位经传输路径到达作用部位，经过生命系统的识别、接收和处理后，引起靶位点的生理变化，进而产生生物学效应的过程。综上，本文认为生命信息观将生命视为一种特殊的信息，这种信息能遵循生命规律对物质变化和能量流动等生命运动进行有序的组织和调控，是基于对信息本体和价值的认识以及对信息传递过程的理解抽象形成的，能够解释生物学现象、指导生活实践的思想意识和观念方法。

2 生命信息观的认知路径：基于“香农-韦弗”信息通信模式的视角

“香农-韦弗”信息通信模式由香农(Claude Elwood Shannon)与韦弗(Warren Weaver)合作提出,包括信源(信息产生)、编码(信息编码)、信道(信息传输)、解码(信息解码)、信宿(信息接收)、噪声(信息干扰)六个要素，呈现了环环相扣的信息传递机制(图1)。从生物学角度来看，该模式中的“信源”指能够产生信息的部位，“编码”指将信息转换为可传输信号的过程，“信道”指信息传输的路径，“解码”指对接收到的信号进行逆转换、还原其信息意义的过程，“信宿”指接收已解码的信息并产生最终生物学效应的部位，“噪声”指信息传递过程中受到的干扰。

图1 “香农-韦弗”信息通信模式

生命信息观高度抽象，涉及的生物学知识范围广泛，需经历从局部到整体、从现象到本质的递进过程才能形成。基于“香农-韦弗”信息通信模式，结合生物学的学科逻辑和学生的认知规律，可将生命信息观的认知路径划分为四个阶段：①识别信息本质类属是认知起点，奠定后续阶段的概念基础；②剖析信息传递过程是核心环节，建立信息传递的基本机制；③洞察信息整体交互是思维跃迁，实现对信息网络的系统整合；④哲思信息深层价值是进阶外化，达成从认知到应用的有效转化(图2)。

图2 生命信息观的认知路径

2.1 识别信息本质类属：认知起点

“香农-韦弗”信息通信模式中的“信源”是信息传递的起点，理解“信源”的前提是厘清信息的本质，即解决“信息是什么”的问题。信息既非物质也非能量，具有其自身的独立性意义，但信息又具有一定的依附性，其产生、加工、传递、复制和储存以物质为载体，并消耗能量。

学生在理解信息本质的基础上，需进一步辨析信息的类属。信息的产生、加工、传递在从细胞到个体再到生态系统等多个生命系统层次中均有体现。根据信息所处的生命系统层次及功能特点，生物学中的信息可分为生命信息和非生命信息，其中生命信息包括遗传信息、生理信息和意识信息(表1)。遗传信息是最根本的生命信息,是内隐的蓝图，它以DNA等遗传物质为载体，规定了生物体物质和能量的组织形式，但这种组织形式是潜在的；生理信息是遗传信息进一步外化形成的指令，使原先潜在的组织形式得以充分表现，如激素携带的调节信息、抗体携带的免疫信息等；意识信息是高等生物对信息的加工产物，是人或动物通过不同的感觉受体获取的、经由大脑处理形成的感知、记忆或心理活动，能被用来指导行为。非生命信息是环境中本就存在的、并非由生物体产生的信息，如光、重力等环境信号承载的非生命信息参与植物生长发育的调节。

类属	生命系统层次	信息载体示例
遗传信息	细胞	DNA、 RNA
生理信息	细胞	信号肽、激素、细胞因子
	个体	激素、神经递质、抗体、细胞因子
	群体(种群、群落、生态系统)	声、光、电、磁等承载物理信息，信息素等承载化学信息，蜜蜂圆圈舞、孔雀开屏等承载行为信息
意识信息	个体	感知、记忆、心理活动

在理解信息本质、辨析信息类属的基础上，学生可进一步辨认能够产生信息的不同“信源”,分析“信源”将信息转换为可传输信号的过程，即“编码”。例如在细胞水平上，胰岛B细胞作为信源，在感受到血糖升高的刺激后产生胰岛素，将降低血糖的信息转换为胰岛素承载的化学信号传输出去；在个体水平上，神经元作为信源，接收传来的神经冲动后，将传递兴奋的信息转换为所释放的神经递质携带的化学信号。这些信源大多是通过在胞内合成相应的信息分子，并以胞吐的途径释放到胞外的方式(编码)将信息转换为可传输信号的。

在这一阶段中，学生理解信息的本质，厘清信息和载体的对应关系，避免将信息分子等同于信息本身，或仅将信息分子视为化学物质而忽略其承载信息的功能。同时，学生通过辨析信息的类属，为识别“信源”、分析“编码”提供判断依据。信息生成是信息传输的前提，因此，识别信息本质类属是信息观形成的认知起点，为理解信息的传递和交流提供概念锚点。

2.2 剖析信息传递过程：核心环节

生命系统中的信息由信源编码后，需沿着特定的传输路径即“信道”到达靶位。在区分遗传信息、生理信息等信息类属的基础上，方可理解不同类属的信息分子所对应的不同传输路径。例如，真核细胞内的基因可通过mRNA(信道)将核苷酸序列承载的遗传信息转化为氨基酸序列承载的生理信息。从细胞间的信息交流来看，在细胞分泌的化学物质介导的信息传递中，信道是体液；在细胞直接接触的信息传递中，信道是靶细胞膜上的糖蛋白受体；在高等植物细胞之间的信息传递中，信道是胞间连丝。

信息的传输依赖特定的“信道”,而信息的“解码”是信息发挥作用的关键。信息分子经信道传输到达靶位后，会被效应细胞、效应器官、靶标个体等“信宿”识别接收，在这个过程中，信息分子承载的信号经历逆转换，其信息意义得以还原。例如，植物细胞(信宿)上的生长素受体识别、结合生长素这一信息分子后，可将其携带的化学信号转到胞内，引发细胞内的信号转导，进而还原该信号调节细胞生命活动和个体生长发育的信息意义。此处的受体识别结合、胞内信号转导即为解码的过程。信宿也可以是信源自身。在细胞免疫中，T细胞既是信源也是信宿，其分泌的细胞因子与自身受体结合后可增强杀伤力。已解码的信息被信宿接收后将引发特定的生物学效应，如神经递质被下一个神经元或肌肉、腺体等效应细胞上的受体接收，其携带的化学信号经历被转换为突触后膜电位变化的解码过程后，将引起该神经元的兴奋或抑制，或肌肉细胞的收缩、腺体细胞的分泌等生物学效应。

在这一阶段中，学生通过分析生命系统各个层次中信息传递的具体案例，理解信息组织物质和能量的方式，领悟信息的功能：信息通过信道传输到达信宿，由信宿进行解码，进而实现对生命活动的调控。同时，学生根据信息从生成到发挥作用的机制，基于具象的生理变化理解抽象的调控过程。因此，剖析信息传递过程是信息观形成的核心环节和逻辑中枢，为后续认识复杂的信息交流网络搭建线性框架。

2.3 洞察信息整体交互：思维跃迁

学生在掌握信息传递基本机制的基础上，认知需从线性过程扩展到系统交互。反馈回路本质是信息传递的自我修正方式，需以第二阶段中的生物学效应分析为认知前提。生物体必须通过信息的交换和反馈不断进行调控，以适应外部环境的压力^[8]。在生物学中，反馈指系统工作的效果反过来作为信息调节该系统的工作，并使系统工作的效果受到抑制或增强的现象。若系统的工作效果受到抑制，即为负反馈，它使系统维持稳态，如甲状腺激素分泌中的反馈调节。若系统的工作效果得到增强则是正反馈，它放大系统的作用效果，如排尿反射、凝血过程。

信息传递有时会受到超过自身调节能力的干扰，即“噪声”,它的实质是对“编码”“信道”或“解码”等要素的阻碍，对其进行分析依赖于对信息传递基本机制的理解。例如，Ⅰ型糖尿病患者体内的免疫细胞错将胰岛B细胞识别为类似病毒、细菌的外来入侵者，并对其进行攻击，导致胰岛B细胞的功能受损。在这个过程中，免疫细胞的攻击作为“噪声”,干扰了胰岛B细胞接收“高血糖水平”刺激并合成分泌胰岛素的信息编码过程，最终造成胰岛素的产生减少甚至完全停止。

生命系统中的信息传递和交流具有多方向和跨层级的特点，这要求学生将不同层次中线性的信息传递整合为连贯的交互网络。第一，信息的传递方向复杂，既有向上，也有向下，还有横向迁移。激素所携带的调节信息的传递方向既有纵向也有横向，如动物体内的激素可以通过“下丘脑—垂体—靶腺体”轴实现自上而下的纵向调控，植物体内的激素则可以通过胞间连丝实现横向信息交流。神经信息的传递既有上行也有下行，例如，感觉信息从感受神经元上行传递至大脑皮层，运动信息则由大脑皮层下行传递至运动神经元。遗传信息的传递同样存在横向迁移，如逆转录病毒将自身的RNA逆转录为DNA并整合进宿主基因组。第二，信息不仅可以在单个生命系统层次内部传递，还可以在不同层次之间交流。例如，植物细胞的光受体接收光信号后会引起细胞内的信号转导，进而影响特定基因的表达，使得生长素分布不均，最终表现出向光性，这体现了从细胞层次到个体层次的信息传递和交流。此外，动物体内的神经系统、内分泌系统、免疫系统通过各种信息传递过程紧密联系、相互协调，构成了“神经—体液—免疫”调节交互网络，以维持机体内环境的稳态，体现了信息可以在系统之间传递和交流的特点。

在这一阶段中，学生通过分析信息传递过程中的反馈回路和干扰因素，理解生命系统中的信息可通过正负反馈调节实现对生命活动的精细调控，并能结合“噪声”解释不良反应或疾病的发生原因。同时从整体的、系统的视角洞悉生命系统中信息的传递和交流，认识到生命系统是通过信息的反馈调节、抗扰机制及多向交互实现有序运行的，进而建立“生命是复杂而有序的信息系统”的观念。因此，洞察信息整体交互是信息观从线性思维向系统思维形成的关键跃迁。

2.4 哲思信息深层价值：进阶外化

基于前三个阶段中对信息本质类属的认识、对信息传递过程和整体交互的理解，学生可进一步理解信息与物质和能量的关系，认识生命的本质。在生命体中，物质是本源的存在，能量是运动的存在，信息是联系的存在；物质与能量相伴而生，信息以物质和能量为媒介，穿越时间和空间进行传递^[9]。生命系统无时无刻不与环境进行着物质、能量和信息的交换，生命系统自身也不断进行着物质、能量和信息的处理，以维持自身的生存、发展与稳态。物质、能量和信息三者相互依存、缺一不可。

从现实意义看，信息观的形成最终需要学生运用观念指导知情决策。基于对信息传递的认知，学生应能从信息传递的角度认识滥用激素药物、兴奋剂和吸食毒品等行为的危害，自觉践行健康的生活方式，并体会人与自然的密切关联，从信息的组织调控作用出发自觉减少环境污染，以维护信息的正常传送与交流。

在这一阶段中，学生通过思考、感悟信息的价值，从生命科学哲学的角度理解信息、物质和能量三者的关系，体会“生命的本质是信息的有序流动”，并运用信息观解释生命现象、解决实际问题、指导自身行为。因此，哲思信息的深层价值是学生从理解生物学转向用生物学理解世界的进阶，是信息观从建立到应用的升华。

来源：周哲,冯春艳.中学生物学信息观：本质内涵及认知路径[J].生物学教学,2026,51(9):88-91.