又有小动物搭上载人飞船去太空了！为什么模式生物能成为“探索代表”？

今年 4 月，搭载(dāzài)六条斑马鱼的神舟二十号进入太空(tàikōng)，抵达中国空间站，相关科学实验正式启动。

空间失重给宇航员的心血管系统、骨骼系统带来多种潜在风险，失重性骨丢失(diūshī)（指骨组织在微重力条件下发生的骨量减少和骨密度降低等）及心肌(xīnjī)重塑（指心脏在结构或功能上对环境变化作出的适应性或病理性重构）是制约人类开展深空探索的重要医学(yīxué)问题之一。这(zhè)六条斑马鱼将(jiāng)帮助科学家研究失重环境下的骨丢失和心肌重塑机制。作为与人类基因组(jīyīnzǔ)相似度高达 70%~80% 的模式生物，斑马鱼在此次的重要研究中扮演了(le)关键角色。

此次参与实验的(de)斑马鱼在小型受控实验单元内活动 图片(túpiàn)来源：华南理工大学

那么，除了斑马鱼，还有哪些生物也成为(chéngwéi)了科学探索的“代表”？为什么它们能被选中？又(yòu)带来了哪些重要发现呢？

在生命科学研究中，科学家(kēxuéjiā)们往往无法(wúfǎ)直接在人体或复杂生态系统中开展实验。为了揭示生物基本规律，探索生命现象的(de)本质，就需要选择一些代表性强、实验操作简便的生物体。这些被(bèi)广泛应用于科学研究，能够为理解其他生物（尤其是人类）提供普遍性(pǔbiànxìng)参考的生物体，就被称为模式生物。

常用的模式生物 图片来源：作者使用AI生成(shēngchéng)

模式(móshì)生物具有一系列理想特性：体积小、繁殖快、生命周期短、基因组清晰、易于开展遗传相关的(de)操作，且生物学特性与研究对象具有一定程度的相似性。通过研究这些生物，科学家们可(kě)以在相对可控、可重复的条件下，深入分析基因功能(jīyīngōngnéng)、发育机制、疾病成因(chéngyīn)等生命科学关键问题。

常用的模式生物(shēngwù)有哪些？

随着生命科学(shēngmìngkēxué)研究的(de)不断深入，不同领域的科学家根据(gēnjù)各自研究目标，逐步建立起了一套多样化的模式生物体系。这些生物在遗传学、发育生物学、神经科学(shénjīngkēxué)等领域发挥了不可替代的作用。以下是当前最常用的一些模式生物：

果蝇(guǒyíng)（Drosophila melanogaster）：体型小、繁殖快、遗传背景清晰，是研究遗传规律(guīlǜ)和发育过程(guòchéng)的经典模型。科学家摩尔根正是利用果蝇，首次证实了基因位于染色体上。

小鼠（Mus musculus）：与人类基因组高度相似，且易于进行(jìnxíng)基因敲除(qiāochú)和转基因操作。广泛应用于肿瘤学、免疫学、神经科学及代谢疾病研究(yánjiū)，是哺乳动物中最重要的模式动物之一。

线虫（Caenorhabditis elegans）：体透明、细胞数目固定(gùdìng)，适合追踪(zhuīzōng)细胞发育和死亡过程。通过对线虫的研究，科学家(kēxuéjiā)揭示出程序性(chéngxùxìng)细胞死亡（Apoptosis）的分子机制。

斑马鱼（Danio rerio）：胚胎发育过程(guòchéng)透明可见(kějiàn)，且繁殖量大，适用于(yú)研究器官发育、心血管疾病及药物筛选，近年来在空间生物学领域也得到广泛应用。

酵母（Saccharomyces cerevisiae）：单细胞真核生物，生命周期短，是研究细胞周期、基因表达调控及(jí)基础代谢机制(jīzhì)的关键模型(móxíng)。相关研究多次获得诺贝尔奖。

拟南芥(nǐnánjiè)（Arabidopsis thaliana）：体型小(xiǎo)、生命周期短、基因组小且已完成测序，是植物生物学、基因调控(tiáokòng)与环境响应研究的首选模式植物。

水稻（Oryza sativa）：全球重要的粮食作物，同时也是植物功能(gōngnéng)基因组研究的重要模型，为作物改良与农业(nóngyè)生物(shēngwù)技术发展提供了丰富的研究资源。

玉米（Zea mays）：具有复杂的遗传特性(tèxìng)和大型基因(jīyīn)组，常用于研究遗传变异、基因互作及作物育种机制。

通过这些模式生物，科学家们可以在实验室条件下模拟和探索人类及其他(tā)物种的生命现象，从而加速理论(lǐlùn)发现与技术创新。

这些(zhèxiē)生物为什么被选为模式生物？

在多样的(de)生物中，被选为模式(móshì)生物的仅是极少数。它们之所以脱颖而出，既源于自然(zìrán)特性，也得益于长期科学实践的筛选与积累。总结来看，模式生物通常具备以下几个核心优势：

模式生物普遍体型小巧、养殖条件简单、成本低廉，便于在实验室大规模饲养与(yǔ)观察。例如，果蝇和线虫可以在极短时间内繁殖(fánzhí)大量(dàliàng)个体，显著提高实验效率。

快速的(de)生命周期(shēngmìngzhōuqī)意味着可以在短时间内观察到多个世代的遗传变异与表型变化。这为研究遗传学规律、突变效应及发育过程提供了(le)极大的便利。例如，斑马鱼从受精到形态(xíngtài)发育完成仅需数天，成为理想的发育生物学模型。

模式生物的基因组(jīyīnzǔ)通常较小(xiǎo)，且大多已(yǐ)经被完整测序。比如，拟南芥是最早完成基因组测序的植物之一，小鼠也已被发现与人类(rénlèi)基因组具有高度同源性。这使得研究者能够在相应的模式生物身上精确定位基因功能，开展基因编辑和系统生物学分析。

易于进行与遗传相关(xiāngguān)的操作

模式生物通常具备高度成熟的遗传学工具(gōngjù)，例如小鼠的基因敲除技术、斑马鱼的 CRISPR-Cas9 基因编辑(biānjí)系统。通过对特定基因的操控(cāokòng)，科学家可以模拟疾病、筛选药物靶点，甚至探索基因调控(tiáokòng)网络的奥秘。

与人类具有(jùyǒu)生物学相似性

尽管物种不同，但模式生物的许多基本生物学过程和人类(rénlèi)都显著相近。例如，线虫体内的细胞(xìbāo)凋亡机制与人类高度(gāodù)相似，小鼠的免疫系统也能在一定程度上模拟人类的免疫反应。这种生物学相似性使得模式生物成为理解复杂生命现象、探索(tànsuǒ)疾病机理的重要桥梁。

模式生物之所以在科学史(kēxuéshǐ)上占据(zhànjù)重要地位，源于它们曾经帮助人类(rénlèi)揭示了生命的基本规律。以下是几种具有代表性的基于模式生物的重要科学发现。

20 世纪初，托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）利用果蝇开展遗传学研究，通过(tōngguò)追踪果蝇眼睛(yǎnjīng)颜色等可见性状的遗传规律，首次证明了基因是以(yǐ)线性方式排列在染色体上的。这一发现奠定了现代遗传学的基础，他也因此(yīncǐ)获得 1933 年诺贝尔生理学或医学奖(yīxuéjiǎng)。

作为哺乳动物(bǔrǔdòngwù)中的典型模式生物(shēngwù)，小鼠因其基因组与人类高度相似，被广泛用于(yòngyú)疾病模型建立。特别是在癌症和免疫疾病研究领域，通过基因敲除小鼠模型，科学家发现(fāxiàn)了如 p53 肿瘤抑制基因等关键分子，大幅推动了肿瘤发生机制和治疗策略的理解与发展。

线虫以其细胞数量固定、体透明等(děng)特性，成为发育生物学的(de)重要模型。悉尼(xīní)·布伦纳（Sydney Brenner）、约翰·苏(sū)尔斯顿（John Sulston）和罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）通过(tōngguò)研究线虫，首次揭示了程序性细胞死亡（Apoptosis）的分子机制。这一成果不仅获得 2002 年诺贝尔生理学或医学奖，也为后续肿瘤、神经退行性(tuìxíngxìng)疾病(jíbìng)等领域的研究提供了重要基础。

2002 年诺贝尔生理学或医学奖(yīxuéjiǎng)获得者 图片(túpiàn)来源：Nobelprize.org

为什么越来越(yuèláiyuè)多科学家

提倡多模式生物联用(liányòng)？

在早期生命科学研究(yánjiū)中，单一模式生物(shēngwù)已能解答很多基础问题。然而，随着研究深入，科学家逐渐认识到，生命现象的复杂性(fùzáxìng)远超(yuǎnchāo)预期，仅依赖一种模式生物往往难以全面揭示生物机制。因此，多模式生物联用，正成为现代生物医学和生命科学研究的重要趋势。

不同模式生物虽然各具优势，但也不可避免地(dì)存在各自的(de)局限。例如，果蝇适合遗传筛选，却难以模拟哺乳动物免疫系统；小鼠可用于肿瘤研究，但在部分神经发育(fāyù)过程(guòchéng)上与人类存在差异。因此，单一物种很难覆盖所有研究需求。

许多生命现象，如神经系统发育、免疫调控、代谢疾病(jíbìng)机制等，涉及多层次的(de)生理(shēnglǐ)与(yǔ)分子网络。通过在不同模式生物中重复验证，可以排除物种特异性影响，增强研究结论的广泛适用性(shìyòngxìng)和可信度。例如，某基因突变导致的细胞凋亡现象，若能对线虫、小鼠和斑马鱼都进行观察并得出结论，其生物学意义将更具普遍性。

在今天的生命科学研究中，不同的模式(móshì)生物不再是(shì)孤立应用，而是构成了互为补充、相互验证的研究体系。科学家们正(zhèng)通过这种“多模式联用”的策略，力求在纷繁复杂的生命谜题中，找到(zhǎodào)更加准确而深刻的答案。

从地面(dìmiàn)实验室到浩瀚太空，模式生物一直是(shì)人类探索生命奥秘的重要桥梁。它们以自身的特性(tèxìng)，推动着遗传学、发育生物学、神经科学、医学与农业等领域的飞速发展。

然而(ránér)，生命的复杂性远超任何单一物种所(suǒ)能承载的范围。正因如此，科学家们正不断丰富模式生物的体系(tǐxì)，联用多种模型，力求通过对不同模式生物的研究尽可能还原生命的全貌(quánmào)，并在此基础上，破解更多科学难题及生命奥秘。

作者丨(gǔn)Denovo团队