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(jīnnián) 4 月，搭载六条斑马鱼的神舟二十号进入太空，抵达中国空间站，相关(xiāngguān)科学实验正式启动。

空间失重给宇航员的心血管系统(xìtǒng)、骨骼系统带来多种潜在(qiánzài)风险，失重性骨(xìnggǔ)丢失(diūshī)（指骨组织在微重力条件下发生(fāshēng)的骨量减少和骨密度降低(jiàngdī)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问题之一。这六条斑马鱼将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关键角色。

此次参与实验的斑马鱼在小型受控(shòukòng)实验单元(dānyuán)内活动 图片来源：华南理工大学

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

在(zài)生命科学研究中，科学家们往往无法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。这些被广泛应用(guǎngfànyìngyòng)于(yú)科学研究，能够为理解其他生物（尤其是人类）提供(tígōng)普遍性参考的生物体，就被称为模式(móshì)生物。

常用的模式生物(shēngwù) 图片来源：作者使用AI生成

模式生物具有一系列理想特性(tèxìng)：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(duìxiàng)具有一定程度的相似性。通过研究这些生物，科学家们可以在相对可控、可重复的条件下，深入分析基因功能、发育机制、疾病成因等(děng)生命科学(shēngmìngkēxué)关键问题。

常用的模式生物有哪些(něixiē)？

随着生命科学研究的(de)不断深入，不同领域(lǐngyù)的科学家根据各自研究目标，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、神经科学等领域发挥了不可替代的作用。以下是当前最(zuì)常用的一些(yīxiē)模式生物：

果蝇（Drosophila melanogaster）：体型小、繁殖快、遗传背景清晰，是研究遗传规律和发育(fāyù)过程的经典模型(móxíng)。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(shàng)。

小鼠（Mus musculus）：与人类基因组高度相似，且易于进行基因敲除(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，是哺乳动物中最重要的模式(móshì)动物之一(zhīyī)。

线虫（Caenorhabditis elegans）：体透明(tòumíng)、细胞(xìbāo)(xìbāo)数目固定，适合追踪细胞发育和死亡过程。通过对线虫的研究，科学家揭示(jiēshì)出程序性细胞死亡（Apoptosis）的分子机制。

斑马鱼(bānmǎyú)（Danio rerio）：胚胎发育(fāyù)过程透明可见，且繁殖量大(dà)，适用于研究器官发育、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(zhōuqīduǎn)，是研究(yánjiū)细胞周期、基因表达调控及基础代谢机制的关键模型。相关研究多次获得(huòdé)诺贝尔奖。

拟南芥（Arabidopsis thaliana）：体型小、生命周期短、基因组(jīyīnzǔ)小且已完成(wánchéng)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(zhòngyào)的粮食作物，同时也是(shì)植物功能基因组研究的重要模型(móxíng)，为作物改良与农业生物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和大型基因组，常用于研究(yánjiū)遗传变异、基因互作及作物育种机制(jīzhì)。

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

这些生物为什么(wèishénme)被选为模式生物？

在多样的生物中，被选为模式生物的仅是极少数。它们之所以脱颖而出，既源于自然特性，也得益于长期(chángqī)科学实践的筛选与积累(jīlěi)。总结来看，模式生物通常具备以下(yǐxià)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(sìyǎng)与观察(guānchá)。例如，果蝇和线虫可以在极短时间内繁殖大量个体(gètǐ)，显著提高实验效率。

快速的生命周期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(jí)发育(fāyù)过程提供了极大的便利(biànlì)。例如，斑马鱼从(cóng)受精到形态发育完成仅需数天，成为理想的发育生物学模型。

模式生物的基因组(jīyīnzǔ)通常较(jiào)小，且大多已经被(bèi)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(biānjí)和系统生物学分析。

易于进行与遗传相关的(de)操作

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

与人类(rénlèi)具有生物学相似性

尽管物种(wùzhǒng)不同，但模式生物的许多基本生物学过程和人类都显著相近。例如(lìrú)，线虫(xiànchóng)体内的细胞凋亡机制与(yǔ)人类高度相似，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、探索疾病机理的重要桥梁。

模式生物之所以(zhīsuǒyǐ)在科学史上(shàng)占据重要地位，源于它们曾经帮助人类揭示了(le)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(tuōmǎsī)·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）利用果蝇开展遗传学研究，通过追踪果蝇眼睛(yǎnjīng)颜色等可见(kějiàn)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，他也因此获得(huòdé) 1933 年诺贝尔生理学或医学奖。

作为哺乳动物中的典型模式生物，小鼠因其基因组与人类高度相似，被广泛用于疾病模型建立。特别是在癌症和(hé)免疫(miǎnyì)疾病研究领域，通过基因敲除(qiāochú)小鼠模型，科学家发现了如 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(cèlüè)的理解与发展。

线虫以其细胞数量固定、体透明等特性，成为(wèi)发育生物学的重要模型。悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）、约翰·苏尔斯(ěrsī)顿（John Sulston）和罗伯特(luóbótè)·霍维茨（Robert Horvitz）通过研究线虫，首次揭示了(le)程序性细胞死亡（Apoptosis）的分子机制。这一成果不仅获得(huòdé) 2002 年诺贝尔生理学(shēnglǐxué)或医学奖，也为后续肿瘤、神经退行性疾病等领域的研究提供了重要基础(jīchǔ)。

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

为什么(wèishénme)越来越多科学家

提倡(tíchàng)多模式生物联用？

在早期生命科学研究中，单一模式生物已能解答很多基础问题。然而，随着研究深入，科学家逐渐(zhújiàn)认识到，生命现象(shēngmìngxiànxiàng)的复杂性远超预期，仅依赖一种模式生物往往难以(nányǐ)全面(quánmiàn)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，但也不可避免地存在(zài)各自的局限。例如，果蝇适合遗传筛选，却难以(nányǐ)模拟哺乳动物免疫系统(miǎnyìxìtǒng)；小鼠可用于肿瘤研究，但在部分神经发育过程上与人类存在差异。因此(yīncǐ)，单一物种很难覆盖所有研究需求。

许多生命现象(shēngmìngxiànxiàng)，如神经系统发育、免疫调控、代谢疾病(jíbìng)机制等，涉及多层次的生理与(yǔ)分子网络。通过在不同模式生物中重复验证，可以排除(páichú)物种特异性影响，增强研究(yánjiū)结论的广泛适用性和可信度。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(yánjiū)中，不同的模式生物不再是孤立应用(yìngyòng)，而是构成了互为补充、相互验证(yànzhèng)的研究体系。科学家们正通过这种“多模式联用”的策略，力求在纷繁复杂(fēnfánfùzá)的生命谜题中，找到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(de)重要桥梁。它们以自身的特性，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，生命的复杂性远超任何单一物种所能承载的范围。正因如此(zhèngyīnrúcǐ)，科学家们正不断丰富模式(móshì)生物的体系，联用多种模型，力求通过对(duì)不同模式生物的研究尽可能还原生命的全貌，并在(zài)此基础上，破解更多科学难题及生命奥秘。

作者(zuòzhě)丨Denovo团队