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

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（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(huò)功能上(shàng)对环境变化作出的适应性或病理性重构）是制约(zhìyuē)人类开展深空探索的重要医学问题之一。这(zhè)六条斑马鱼将帮助科学家研究(yánjiū)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(guānjiàn)角色。

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

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

在生命科学研究中，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(tànsuǒ)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。这些被广泛应用于科学研究，能够为理解其他(qítā)生物（尤其是人类）提供普遍性参考(cānkǎo)的生物体，就被称为(chēngwéi)模式生物。

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：体积小、繁殖快、生命(shēngmìng)周期短、基因组清晰、易于开展遗传相关的(de)(de)操作，且生物学特性与研究(yánjiū)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、疾病成因等生命科学关键问题。

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(shēngwù)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(zuòyòng)。以下是当前最(zuì)常用的一些模式生物：

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

小鼠(xiǎoshǔ)（Mus musculus）：与人类基因组高度相似，且易于(yìyú)进行基因敲除和转基因操作。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(dòngwù)中最重要的模式动物之一。

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

斑马鱼（Danio rerio）：胚胎发育过程透明可见，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(lǐngyù)也(yě)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(xìbāozhōuqī)、基因表达调控及基础代谢机制的(de)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、基因组小且已完成测序，是(shì)植物生物学、基因调控与环境响应研究(yánjiū)的首选(shǒuxuǎn)模式植物。

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

玉米(yùmǐ)（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。

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

这些生物为什么被选为模式(móshì)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(yě)得益于长期科学实践的筛选(shāixuǎn)与积累。总结来看，模式生物通常具备(jùbèi)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(zài)实验室大规模饲养与观察。例如，果蝇和线虫可以在极短时间(duǎnshíjiān)内繁殖大量(dàliàng)个体，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(dào)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(tūbiàn)效应及发育过程提供了极大的便利。例如，斑马鱼(bānmǎyú)从受精到形态发育完成(wánchéng)仅需数天，成为理想的发育生物学模型。

模式(móshì)生物的基因组通常较小(xiǎo)，且大多已经被完整测序。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(shēnshàng)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(yíchuán)相关的操作

模式生物通常(tōngcháng)具备高度成熟的(de)遗传学工具，例如小鼠的基因(jīyīn)敲除技术(jìshù)、斑马鱼的 CRISPR-Cas9 基因编辑系统。通过对特定基因的操控，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(yǔ)人类具有生物学相似性

尽管物种不同，但模式生物的(de)许多基本生物学过程和人类都显著相近。例如，线虫体内的细胞凋亡机制(jīzhì)与人类高度相似，小鼠的免疫系统也能在一定程度(chéngdù)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(qiáoliáng)。

模式(móshì)生物(shēngwù)之所以在科学史上占据重要地位，源于它们曾经帮助人类揭示(jiēshì)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(guǒyíng)开展遗传学研究，通过追踪果蝇眼睛颜色等可见性状(xìngzhuàng)的遗传规律(guīlǜ)，首次(shǒucì)证明了基因是以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。

作为哺乳动物中的典型模式生物，小鼠(xiǎoshǔ)因其基因组与人类高度相似(xiāngsì)，被广泛用于疾病模型建立。特别是在癌症和免疫疾病研究领域，通过基因敲除(qiāochú)小鼠模型，科学家发现了如 p53 肿瘤抑制(yìzhì)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(xiànchóng)以其细胞数量固定、体透明等特性，成为发育生物学的重要模型。悉尼·布伦纳(bùlúnnà)（Sydney Brenner）、约翰(yuēhàn)·苏尔斯顿(dùn)（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(chéngguǒ)不仅获得 2002 年诺贝尔生理学或医学奖，也为后续肿瘤、神经退行性疾病等领域的研究提供(tígōng)了重要基础。

2002 年(nián)诺贝尔(nuòbèiěr)生理学或医学奖获得者 图片来源：Nobelprize.org

为什么越来越多(duō)科学家

提倡多模式(móshì)生物联用？

在早期生命科学(shēngmìngkēxué)研究中，单一模式(móshì)生物已能解答很多基础问题。然而，随着研究深入，科学家逐渐认识到，生命现象的复杂性远超预期，仅依赖一种(yīzhǒng)模式生物往往(wǎngwǎng)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(dàn)也不可(kě)避免地存在(cúnzài)各自的局限。例如，果蝇适合遗传筛选，却难以模拟哺乳动物(bǔrǔdòngwù)免疫系统；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，单一物种很难覆盖所有研究需求。

许多(xǔduō)生命现象，如神经系统发育(fāyù)、免疫调控、代谢疾病机制等，涉及(shèjí)多层次的生理与分子网络。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(jiélùn)的广泛(guǎngfàn)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(jīntiān)的生命科学研究中，不同(bùtóng)的模式生物不再是孤立应用，而是(érshì)构成了互为补充(hùwéibǔchōng)、相互验证的研究体系。科学家们正通过这种“多模式联用”的策略，力求在纷繁复杂的生命谜题中，找到更加准确而深刻的答案。

从地面实验室到(dào)浩瀚太空，模式生物一直是人类探索生命奥秘的重要桥梁。它们以自身的特性，推动着遗传学、发育生物学(shēngwùxué)、神经科学、医学与农业(nóngyè)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(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，联用多种模型，力求通过对不同模式生物的研究(yánjiū)尽可能还原生命的全貌，并在此基础(cǐjīchǔ)上，破解更多科学难题(nántí)及生命奥秘。

作者(zuòzhě)丨Denovo团队