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”?
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”?
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

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

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