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(èrshí)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（指骨组织在微重力条件下(xià)发生的骨量减少和骨密度降低等）及(jí)心肌重塑（指心脏在结构或功能上对环境变化(biànhuà)作出的适应性或病理性重构）是制约人类(rénlèi)开展(kāizhǎn)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(zuòwéi)与人类基因组相似度高达 70%~80% 的模式生物(shēngwù)，斑马鱼在此次的重要研究中扮演了关键角色。

此次(cǐcì)参与实验的(de)斑马鱼在小型受控实验单元内活动 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(chéngwéi)了科学探索的“代表”？为什么(wèishénme)它们能被选中？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(réntǐ)或复杂生态系统中开展(kāizhǎn)实验。为了揭示生物基本规律，探索(tànsuǒ)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(shēngwùtǐ)。这些被广泛应用于(yú)科学研究，能够为理解其他生物（尤其是人类）提供普遍性参考的生物体，就被称为模式生物。

常用的模式(móshì)生物 图片来源：作者使用AI生成

模式生物具有一系列理想(lǐxiǎng)特性：体积小(tǐjīxiǎo)、繁殖快、生命周期短、基因组清晰、易于开展遗传(yíchuán)相关的操作，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(zhèxiē)生物，科学家们可以在相对可控、可重复的条件下(xià)，深入分析基因功能、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(yǒu)哪些？

随着(suízhe)生命科学研究的不断深入(bùduànshēnrù)，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。以下是当前最常用的一些(yīxiē)模式生物：

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

小鼠（Mus musculus）：与人类基因(jīyīn)组高度相似，且易于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(yánjiū)，是哺乳动物(bǔrǔdòngwù)中最重要的模式动物之一。

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

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

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

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

水稻(shuǐdào)（Oryza sativa）：全球重要的粮食作物，同时也是植物功能基因组研究的重要模型，为(wèi)作物改良(gǎiliáng)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(yíchuán)特性和大型基因组(jīyīnzǔ)，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(shēngwù)，科学家们可以在实验室条件下模拟和探索人类及其他物种(wùzhǒng)的生命现象，从而加速理论发现与技术创新。

这些(zhèxiē)生物为什么被选为模式生物？

在多样的生物(shēngwù)中，被选为模式生物的仅是(shì)极少数。它们之所以脱颖而出，既源于自然特性，也得益于(déyìyú)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(yǎngzhí)条件简单、成本低廉，便于在实验室大规模饲养(sìyǎng)与观察。例如，果蝇和线虫(xiànchóng)可以在极短时间内繁殖大量个体，显著提高实验效率。

快速的(de)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(yǔ)表型变化(biànhuà)。这为研究遗传学规律、突变效应及发育过程提供了极大(jídà)的便利。例如，斑马鱼从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(móshì)生物(shēngwù)的基因组通常较小，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(zhīyī)，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的(de)操作

模式生物通常具备(jùbèi)高度成熟的遗传学工具，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(duì)特定(tèdìng)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。

与人类具有生物学(shēngwùxué)相似性

尽管物种不同，但模式生物的许多基本(jīběn)生物学过程和人类都(dōu)显著相近。例如，线虫体内(tǐnèi)的细胞凋亡机制与人类高度相似，小鼠(xiǎoshǔ)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(móshì)生物之所以在科学史(kēxuéshǐ)上占据重要地位，源于它们曾经帮助人类揭示了生命的基本规律。以下是几种(jǐzhǒng)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，通过追踪果蝇眼睛颜色等可见性状的(de)遗传规律，首次证明了(le)基因是以线性方式排列(páiliè)在染色体上的。这一(zhèyī)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(zhōng)的典型模式生物，小鼠因其基因(jīyīn)组与人类高度相似，被(bèi)广泛用于疾病模型(móxíng)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(shǒucì)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 2002 年诺贝尔生理学或医学奖，也为后续(hòuxù)肿瘤、神经(shénjīng)退行性疾病等领域的研究提供了重要基础。

2002 年(nián)诺贝尔生理学(shēnglǐxué)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(tíchàng)多模式生物联用？

在早期生命科学研究(yánjiū)中，单一模式生物已能解答很多基础问题(wèntí)。然而，随着(suízhe)研究深入，科学家逐渐认识到，生命现象的复杂性远超预期，仅依赖一种模式生物往往难以全面揭示生物机制。因此(yīncǐ)，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(yōushì)，但(dàn)也不可避免地存在(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免疫系统；小鼠可用于肿瘤研究(yánjiū)，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、免疫调控、代谢疾病机制等，涉及多层次的生理与分子网络。通过在不同模式生物(shēngwù)中重复验证，可以排除(páichú)物种特异性(tèyìxìng)影响，增强研究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(guānchá)并得出结论，其生物学意义将更具普遍性。

在今天的(de)生命科学研究中，不同的模式生物不再是(shì)孤立应用，而是构成了互为补充、相互验证的研究体系。科学家们正通过(tōngguò)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(shēnkè)的答案。

从地面(dìmiàn)实验室到浩瀚(hàohàn)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(zìshēn)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(zhèng)因如此，科学家(kēxuéjiā)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(nántí)及生命奥秘。

作者丨(gǔn)Denovo团队