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(jìnrù)太空，抵达中国空间站，相关科学实验正式(zhèngshì)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发生的骨量减少(liàngjiǎnshǎo)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(liùtiáo)斑马鱼将帮助(bāngzhù)科学家研究(yánjiū)(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(dùgāodá) 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(de)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，还有哪些生物也成为了科学探索的“代表”？为什么它们(tāmen)能被选中？又带来了哪些重要(zhòngyào)发现呢？

在生命科学研究中(zhōng)，科学家们往往无法直接在人体或复杂生态系统(shēngtàixìtǒng)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）提供普遍性参考的生物体，就被称为(chēngwéi)模式生物。

常用的模式生物 图片来源：作者(zuòzhě)使用AI生成

模式生物具有一系列理想特性：体积小、繁殖快(kuài)、生命周期短、基因组清晰、易于开展遗传相关的操作，且生物学特性与研究对象具有一定程度的相似性。通过(tōngguò)研究这些生物，科学家(kēxuéjiā)们可以在相对(xiāngduì)可控、可重复的条件(tiáojiàn)下，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。

常用的模式生物有哪些(něixiē)？

随着生命科学研究的不断深入，不同领域(lǐngyù)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(fāyù)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(jīyīn)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(shénjīngkēxué)及代谢(dàixiè)疾病研究，是哺乳动物中最重要的模式(móshì)动物之一。

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

斑马鱼（Danio rerio）：胚胎发育过程透明(tòumíng)可见，且繁殖量大，适用于研究器官(qìguān)发育、心血管(xīnxuèguǎn)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(zhēnhé)生物，生命周期短，是(shì)研究细胞周期、基因表达调控(tiáokòng)及基础代谢机制的关键模型。相关研究多次获得诺贝尔奖。

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

水稻（Oryza sativa）：全球(quánqiú)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，为作物改良与农业生物(shēngwù)技术发展提供了丰富的研究资源。

玉米（Zea mays）：具有(jùyǒu)复杂的遗传特性(tèxìng)和大型基因组，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(shēngmìngxiànxiàng)，从而加速理论发现与技术创新。

这些生物(shēngwù)为什么被选为模式生物？

在(zài)多样(duōyàng)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(yuányú)自然特性，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(tiáojiàn)简单(jiǎndān)、成本低廉，便于在实验室大规模饲养与观察。例如(lìrú)，果蝇和线虫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(yíchuánbiànyì)与(yǔ)表型变化。这为研究遗传学规律(guīlǜ)、突变效应及发育过程提供了极大的便利。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(móxíng)。

模式生物的基因组通常较小，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，小鼠也已被发现(fāxiàn)与(yǔ)人类基因组具有高度同源性。这使得(shǐde)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(kāizhǎn)基因编辑和系统生物学分析。

易于进行与遗传相关的操作(cāozuò)

模式生物通常(tōngcháng)具备高度(gāodù)成熟的(de)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(shènzhì)探索基因调控网络的奥秘。

与人类(rénlèi)具有生物学相似性

尽管物种不同，但模式生物的许多(xǔduō)基本生物学过程和人类(rénlèi)都显著相近。例如，线虫(xiànchóng)体内的细胞凋亡机制与人类高度相似，小鼠的免疫系统也能(néng)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。

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

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

作为哺乳动物中的(de)(de)典型模式生物，小鼠因其(qí)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(zhǒngliú)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(xìbāo)数量固定(gùdìng)、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·苏尔斯顿（John Sulston）和罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）通过研究(yánjiū)线虫，首次(shǒucì)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(zhǒngliú)、神经退行性疾病等领域(lǐngyù)的研究提供了重要基础。

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

为什么(wèishénme)越来越多科学家

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)模式生物往往难以全面揭示生物机制。因此(yīncǐ)，多模式生物联用(liányòng)，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(cúnzài)各自的局限(júxiàn)。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(hěnnán)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，可以排除物种特异性影响，增强研究结论的广泛适用性和(hé)可信度。例如，某基因突变导致的细胞(xìbāo)凋亡(diāowáng)现象，若能对线虫、小鼠和斑马鱼(bānmǎyú)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(zhōng)，不同的模式生物不再是孤立应用，而(ér)是构成了互为补充、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(zhǎodào)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(àomì)的重要桥梁。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(nóngyè)等领域的飞速发展。

然而，生命(shēngmìng)的复杂性远超任何单一物种所能承载的范围。正因如此，科学家们正不断丰富(bùduànfēngfù)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，并在此基础(cǐjīchǔ)上，破解更多科学难题及(jí)生命奥秘。

作者丨Denovo团队(tuánduì)