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(bānmǎyú)的神舟二十号进入太空，抵达中国(zhōngguó)空间站，相关科学实验正式启动。

空间失重给宇航员的(de)心血管系统、骨骼系统带来多种潜在(zài)风险(fēngxiǎn)，失重性骨丢失(diūshī)（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(bānmǎyú)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(cǐcì)参与实验的斑马鱼(bānmǎyú)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(bānmǎyú)，还有哪些生物也成为了科学探索的“代表”？为什么它们能被选中？又带来了哪些重要发现呢(ne)？

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，探索生命现象的本质，就(jiù)需要选择一些代表性强、实验操作(cāozuò)简便的生物体。这些(zhèxiē)被(bèi)广泛应用于科学研究，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(jùyǒu)一系列理想特性：体积小(tǐjīxiǎo)、繁殖快、生命周期短、基因组清晰、易于开展遗传相关的(de)操作(cāozuò)，且生物学特性与研究对象具有一定程度的相似性。通过研究这些生物，科学家(kēxuéjiā)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、疾病成因等生命科学关键问题。

常用的模式生物有(yǒu)哪些？

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体系(tǐxì)。这些生物在遗传学、发育生物学(shēngwùxué)、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（Drosophila melanogaster）：体型小、繁殖快、遗传背景清晰，是研究遗传规律和(hé)发育过程(guòchéng)的经典模型。科学家摩尔根正是利用果蝇，首次(shǒucì)证实了基因位于染色体上。

小鼠（Mus musculus）：与人类基因组(jīyīnzǔ)高度相似，且易于进行基因敲除和转基因操作(cāozuò)。广泛应用于肿瘤学、免疫学、神经科学及(jí)代谢疾病研究，是哺乳动物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(zhuīzōng)细胞发育和死亡过程。通过对线虫的(de)研究(yánjiū)，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(fánzhí)量大，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(guǎngfànyìngyòng)。

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

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

水稻（Oryza sativa）：全球重要的粮食作物，同时也是植物功能基因组研究(jīyīnzǔyánjiū)的重要模型，为作物改良与农业(nóngyè)生物技术发展提供(tígōng)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，常用于研究遗传变异、基因互作及作物育种机制(jīzhì)。

通过(tōngguò)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物种的生命现象，从而加速理论发现与(yǔ)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(jùbèi)以下几个核心(héxīn)优势(yōushì)：

模式生物普遍体型小巧、养殖条件简单、成本低廉(dīlián)，便于在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内(nèi)繁殖大量个体(gètǐ)，显著提高实验效率。

快速的生命周期(shēngmìngzhōuqī)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(zhèwèi)研究遗传学规律、突变(tūbiàn)效应(xiàoyìng)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。

模式生物的(de)基因组(jīyīnzǔ)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，小鼠也已被发现与(yǔ)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操作(cāozuò)

模式生物通常具备高度成熟的遗传学工具，例如(lìrú)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(mónǐ)疾病、筛选药物(yàowù)靶点，甚至探索基因调控(tiáokòng)网络的奥秘。

与人类具有(jùyǒu)生物学相似性

尽管物种不同，但(dàn)模式生物的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(diāowáng)机制(jīzhì)与人类高度相似，小鼠的免疫系统也能在(zài)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(kēxuéshǐ)上占据(zhànjù)重要地位，源于它们曾经帮助人类(rénlèi)揭示了生命的基本规律。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的(de)(de)遗传规律，首次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，他也因此获得 1933 年(nián)诺贝尔生理学(shēnglǐxué)或医学奖。

作为(zuòwéi)哺乳动物中的典型模式生物，小鼠(xiǎoshǔ)因(yīn)其基因组与人类高度相似，被广泛用于(yòngyú)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(tòumíng)等(děng)特性，成为发育生物学的重要模型(móxíng)。悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）、约翰·苏尔斯(ěrsī)顿（John Sulston）和罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）通过研究线虫，首次揭示了(le)程序性细胞死亡(sǐwáng)（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(yě)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。

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

为什么越来越(yuèláiyuè)多科学家

提倡多模式(móshì)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(jiědá)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(yīlài)一种模式生物往往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(zhòngyào)趋势。

不同模式生物虽然各具优势(yōushì)，但也不可避免地存在各自的(de)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(yòngyú)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(dānyī)物种很难覆盖所有研究需求。

许多生命现象(xiànxiàng)，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中重复验证，可以(kěyǐ)排除物种特异性影响，增强研究结论的广泛(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(ruònéng)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(gèngjù)普遍性。

在今天的生命科学研究中(zhōng)，不同的模式(móshì)生物不再是孤立应用，而是构成了互为补充、相互验证的研究体系。科学家们(men)正通过这种“多模式联用”的策略(cèlüè)，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(dìmiàn)实验室到浩瀚太空，模式生物一直是人类探索生命奥秘的重要(zhòngyào)桥梁。它们以自身的特性(tèxìng)，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(de)复杂性远超任何单一物种所(suǒ)能承载的范围。正(zhèng)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。

作者丨(gǔn)Denovo团队