出品：科普中國(guó)

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

今年4月，搭載六條斑馬魚(yú)的神舟二十號(hào)進(jìn)入太空，抵達(dá)中國(guó)空間站，相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)正式啟動(dòng)。

空間失重給宇航員的心血管系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)帶來(lái)多種潛在風(fēng)險(xiǎn)，失重性骨丟失（指骨組織在微重力條件下發(fā)生的骨量減少和骨密度降低等）及心肌重塑（指心臟在結(jié)構(gòu)或功能上對(duì)環(huán)境變化作出的適應(yīng)性或病理性重構(gòu)）是制約人類(lèi)開(kāi)展深空探索的重要醫(yī)學(xué)問(wèn)題之一。這六條斑馬魚(yú)將幫助科學(xué)家研究失重環(huán)境下的骨丟失和心肌重塑機(jī)制。作為與人類(lèi)基因組相似度高達(dá)70-80%的模式生物，斑馬魚(yú)在此次的重要研究中扮演了關(guān)鍵角色。

此次參與實(shí)驗(yàn)的斑馬魚(yú)在小型受控實(shí)驗(yàn)單元內(nèi)活動(dòng)

（圖片來(lái)源：華南理工大學(xué)）

那么，除了斑馬魚(yú)，還有哪些生物也成為了科學(xué)探索的“代表”？為什么它們能被選中？又帶來(lái)了哪些重要發(fā)現(xiàn)呢？

什么是模式生物？

在生命科學(xué)研究中，科學(xué)家們往往無(wú)法直接在人體或復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。為了揭示生物基本規(guī)律，探索生命現(xiàn)象的本質(zhì)，就需要選擇一些代表性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便的生物體。這些被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究，能夠?yàn)槔斫馄渌铮ㄓ绕涫侨祟?lèi)）提供普遍性參考的生物體，就被稱(chēng)為模式生物。

常用的模式生物

（圖片來(lái)源：作者使用AI生成）

模式生物具有一系列理想特性：體積小、繁殖快、生命周期短、基因組清晰、易于開(kāi)展遺傳相關(guān)的操作，且生物學(xué)特性與研究對(duì)象具有一定程度的相似性。通過(guò)研究這些生物，科學(xué)家們可以在相對(duì)可控、可重復(fù)的條件下，深入分析基因功能、發(fā)育機(jī)制、疾病成因等生命科學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題。

常用的模式生物有哪些？

隨著生命科學(xué)研究的不斷深入，不同領(lǐng)域的科學(xué)家根據(jù)各自研究目標(biāo)，逐步建立起了一套多樣化的模式生物體系。這些生物在遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。以下是當(dāng)前最常用的一些模式生物：

果蠅（Drosophila melanogaster）：體型小、繁殖快、遺傳背景清晰，是研究遺傳規(guī)律和發(fā)育過(guò)程的經(jīng)典模型?？茖W(xué)家摩爾根正是利用果蠅，首次證實(shí)了基因位于染色體上。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

小鼠（Mus musculus）：與人類(lèi)基因組高度相似，且易于進(jìn)行基因敲除和轉(zhuǎn)基因操作。廣泛應(yīng)用于腫瘤學(xué)、免疫學(xué)、神經(jīng)科學(xué)及代謝疾病研究，是哺乳動(dòng)物中最重要的模式動(dòng)物之一。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

線蟲(chóng)（Caenorhabditis elegans）：體透明、細(xì)胞數(shù)目固定，適合追蹤細(xì)胞發(fā)育和死亡過(guò)程。通過(guò)對(duì)線蟲(chóng)的研究，科學(xué)家揭示出程序性細(xì)胞死亡（Apoptosis）的分子機(jī)制。

顯微鏡下成年的雄性圓線蟲(chóng)

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

斑馬魚(yú)（Danio rerio）：胚胎發(fā)育過(guò)程透明可見(jiàn)，且繁殖量大，適用于研究器官發(fā)育、心血管疾病及藥物篩選，近年來(lái)在空間生物學(xué)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

酵母（Saccharomyces cerevisiae）：?jiǎn)渭?xì)胞真核生物，生命周期短，是研究細(xì)胞周期、基因表達(dá)調(diào)控及基礎(chǔ)代謝機(jī)制的關(guān)鍵模型。相關(guān)研究多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

顯微鏡下的酵母細(xì)胞

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

擬南芥（Arabidopsis thaliana）：體型小、生命周期短、基因組小且已完成測(cè)序，是植物生物學(xué)、基因調(diào)控與環(huán)境響應(yīng)研究的首選模式植物。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

水稻（Oryza sativa）：全球重要的糧食作物，同時(shí)也是植物功能基因組研究的重要模型，為作物改良與農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展提供了豐富的研究資源。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

玉米（Zea mays）：具有復(fù)雜的遺傳特性和大型基因組，常用于研究遺傳變異、基因互作及作物育種機(jī)制。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

通過(guò)這些模式生物，科學(xué)家們可以在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬和探索人類(lèi)及其他物種的生命現(xiàn)象，從而加速理論發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新。

這些生物為什么被選為模式生物？

在多樣的生物中，被選為模式生物的僅是極少數(shù)。它們之所以脫穎而出，既源于自然特性，也得益于長(zhǎng)期科學(xué)實(shí)踐的篩選與積累?？偨Y(jié)來(lái)看，模式生物通常具備以下幾個(gè)核心優(yōu)勢(shì)：

**實(shí)驗(yàn)便利性高。**模式生物普遍體型小巧、養(yǎng)殖條件簡(jiǎn)單、成本低廉，便于在實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模飼養(yǎng)與觀察。例如，果蠅和線蟲(chóng)可以在極短時(shí)間內(nèi)繁殖大量個(gè)體，顯著提高實(shí)驗(yàn)效率。

生命周期短?？焖俚纳芷谝馕吨梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)觀察到多個(gè)世代的遺傳變異與表型變化。這為研究遺傳學(xué)規(guī)律、突變效應(yīng)及發(fā)育過(guò)程提供了極大的便利。例如，斑馬魚(yú)從受精到形態(tài)發(fā)育完成僅需數(shù)天，成為理想的發(fā)育生物學(xué)模型。

**基因組小且信息完整。**模式生物的基因組通常較小，且大多已經(jīng)被完整測(cè)序。比如，擬南芥是最早完成基因組測(cè)序的植物之一，小鼠也已被發(fā)現(xiàn)與人類(lèi)基因組具有高度同源性。這使得研究者能夠在相應(yīng)的模式生物身上精確定位基因功能，開(kāi)展基因編輯和系統(tǒng)生物學(xué)分析。

**易于進(jìn)行與遺傳相關(guān)的操作。**模式生物通常具備高度成熟的遺傳學(xué)工具，例如小鼠的基因敲除技術(shù)、斑馬魚(yú)的CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)特定基因的操控，科學(xué)家可以模擬疾病、篩選藥物靶點(diǎn)，甚至探索基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的奧秘。

**與人類(lèi)具有生物學(xué)相似性。**盡管物種不同，但模式生物的許多基本生物學(xué)過(guò)程和人類(lèi)都顯著相近。例如，線蟲(chóng)體內(nèi)的細(xì)胞凋亡機(jī)制與人類(lèi)高度相似，小鼠的免疫系統(tǒng)也能在一定程度上模擬人類(lèi)的免疫反應(yīng)。這種生物學(xué)相似性使得模式生物成為理解復(fù)雜生命現(xiàn)象、探索疾病機(jī)理的重要橋梁。

借助模式生物開(kāi)展的經(jīng)典研究有什么？

模式生物之所以在科學(xué)史上占據(jù)重要地位，源于它們?cè)?jīng)幫助人類(lèi)揭示了生命的基本規(guī)律。以下是幾種具有代表性的基于模式生物的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

20世紀(jì)初，托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）利用果蠅開(kāi)展遺傳學(xué)研究，通過(guò)追蹤果蠅眼睛顏色等可見(jiàn)性狀的遺傳規(guī)律，首次證明了基因是以線性方式排列在染色體上的。這一發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代遺傳學(xué)的基礎(chǔ)，他也因此獲得1933年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

作為哺乳動(dòng)物中的典型模式生物，小鼠因其基因組與人類(lèi)高度相似，被廣泛用于疾病模型建立。特別是在癌癥和免疫疾病研究領(lǐng)域，通過(guò)基因敲除小鼠模型，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了如p53腫瘤抑制基因等關(guān)鍵分子，大幅推動(dòng)了腫瘤發(fā)生機(jī)制和治療策略的理解與發(fā)展。

線蟲(chóng)以其細(xì)胞數(shù)量固定、體透明等特性，成為發(fā)育生物學(xué)的重要模型。悉尼·布倫納（Sydney Brenner）、約翰·蘇爾斯頓（John Sulston）和羅伯特·霍維茨（Robert Horvitz）通過(guò)研究線蟲(chóng)，首次揭示了程序性細(xì)胞死亡（Apoptosis）的分子機(jī)制。這一成果不僅獲得2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，也為后續(xù)腫瘤、神經(jīng)退行性疾病等領(lǐng)域的研究提供了重要基礎(chǔ)。

2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者

（圖片來(lái)源：Nobelprize.org）

為什么越來(lái)越多科學(xué)家提倡多模式生物聯(lián)用？

在早期生命科學(xué)研究中，單一模式生物已能解答很多基礎(chǔ)問(wèn)題。然而，隨著研究深入，科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到，生命現(xiàn)象的復(fù)雜性遠(yuǎn)超預(yù)期，僅依賴(lài)一種模式生物往往難以全面揭示生物機(jī)制。因此，多模式生物聯(lián)用，正成為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究的重要趨勢(shì)。

不同模式生物雖然各具優(yōu)勢(shì)，但也不可避免地存在各自的局限。例如，果蠅適合遺傳篩選，卻難以模擬哺乳動(dòng)物免疫系統(tǒng)；小鼠可用于腫瘤研究，但在部分神經(jīng)發(fā)育過(guò)程上與人類(lèi)存在差異。因此，單一物種很難覆蓋所有研究需求。

許多生命現(xiàn)象，如神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、免疫調(diào)控、代謝疾病機(jī)制等，涉及多層次的生理與分子網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)在不同模式生物中重復(fù)驗(yàn)證，可以排除物種特異性影響，增強(qiáng)研究結(jié)論的廣泛適用性和可信度。例如，某基因突變導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡現(xiàn)象，若能對(duì)線蟲(chóng)、小鼠和斑馬魚(yú)都進(jìn)行觀察并得出結(jié)論，其生物學(xué)意義將更具普遍性。

在今天的生命科學(xué)研究中，不同的模式生物不再是孤立應(yīng)用，而是構(gòu)成了互為補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的研究體系?？茖W(xué)家們正通過(guò)這種“多模式聯(lián)用”的策略，力求在紛繁復(fù)雜的生命謎題中，找到更加準(zhǔn)確而深刻的答案。

結(jié)語(yǔ)

從地面實(shí)驗(yàn)室到浩瀚太空，模式生物一直是人類(lèi)探索生命奧秘的重要橋梁。它們以自身的特性，推動(dòng)著遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)與農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展。

然而，生命的復(fù)雜性遠(yuǎn)超任何單一物種所能承載的范圍。正因如此，科學(xué)家們正不斷豐富模式生物的體系，聯(lián)用多種模型，力求通過(guò)對(duì)不同模式生物的研究盡可能還原生命的全貌，并在此基礎(chǔ)上，破解更多科學(xué)難題及生命奧秘。