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受到新冠疫情的影响，我就职的水生生物博物馆早早便宣布了闭馆。作为全国科普教育基地，往常到了春季，博物馆总会迎来大批参观的游客。通常在讲解完展厅后，我们便会引导他们去往参观的下一站——博物馆后面的斑马鱼中心。 斑马鱼中心的全称是国家斑马鱼资源中心，简单来说就是一个专门养斑马鱼，并进行相关实验研究的地方。整个中心最引人注目的，要数那一排排大大小小的蓝色水槽了——这是专门的斑马鱼饲养系统。每组系统相互独立，单个系统内共有45个大小不一的“房间”，整个系统循环隔离一体化，特别适合饲育小型水生生物。  国家斑马鱼资源中心内饲养斑马鱼的蓝色水槽。图片：少侠小黄鸡 一种3~5厘米长的小鱼，生活在系统内的每个“房间”里，这便是中心里的核心“住户”——斑马鱼。  生病的它们，是人类的解药 作为一种原产印度的小型鲤科鱼类，斑马鱼 Danio rerio的配色相较于同属的其他鱼类，要素雅得多，仅在小小的银灰色身体上，排列着几条灰蓝色的纵纹。  自带斑马条纹的小鱼。图片：goodfreephotos 许多来参观的游客都会问这样一个问题：这些斑马鱼又不好看又不像能吃的样子，养这么多是干嘛用的呢？ 所谓内行看门道，外行看热闹。对生命科学相关领域而言，这些其貌不扬的斑马鱼可是至关重要的模式生物。     四种生命科学领域的常用模式生物：大肠杆菌、酿酒酵母、黑腹果蝇以及拟南芥。图片：André Karwath、Jucember / Wikimedia 所谓“模式生物”，是指由科学家们选定供科学研究，以揭示某些具有普遍规律的生命现象的生物，如高中生物课本出现过的孟德尔使用的豌豆，摩尔根观察的果蝇，以及家喻户晓的小白鼠。它们都是经典的模式生物。  “9331”，学生物的人听到都要会心一笑的暗号。照片中使用真的黄圆、绿圆、黄皱、绿皱豌豆，生动地展示了孟德尔发现的基因自由组合定律。图片：日历娘 生命科学研究离不开理想的模式生物，但对脊椎动物发育及遗传的研究，却在相当长一段时间里因为缺乏理想的模式动物，而落后于对无脊椎动物发育的研究。 鼠类虽然带动了现代高等遗传学的发展，但其胚胎深埋于母体子宫中，研究者难以在其发育过程进行观察。而非洲爪蟾虽然是胚胎学的好材料，但因繁殖太慢，而难以成为遗传学研究的好对象。  经典模式生物非洲爪蟾。图片：Ben Rschr / Wikimedia 而斑马鱼，则兼具了易获得、易大量饲养、繁育力高、体外产卵、体外受精、胚体透明易观察、操作简单可重复等诸多优良实验特性，因此成为了生物学家的理想实验对象。 更重要的是，斑马鱼和人类的基因有着高达87%的同源性——这意味着在斑马鱼身上进行的实验，其结果大多数情况下可类比到人身上。因此，大量的胚胎学、遗传学、毒理学研究，以及多种人类疾病相关的实验，选用了斑马鱼作为模式生物。 从胚胎学和遗传学角度来看，斑马鱼胚胎透明，所以便于观察各器官和组织的发育过程。而且，它们产出单倍体后代的可能性较大，这些单倍体个体非常适合用来观察隐性基因控制的性状，而且也可以快速育成该基因的纯合子个体。  透明的斑马鱼胚胎。图片：Adam Amsterdam et. al. / PLoS Biology (2004) 而从毒理学角度来看，运用斑马鱼检验环境中各类化学物质的致畸效应，具有成本低、影响因素少、可重复性好、易操作、灵敏度高，以及可同时观察多项毒性指标的特点，并且可以进一步研究污染物的致毒机理。 胎儿酒精综合征 研究者用不同浓度的乙醇处理斑马鱼胚胎，发现随着乙醇浓度升高，斑马鱼胚胎的致畸率和致死率提高、孵化率降低，胚胎体长变短、心跳减慢。 其中，发育畸形主要表现为尾部打结、眼睛变小、心包水肿、脊柱弯曲——与人类的胎儿酒精综合征症状相似。由此，人们明确了乙醇在人类胚胎发育过程中的毒害效应。 而利用斑马鱼建立疾病模型，研究治愈人类相关疾病的方法，更是近年来全球热点科研项目。迄今已发现的数千种斑马鱼突变体，可模拟人类贫血、耳聋、视网膜变性、肌无力症、恶性肿瘤、阿尔茨海默病等多种疾病。 近年来人们甚至发现，斑马鱼还可用于抑郁症和药物成瘾的研究中。不仅如此，由于斑马鱼对精神类药物，如阿片类镇痛药物、抗抑郁药、抗焦虑药等高度敏感，因此可作为药物代谢和药物副作用研究的重要工具。  斑马鱼被用于氯胺酮（俗称K粉）成瘾的相关研究。图片：The U.S. Food and Drug Administration / flickr 此外，斑马鱼的鳍、鳞和部分心脏、大脑、脊柱都可以再生，所以对人类截肢后的治疗也可以说是意义重大。 “献身”于生命科学领域的实验鱼不止斑马鱼一种。近年来，青鳉也逐渐成为了生理学研究领域的热门，甚至在1994年作为脊椎动物代表，被送上太空。而中科院水生所则自主研发了“测毒鱼”稀有鮈鲫（不是数量少的意思，是就叫“稀有鮈鲫”），用于毒性试验和环境监测。图为稀有鮈鲫。图片：少侠小黄鸡 源自实验室的转基因宠物 然而实验用鱼离大家的生活终归有些遥远。对大多数人而言，接触斑马鱼多是在大花鸟市场的水族店中。 由于产量巨大且皮实耐养，斑马鱼几乎是观赏鱼店的必备商品。在“看脸”的观赏鱼界，斑马鱼同样表现出了惊人的多样性：有些斑马鱼鳍条延长飘逸，唤作“长鳍斑马鱼”；有些斑马鱼的花纹变成了断续的斑点，唤作“豹纹斑马鱼”；而即便是最普通的斑马鱼，臀鳍的花纹也会有所区别。 长着斑点的斑马鱼。图片：Bernat Arlandis / flickr 然而在众多斑马鱼里，最突出的却是要数近些年新出现的“五彩斑马鱼”了。这些斑马鱼有的呈现出鲜明的红色，有的呈现出温暖的黄色，有的甚至能在紫光灯下发出荧荧绿光。 而你一定想不到，这些五颜六色的斑马鱼，其实是上文提到的各类实验带来的副产品。 尽管用于实验的斑马鱼优点突出，却还有一个问题没能得到解决——鱼类胚胎小而透明，发育过程的展示是明晰了，可是细节观察又成了问题。 为了解决这一难题，科学家们通过转基因技术，将荧光蛋白导入到斑马鱼受精卵内，并使其在特定的组织器官中表达，这样就可以轻松地在荧光显微镜下观察到特定器官的发育与生理变化，甚至可以动态追踪其胚胎发育全程，以及外源性物质或基因突变对器官发育的影响。 心脏含有绿色荧光蛋白的斑马鱼。图片：NIGHTSEA / YouTube 荧光转基因斑马鱼由新加坡国立大学的华裔科学家发明。这种转基因斑马鱼能发出绿色荧光，主要得益于一种绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein，简称GFP），这种蛋白分离自维多利亚水母，在自然光照射下就能发出绿色荧光。 照亮生命科学的蛋白 GFP由日本名古屋大学的下村脩首次分离，此后他一直致力于GFP的相关研究。GFP被分离后，美国哥伦比亚大学马丁·沙尔菲教授敏锐地觉察了其巨大的应用前景，开创性地将GFP基因转到了线虫体内，使其发出了绿色荧光。 与此同时，美籍华裔科学家钱永健则对GFP基因进行了改造，创造出崭新的GFP变体，使它们能发出更强、更多样的光，如青绿色、蓝色和黄色光等，从而使GFP得到了更加广泛的应用。 2008年，这三位科学家因为荧光蛋白的研究成果而共同获得了诺贝尔化学奖。 图为转入了绿色荧光蛋白的大肠杆菌。图片：DanceWithNyanko 最初，转基因斑马鱼被用来监测水域环境污染。科学家们发现，斑马鱼能对周围水域的环境变化产生反应，一旦环境中的污染物或毒素（如二噁英或聚氯联苯等）含量升高，这些鱼体内就会产生一些特殊的酶，且酶的含量会随着毒素增加而增加。 而将转基因斑马鱼投放到水域后，一旦受到污染，斑马鱼体内对环境敏感的酶类的表达量就会随之增加，相应的，鱼体内发出的绿色荧光强度也会随之增加。这样，通过检测荧光强度就能知道环境污染情况。这些荧光斑马鱼也被称为“生态警报器”。 一大群荧光斑马鱼。图片：Ruby Jylin / YouTube 然而，由于检测势必要将转基因鱼投入自然水域，而这一行为可能造成基因污染等一系列问题。于是荧光鱼在生态检测上的应用前景日趋黯淡。 自2001年起，新加坡国立大学和美国约克城科技公司展开合作，为荧光转基因斑马鱼开辟一个新的市场——观赏鱼。经过历时两年多的大量环境风险评估，2003年12月9日，美国食品药品监督管理局认为，作为观赏鱼的转基因斑马鱼Glofish®不存在任何环境风险，也不会进入人们的食物链，因此批准了Glofish®的上市请求。 普渡大学的研究发现，野生型斑马鱼在和红色转基因斑马鱼的生殖竞争中处于优势。尽管野生雌性斑马鱼会更倾向于选择颜色更艳丽的红斑马鱼，但野生雄性斑马鱼会对红斑马鱼进行暴力驱逐，以至于15代后，红斑马鱼几乎全部消失。 Glofish®也成为了美国第一例获准上市的转基因动物。 GloFish®售卖的各种荧光斑马鱼。图片：glofish.com 2006年，研究人员又利用来自珊瑚的红色荧光蛋白基因，开发出了红色荧光斑马鱼品系（也就是最常见的红斑马鱼，生态瓶常用“迫害对象”）；同时利用来自水母的一系列荧光蛋白基因，开发出了橙黄色的荧光斑马鱼品系。2011年，人们又开发出蓝色荧光和紫色荧光斑马鱼品系。 除了斑马鱼，人们也在“祸害”其他小鱼，例如中国台湾开发出的荧光青鳉等。源源不断的各色荧光小鱼，成为了我们生活中最容易接触到的转基因动物。 从不起眼的淡水小鱼，到生命科学领域的明星模式生物，再到身边最常见的观赏鱼，斑马鱼用它小小的身躯，创造了一个又一个属于它的传奇故事。 本文是物种日历第6年第82篇文章，来自物种日历作者@少侠小黄鸡。 |
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