认识“鱼”航员——斑马鱼

2024 年 4 月 24 日上午 9 时，神舟十八号载人飞行任务新闻发布会在酒泉卫星发射中心召开。发布会上，研究人员宣布：本次飞行任务将迎来一批特殊的“太空旅客”——4 尾斑马鱼。

身体透明的casper品系斑马鱼，它是两种斑马鱼突变体杂交的后代（视觉中国 供图）

斑马鱼（Danio rerio）隶属鲤形目鲤科鲐属，因具有独特的色素表达模式，体表呈现出银蓝色、状似斑马的条纹而得名。神舟十八号任务期间，中国空间站内开展了一项名为“空间先进水生生态系统关键技术研究”的科学实验，一个由 4 尾斑马鱼与 4 克金鱼藻组成的二元水生生态系统成功入驻“问天”实验舱的生命生态实验柜。这不仅是我国首次在轨建立具有自循环功能的空间水生生态系统，还实现了中国在空间站培养脊椎动物方面的突破。

神舟十八号航天员叶光富说，他们此前在地面训练中并没有见过这批斑马鱼的庐山真面目 ,直到在中国空间站里打开水生生态系统鱼缸时，都怀着忐忑的心情，担心小小的斑马鱼能否在火箭发射时的巨大震动和太空微重力环境等强烈刺激下保持活力。事实证明，这批“鱼”航员没有让人们失望。它们不仅在空间站超出人类的预期，稳定生活了 43 天，而且完成了在轨产卵等多项突破性实验任务。

为何要选斑马鱼？

斑马鱼究竟有何魅力，能够从众多的实验动物中脱颖而出，成为神舟十八号的“鱼”航员呢？

首先，斑马鱼的基因组与人类的具有高度相似性。2002 年，斑马鱼全基因组测序完成，结果表明，其基因组与人类基因组的相似度高达 78%。基于这一特点，斑马鱼成为继小鼠和大鼠后的第三大脊椎类模式动物（可用于研究与揭示生命体某种具有普遍规律的生物现象的一类生物），更是鱼类研究中的首选生物模型。

其次，斑马鱼的胚胎发育速度快、身体透明度高，并且易于培育和观察。研究人员通过观察斑马鱼胚胎的发育过程，可以探究基因调控和器官形成等关键生物学问题，为人类健康和疾病研究提供重要参考。

其三，斑马鱼体表极具特色的斑马样条纹并非一成不变，研究人员已经可以通过基因编辑技术敲除与色素形成相关的基因，达到给斑马鱼“换装”的目的。例如，国家斑马鱼资源中心保藏的mitfaw2/w2; mpv17 a9/a9  （AB）（CZRC Catalog  ID：CZ73）品系斑马鱼就是敲除了mitfa 和mpv两个基因，使该品系的斑马鱼没有虹膜团，其眼睛整体呈黑色，皮肤为半透明状。由于没有色素的遮挡，研究人员可以直接从体表观察到该品系斑马鱼内部骨骼和脏器的状态。

上两图为敲除色素基因后，色素缺失的突变体斑马鱼，下两图为野生型斑马鱼（雷江月 供图）

此外，通过与转基因技术结合，研究人员还可以在该品系斑马鱼半透明的体内引入细胞、组织或器官特异性的荧光蛋白，从而制备出便于相应部位研究工作的工具鱼品系，如可以在 1 日龄的Tg（vasa:GFP）（AB）（CZRC Catalog ID: CZ1419 ）品系斑马鱼体内观察到其原始生殖细胞特异性表达的绿色荧光蛋白，这为开展原始生殖细胞发育机制的相关研究提供了许多的观察和检测上的便利。

斑马鱼CZ1419品系中的1日龄幼鱼原始生殖细胞处的绿色荧光蛋白表达（白圈处） （雷江月 供图）

其四，斑马鱼生长周期短、繁殖能力强，能够在短时间内繁育出大量后代。这一优势使研究人员能够利用斑马鱼开展大规模的药物筛选实验，快速得到具有潜在药用价值的化合物。同时，斑马鱼的这一特性有利于将其用于评估环境污染物对生物体的毒性，为环境保护和食品安全领域的风险评估提供科学依据。

其五，斑马鱼能够成为“鱼”航员与其小巧的体形密不可分。成年斑马鱼一般仅 3 ～ 4 厘米长，且食性广泛、适应性强，是典型的杂食性动物，符合通俗意义上的“好养活”概念。也正因如此，斑马鱼在观赏鱼市场中备受青睐，是许多水族爱好者的入门首选。在寸土寸金、资源有限的中国空间站中，斑马鱼与金鱼藻构成了一个密闭而稳定的小型生态系统。该系统虽小，但结构完整，仅需 1 升左右的水体，就可以基本做到自给自足。其中，金鱼藻利用人造光源进行光合作用，源源不断地为斑马鱼提供氧气，是名副其实的“制氧机”；斑马鱼呼吸产生二氧化碳，被金鱼藻捕捉后成为光合作用的原料；斑马鱼的排泄物被水体中的微生物分解后，成为金鱼藻的营养来源。

当然，航天员不会放任斑马鱼和金鱼藻自生自灭的，太空鱼缸配备了多套高科技系统，可以实现自动喂食、温度调节、光照控制以及收集鱼卵等功能。

最后，空间站里微重力的特殊环境，使斑马鱼更容易发生组织、器官及细胞等方面的改变，给遗传研究带来新的机遇。在地面研究中，我们通常采用化学手段实现基因的定点突变，但受限于技术，这一过程较为漫长，也存在一定的技术门槛；在太空的高辐射环境中，诱发基因突变的门槛大大降低。在太空出生的斑马鱼宝宝不仅是珍贵的生物资源，还是不可多得的研究材料。

中国空间站已经保持长期、稳定地在轨运行，为确保航天员的健康和安全，也为了给生命科学研究领域带来新的切入点，必须深入分析太空中高辐射、微重力和亚磁场等环境因素对生物体生理功能的影响。

综上可见，斑马鱼作为一种重要的模式生物，在生物学研究和药物开发领域发挥着重要作用，其成为“鱼”航员也是顺理成章的。

如何成为“鱼”航员？

众所周知，人类航天员需要经历层层选拔和严苛的体能训练，才能适应太空的特殊环境。这四位“鱼”航员又经历了怎样的选拔过程呢？

中国科学院水生生物研究所的研究团队在接到太空实验任务后，立即对现有的斑马鱼资源进行整合，并开展严格的筛选。强健的体魄是“鱼”航员进入太空的首要条件。研究人员通过低温、低氧胁迫、行动轨迹分析以及交尾分析等测试，获得了备选斑马鱼对于低温、低氧等环境的适应性、游动速度、身体平衡性、产卵周期长短以及一次产卵数目等数据，最终挑选出 4 尾具有高敏捷性、高抗逆性且生长繁殖能力强的斑马鱼。

返回地面、大显身手

2024 年 11 月 4 日，神舟十八号载人飞船返回舱成功着陆。与航天员一同回家的 4 尾斑马鱼接受了全面的生物学检查，包括骨质、行为模式和基因表达等方面。研究人员通过检测返回地面的水样、鱼卵等样品，并结合斑马鱼的空间运动行为视频等数据，开展了空间环境对脊椎动物生长发育与行为的影响研究。与地面的对照组相比，“入住”空间站的斑马鱼在微重力环境下表现出腹背颠倒式游泳、旋转和转圈等定向运动异常现象。这些异常行为的出现有助于科学家建立研究模型，探讨航天员因长期处于太空环境中出现的骨质疏松和肌肉萎缩等问题，为航天员返回陆地后的康复和保健工作提供科学依据。更令人振奋的是，在为期 43 天（2024年 4 月 25 日至 6 月 7 日）的实验中，斑马鱼在空间站成功繁殖产卵。这是中国在太空培养脊椎动物的突破，也创造了国际空间水生生态系统在轨运行时间的最长纪录。

在此基础上，研究团队深化了研究内容。2025 年 4 月 24 日，神舟二十号成功发射。任务期间，研究人员将利用 3 条野生型斑马鱼和 3 条敲除了某些基因的斑马鱼开展“失重性骨丢失及心肌重塑的蛋白稳态调控机制研究”，目的是探究太空微重力环境对高等脊椎动物蛋白质稳定状态的影响，以及明确蛋白稳态对因失重造成的骨量下降和心血管功能紊乱的调控作用，进而找到未来人类在长期飞行任务中的防护方法。该研究也是国际上首次利用基因敲除的斑马鱼开展在轨实验。回到地面的斑马鱼，在环境监测、新药研发、保健食品开发，甚至化妆品和食品安全评价等领域都发挥着不可替代的作用。正因如此，在 2010年的“第一届全国斑马鱼研讨会”上，朱作言院士和孟安明院士等 40 多位学者一致呼吁，应尽快建立国家级的斑马鱼资源中心。2012 年 10 月，国家斑马鱼资源中心在中国科学院水生生物研究所正式成立，这里也是首批“鱼”航员的家。如今，国家斑马鱼资源中心已经获得国际学术界的认可，与位于美国的国际斑马鱼资源中心和位于德国的欧洲斑马鱼资源中心并称全球三大斑马鱼资源库，为我国生命科学研究提供了重要支撑。

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