動物實驗是為了獲得有關生物學、醫學等方面的新知識或解決具體問題而使用動物進行的科學實踐活動。過去一個多世紀，醫學和生命科學取得了飛躍式的發展，人類不僅建立了麻醉、安全輸血、器官移植、人工心臟瓣膜等醫療技術和手段，還研發出了抗生素、疫苗和各種藥物，從而消滅或控制了多種疾病，所有這些成就的取得都離不開動物實驗的支持。
人類開展動物實驗的初衷是為了了解和認識生命現象，懷疑和挑戰宗教神學對人類思想的禁錮，這種探索和認識，形成了動物學、解剖學、生理學等基礎生命科學理論。當對人體和動物正常解剖與生理的認識逐步清楚后，才開始疾病的預防和治療研究。得益于動物實驗，逐步形成了免疫學、微生物學、傳染病學、病毒學等現代醫學的理論體系。人類與疾病的博弈中，霍亂、天花、脊髓灰質炎等傳染病的暴發奪走了大量無辜的生命。科學家發現人類的很多疾病，在某些動物身上也會同樣發生。人類大約有25,000個基因在其它哺乳動物中也存在，比如小鼠。
人類約有一半的基因和無脊椎動物相似，比如蠕蟲、果蠅。這些古老的基因在人類和其它動物中共同存在，表明進化過程中出現了新的調節方式賦予了人類全新的特征，包括復雜思考和語言的產生。生物進化進程中存在大量的保守基因。由于人類和動物的基因都具有保守性，因此可以通過分析動物的基因與蛋白來推測人類。使用動物模型還有一個好處，就是實驗條件可以被精準調控，比如光照時間設定、進食量、特定生物模型、給予藥物干預等等。考慮到倫理問題等，很多侵入性實驗研究一般是不能進行人體實驗的，科學研究必須借助實驗動物和動物實驗，進行疾病機理和診斷治療方法的研究，在安全、有效的情況下再推用到人類。
歷史上，有許多的重要發明與事件表明，動物實驗仍是不可或缺的。佛萊明（Fleming）于1928年發現了青霉素，但其真正被用于抗菌治療則要到十幾年后的1940年代。佛羅里（Florey）和錢恩（Chain）通過給小鼠感染致命葡萄球菌，一組給予青霉素注射治療，小鼠全部存活，另一組不給，小鼠全部死亡，從而證明了青霉素抗菌療效。青霉素的發現和其療效的驗證，使人類第一次找到了一種具有強大殺菌作用的藥物，結束了傳染病幾乎無法治療的時代。
疫苗研發同樣離不開動物實驗。上個世紀被稱為夏日幽靈的脊髓灰質炎曾肆虐全球，可導致感染者癱瘓、呼吸困難甚至死亡。而如今這種傳染病在多數國家已經被消滅，這要得益于美國科學家索爾克（Salk）和薩濱（Sabin）的疫苗研發工作。由于脊髓灰質炎病毒只感染非人靈長類實驗動物，因此在疫苗研發和早期的疫苗生產中使用了大量猴子。我國醫科院昆明生物所的非人靈長類實驗動物設施就是在這樣的背景下建立的，并幫助我國基本消滅脊髓灰質炎病毒感染。在新冠疫情肆虐全球的時候，新冠疫苗的研發迫在眉睫，2020年5月6日在《科學》雜志中我國科學家公布了新冠疫苗動物實驗結果。研究證實，該疫苗對非人靈長類動物安全、有效。而正是首先在動物實驗取得成功，才有了現在我們可以接種的安全疫苗。
基于動物實驗建立的疾病防控及診療技術不僅讓人類受益，動物也是受益者。在動物上開展的諸如麻醉、輸血、鎮靜和外科手術等診療技術也是在動物實驗基礎上建立的。寵物和牲畜的藥物和疫苗研發同樣依賴于動物實驗，通過接種炭疽和牛瘟以及豬丹毒疫苗，就拯救了數以億計的動物生命。
我們還面臨著諸如HIV病毒、Zika病毒和埃博拉病毒等傳染病的威脅，我們也沒有攻克腫瘤，面對阿爾茲海默綜合癥時我們甚至毫無辦法。而體外培養細胞還不能反映其來源組織器官的功能和形態，計算機也無法模擬心臟或腎臟等器官的功能，因此動物實驗仍然是必不可少的。
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