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下篇胚胎学第20章胚胎学绪论一、胚胎学的内容和意义胚胎学（embryology)主要是研究从受精卵发育为新生个体的过程及其机制的科学，研究内容包括生殖细胞发生、受精、胚胎发育、胚胎与母体关系、先天性畸形等。人胚胎在母体子宫中的发育经历38周(约266天），可分为两个时期：①从受精卵形成到第8周末为胚期（embryonicperi-od)Q在此期，受精卵由单个细胞经过迅速而复杂的增殖分化，历经胚（embryo)的不同阶段，发育为各器官、系统与外形都初具雏形的胎儿（fetus)。此时只有3cm长，堪称“袖珍人”。②从第9周至出生为胎期（fetalperiod)。此期内胎儿逐渐长大，各器官、系统继续发育，多数器官出现不同程度的功能活动。胚期质变剧烈，胎期量变显著。因此，胚期是研究和学习的重点。个体出生后，许多器官的结构和功能还远未发育完善，还要经历相当长时期的继续发育和生长方逆成熟，然后维持一段时期，继而衰老死亡。出生后的这一过程可分为婴儿期、儿童期、少年期、青年期、成年期和老年期。研究出生前和出生后生命全过程的科学则称为人体发育学（devel-opmentofhuman)胚胎学包括以下分支学科。1.描述胚胎学（descriptiveembryology)主要应用组织学和解剖学的方法（如光镜、电镜技术）观察胚胎发育的形态演变过程，包括外形的演变、从原始器官到永久性器官的演变、系统的形成、细胞的增殖、迁移和凋亡等，是胚胎学的基础内容。2.比较胚胎学（comparativeembryology)以比较不同种系动物（包括人类）的胚胎发育为研究内容，为探讨生物进化过程及其内在联系提供依据，并有助于更深刻地理解人胚的发育。3.实验胚胎学（experimentalembryology)对胚胎或体外培养的胚胎组织给予化学或物理因素刺激，或施加显微手术，观察其对胚胎发育的影响，旨在研究胚胎发育的内在规律和机制。4.化学胚胎学（chemicalembryology)应用化学与生物化学技术揭示胚胎生长发育过程中诸多化学物质的质与量的变化及代谢过程。5.分子胚月台学(molecularembryology)用分子生物学的理论和方法探索胚胎发生过程中基因表达的时间顺序、空间分布与调控因素，研究基因表达产物即各种蛋白质在胚胎发育中的作用，以从根本上阐明胚胎发育的分子过程和机制。这是当前与今后胚胎学理论研究的前沿领域。6.畸形学（teratology)在胚胎发育过程中，由于遗传因素或环境有害因素的影响，可导致胚胎异常发育，从而引起先天性畸形。畸形学旨在研究各种先天性畸形发生的原因、机制和预防措施。7.生殖工程学(reproductiveengineering)这是胚胎学中新兴的研究领域，通过人工介入早期生殖过程，以获得人们期望的新生个体。主要技术有体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植、卵质内单精子或细胞核注射、配子和胚胎冻存等。试管婴儿和克隆动物是该领域中最著名的成就。本教科书的胚胎学部分，以人体发生的描述胚胎学为主要内容，并适当地介绍了畸形学以及其他分支学科的研究成果。显然，胚胎学兼具重要的理论意义和实用价值，是一门内容丰富多彩的学科，或者用著名的加拿大胚胎学家摩尔(Moore)的话说，是一^门充满魅力的学科。其理论意义体现在，能帮助人们用科学唯物主义的观点理解生命个体的发生和发育。对于医学生来说，只有在学习了胚胎学之后，才算真正完整地了解人，了解作为个体的人是如何来到人世间的，其外形、体内各系统、器官、组织、细胞是如何发生演化的；才能更深人地理解解剖学、组织学、病理学、遗传学等学科中的某些内容，如组织学中干细胞的概念，病理学中按细胞的胚层来源对恶性肿瘤进行的分类。其实用价值主要体现于临床应用方面。产科医生只有掌握了有关胚胎发育全过程以及胚胎和母体关系的知识，才能对孕妇进行正确的妊娠跟踪和保健指导；先天性崎形的检测和防治都需以畸形学作为基础；生殖工程学更是为不育症患者带来福音。胚胎从一个细胞（受精卵）发育为(5〜7)x1012个细胞构成的足月胎儿的过程中，每一部分都在发生复杂的动态变化。这是胚胎学的研究对象不同于组织学的显著特点。因此，学习者既要了解某一时期胚胎的立体形态（三维结构），也要掌握在不同时期这些结构演变的来龙去脉，即胚胎的时间与空间的结构变化。这不仅对于学好胚胎学十分必要，而且对于训练和培养动态的空间思维方法也很有裨益。二、胚胎学发展简史与现代胚胎学古希腊学者亚里士多德（Aristotle)最早对胚胎发育进行过观察，他推测人胚胎来源于月经血与精液的混合，并对鸡胚的发育做过一^些较为正确的描述。1651年，英国学者哈维（Harvey)发表《论动物的生殖》，记述了多种鸟类与哺乳动物胚胎的生长发育，提出“一切生命皆来自卵”的假设。显微镜问世后，荷兰学者列文虎克(Leeuwenhoek)与格拉夫（Graaf)分别发现精子与卵泡，意大利学者马尔比基(Malpighi)观察到鸡胚的体节、神经管和卵黄血管。他们提出“预成论”学说，认为在精子或卵内存在一微小个体，由此逐渐发育长大为胎儿。18世纪中叶，德国学者沃尔夫（Wolff)指出，早期胚胎中没有预先存在的微小个体，胚胎的四肢和器官是经历了从无到有、由简单到复杂的渐变过程而形成的，因而提出了“渐成论”。1828年，爱沙尼亚学者贝尔（Baer)发表《论动物的发育》一书，报告了多种动物及人卵的发现；他观察到人和各种脊椎动物的早期胚胎极为相似，随着发育的进行才逐渐出现纲、目、科、属、种的特征（此规律被称为贝尔定律）。他认为，对不同动物胚胎的比较比成体的比较能更清晰地证明动物间的亲缘关系。贝尔的研究成果彻底否定了“预成论”，并创立了比较胚胎学。1855年，德国学者雷马克（Remark)根据沃尔夫与贝尔的*些报告及自己的观察，提出胚胎发育的三胚层学说，这是描述胚胎学起始的重要标志。1859年，英国学者达尔文在《物种起源》中对贝尔定律给予强有力的支持，指出不同动物胚胎早期的相似表明物种起源的共同性，后期的相异则是由于各种动物所处外界环境的不同所引起。至19世纪60年代，德国学者穆勒（Miiller)与海克尔(Haeckel)进~^步提出“个体发生是种系发生的重演”的学说，简称“重演律”。这一学说基本上是正确的，但由于胚胎发育期短暂，不可能重演全部祖先的进化过程，如哺乳动物胚胎中可见到类似鱼的鳃裂，但并不发展为鳃。自19世纪末，人们开始探讨胚胎发育的机制。德国学者斯佩曼（Spemann)应用显微操作技术对两栖动物胚进行了分离、切割、移植、重组等实验。如移植的视杯可导致体表外胚层形成晶状体；移植原口背唇至另一胚胎的腹侧，便产生了第二个胚胎。根据这些结果，斯佩曼提出了诱导学说，认为胚胎的某些组织（诱导者）能对邻近的组织（反应者）的分化方向起诱导作用。在这些实验与理论的基础上，实验胚胎学逐渐发展起来，斯佩曼也因此于1935年荣获诺贝尔生理学或医学奖。其他著名学说还有细胞分化决定、胚区定位、胚胎场与梯度等。与此同时，一些学者应用化学和生物化学技术，研究胚胎发育过程中细胞与组织内的化学物质变化、能量消长、新陈代谢特点以及这些化学因素与胚胎形态演变的关系。英国学者李约瑟(Needham)总结了这方面的研究成果，于1931年发表《化学胚胎学》一书。现代胚胎学是从20世纪50年代开始发展起来的，以分子胚胎学和生殖工程学作为其理论和技术进步的两大标志。50年代，随着DNA结构的阐明和中心法则的确立，诞生了分子生物学。用分子生物学的观点和方法研究胚胎发育过程，便产生了分子胚胎学。其研究结果表明，在发育过程中，最重要的不是个别基因的表达，而是这些表达在时间和空间上的联系与配合，即发育的遗传程序；而遗传程序是由调节基因控制的。迄今，这方面的研究主要应用生命周期短并易于操作的果蝇进行。已发现的重要调节基因群有：母体基因，其表达产物在卵细胞质内有特定的分布模式，可选择性地激活细胞核内的基因，从而决定胚胎的体轴；分节基因，能奠定体轴分节发育的格局；同源异形基因，进一步决定各体节的演化方向和形态特征，如头、胸、腹。这些基因群对果蝇胚胎发育构成了多层次的调控网络。和同源异形基因类似的基因也已在包括人在内的多种脊椎动物的胚胎中发现，统称同源框基因（homeoboxgene)。分子胚胎学与实验胚胎学、细胞生物学、分子遗传学等学科互相渗透，形成了一个交叉学科，即发育生物学（developmentalbiology)o生殖工程学是把某些实验胚胎学技术向应用方面发展而形成的。例如把体外受精、胚胎移植等技术用于治疗女性不孕症，便于1978年在英国诞生了第一例试管婴儿；把研究两栖类动物体细胞核的再分化能力所用的核移植技术用于哺乳动物，克隆羊多莉便于1997年轰动世界。我国的胚胎学研究始于20世纪20年代。朱洗（1899〜1962)、童第周（1902〜1979)、张汇泉（1899〜1986)等对这一领域的科研和教学均卓有贡献。朱洗对受精的研究，童第周对卵质与核的关系、胚胎轴性、胚层相互作用的研究，张汇泉对畸形学的研究，都开创和推动了我国胚胎学的发展。克隆动物的先驱——戈登1994年秋，在曼彻斯特大学举行的一次学术盛会上，有来自全英的著名生命科学家做演讲。我[本章作者]有幸在座。演讲内容五花八门，听得人头昏脑胀。又换人了。和前面那些高大硕壮的男女相比，这回是个瘦小老头，华发苍颜，神色肃谨。幻灯片打出来了-剑桥的Gurdon!当学生时我读过他在20世纪60年代初做的实验介绍。他把爪蟾耕抖的小肠上皮细胞核吸出来，注进去核的卵细胞，结果一部分卵发育成蝌蚪，其中一部分蝌蚪又发育为成熟的爪蟾。核移植是斯佩曼在2◦世纪30年代末提出的，目的在于检验巳分化细胞的核是否还保留完全的遗传信息和再分化能力。在50年代，有人成功地用早期蛙胚细胞核进行了这种实验。但用完全分化的细胞核，戈登是第一人。后来，他又用成体的表皮细胞核进行移植，卵发育到了蝌蚪阶段。这些实验结果还提示，在卵发育的早期阶段，卵细胞质发挥了决定性的作用，这又导致了母体基因的发现。时隔30年，戈登仍在用他喜爱的蟾蜍胚胎进行形态发生子（morphogen)研究。1997年，Wilmut在爱丁堡宣布，用成体细胞核移植成功的克隆羊多莉诞生了，这一消息立即被国际传媒爆炒。不懂的人问我。我说，这不过是第一头克隆哺乳动物，克隆癞蛤蟆在三十几年前就有了。我不由回忆被今日的明星Wi1mut踩着肩膀的那位瘦小巨人。我想，这一代代踩着肩膀向上攀登的胚胎学家们最终可能达到的顶峰是什么呢？其实，当年戈登的实验结果一公布，人们就猜到了：人的无性繁殖，现称克隆人。这可是一只禁果，总有人按捺不住品尝的欲望，而社会伦理的上帝不允许。第21章胚胎发生总论在胚期，受精卵发育为初具人形的胎儿，这是整个胚胎发育的关键时期。本章叙述其总体的发生过程以及胚胎与母体的关系。胚体各个系统的发生过程将在以后各章介绍。一．生殖细胞和受精(一）生殖细胞生殖细胞（germcell)又称配子（gamete),包括精子和卵子（见第18、19章）。精子为单倍体细胞，核型为23，X或23，Y，它们具有定向运动的能力和使卵子受精的潜力，但是尚无穿过卵子周围的放射冠、释放顶体酶、穿过透明带的能力。这是由于精子头的外表面被一层来自精液中的糖蛋白覆盖，能阻止顶体酶释放。精子通过子宫和输卵管时，该糖蛋白被去除，从而使精子获得了使卵子受精的能力，此现象称获能（capacitation)。精子在女性生殖管道内的受精能力一般可维持1天。从卵巢排出的卵子处于第二次减数分裂的中期，进人并停留在输卵管壶腹部。当与精子相遇，受到精子穿入其内的激发，卵子才完成第二次减数分裂。若未受精，则在排卵后12〜24小时退化。(二）受精受精（fertilization)指精子与卵子结合形成受精卵的过程，一般发生在输卵管壶腹部。正常成年男性一次可射出3亿〜5亿个精子，其中300〜500个最强壮的精子能通过鞭毛运动抵达输卵管壶腹部。虽然最终只有一个精子能与卵子结合，但其他精子的作用必不可少。受精的过程可分为三期(图21-1