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第9章 人类细胞在母腹内是如何发育的

尽管法律以及伦理和宗教保守信条禁止实验人的发育,但是,人的发育仍是形态学、组织化学、分子和遗传学研究的课题。除了流产的胚胎外,从畸胎瘤上分离的活细胞也适用于研究。下面的描述提供一些有关哺乳动物的一般发育特性和人的发育的独特特征的信息。

在哺乳动物中,胚胎接受来自母亲子宫的营养。另一方面,哺乳动物胚胎又获得了使其能利用母体资源的一个新特征:胎盘。因此,卵黄变得多余了,它在卵子中的存在已无意义。人卵直径约0.1mm,因此又退回到海胆卵的大小,然而,人胚可以生长。除某些其它胎生动物之外,哺乳动物胚胎是唯一的在胚胎发育期间生长的胚胎。从第八周开始,生长中的胚胎叫胎儿。

由于卵黄的消失,哺乳动物卵又回到完全的全裂方式,但它接下来的发育过程为以前卵黄的存在提供了充分的证据。哺乳动物的发育过程在许多方面与爬行动物和鸟类的不完全卵裂的卵子的相似,因此,也可以看到原沟、原条、卵黄囊、羊膜腔和尿囊。

还在胚胎期,女孩就储存了数以千计的卵子,这些卵子滞留在减数分裂前期Ⅰ很多年。

注定要产生下一代的原始生殖细胞(卵原细胞)在胚胎发育早期就产生了并被储存起来,在胚胎发育的第三周,就可在未出生的雌胚中鉴别出来。到这个时候,原始生殖细胞通过阿米巴运动从卵黄囊迁移到生殖嵴。妊娠第五个月,雌胚卵巢内有约七百万个卵原细胞,到第七个月,大多数死亡,存活的70万到200万个卵原细胞停滞有丝分裂加倍,成为初级卵母细胞,进入减数分裂前期Ⅰ并停滞在双绒期。接着间隔持续12至40年,在这段期间,灯刷染色体和多个核仁存在于卵母细胞核内,发生许多转录,生产很多核糖体,卵母细胞由周围的卵泡细胞供给卵黄物质。即使相当小的人卵母细胞体积也增长500倍。

在童年期间,更多的卵子死亡。至青春期约剩4万个;被营养的原始卵泡包裹。受垂体促性腺激素卵刺激素(FSH)刺激,每个卵巢周期有5到12个卵母细胞开始成熟。此后,卵泡暴露于另一种促性腺激素——黄体生成素(LH)中,这些激素给卵子发出恢复减数分裂和启动成熟卵从卵巢中释放的事件的信号。一般而言,一个卵巢周期持续28~30天,只有一个卵泡到达成熟的格拉夫氏卵泡(graafian follicle)状态。在月经周期中间,上一次月经后约14天,其中一个卵子排出第一极体,完成第一次减数分裂,这个卵子从卵巢中释放出来(即排卵,ovulastion)。哺乳动物中,包括人,第二极体直到受精才排出。

在受精前,卵子被截取在输卵管口,如果不这样,受精卵就会掉进腹腔死亡或生成一个类似肿瘤的怪胎,即畸胎瘤。

一旦被输卵管口截取,卵子就一直等待精子到来:卵子外有一层坚硬的膜,叫透明带,以及一个粘性物组成的冠,叫放射冠。这两层膜都是卵巢的卵泡产生的,精子必须穿透这两层膜才能进入卵内。

每次射精有200百万到300百万个精子进入阴道,约1%前进到达卵子。在它们通过阴道、子宫和输卵管的长途旅行中,精子细胞经过了获能,即受雌性分泌物的影响,精子获得受精的能力或能量。只有一个精子成功地进入卵细胞。其它精子通过释放顶体酶帮助溶解卵膜。

(1)植入前发育

虽然哺乳动物卵缺少足够量的卵黄,且已恢复完全卵裂,但是,哺乳动物卵裂是非常慢的。直到第三天才到达桑葚胚的12-至16-细胞期,到第四天到达囊胚泡期,囊胚泡看上去就像一个囊胚,但它不能像海胆和两栖动物的囊胚那样内卷形成原肠,相反,囊胚泡的细胞壁经过分化成为滋养外胚层,这是一个胚外器官,将来侵入母体子宫壁,吸收母体营养和排出废物。着床后,滋养外胚层经历几个核内复制循环发育成多倍体的巨大细胞。部分滋养层将生成胎盘,一个为尽可能完成所有这些功能而形成的胎儿器官。滋养层包围着一个腔和含成胚细胞(embryoblast,指保持双倍体,并最终生成胚胎本身的那些细胞)的内细胞团。内细胞团是一群偏离中心、集中在“极滋养层”下方的细胞。孵出后,囊胚附着于子宫壁上,并陷入子宫壁内,这个过程称为着床或植入。

(2)着床后发育

孵出的囊胚用其极滋养层附着于子宫壁上。通过极滋养层释放的溶解酶作用使极滋养层进入子宫壁。滋养层外层增殖并进入子宫组织,同时转化为合胞体滋养层;滋养层内层,叫细胞滋养层,保持细胞特性并闭合成胚孔。后来,囊胚的腔壁增加一内层,叫体壁中胚层。胚胎的囊胚腔不会闭合,在发育后期它被称为胚外体腔或绒毛膜腔。

侵入的多核合胞体滋养层为胚胎生长准备空间,坚实的上皮细胞滋养层加固并得到从胚胎迁移过来的中胚层细胞的补充:整个器官叫作绒毛膜。初级绒毛膜绒毛从其外表面突出并穿过疏松的合胞体滋养层延伸,并与周围母体子宫壁组织建立联系。绒毛膜是后来由胎盘形成的大得多的绒毛的功能性前体。

囊胚内发生了什么变化?胚胎在何处形成?人的囊胚像大多数哺乳动物囊胚一样,在胚胎发育前,为即将来临的胚胎已作一些有益的准备。到第九天,羊膜腔诞生,卵黄囊形成。羊膜腔以一条裂缝的形式出现在内细胞团中间,从内细胞团分出一个称为下胚层的上皮层。上皮层扩展,沿中央腔排列并形成体壁内胚层或卵黄囊(用词不当,因为它不含卵黄。)

胚胎本身是由两个致密的上皮区域形成的:即羊膜腔底部,称为上皮层,卵黄囊的顶部称下胚层。这两个区域连合在一起,一个在另一个上面,就形成了胚盘。

从这点起,实际上胚胎的产生沿着我们非哺乳动物祖先铺设的路走。原肠形成、胚层形成和神经胚形成在很多方面都与爬行类和鸟类胚胎发育相似。在原肠形成中,上胚层细胞朝原沟移动并穿过原沟,占据了上胚层与下胚层之间的裂缝。在原沟前方,原条出现了。在其下方,脊索向前推进并与将产生头部肌肉和口膜的脊索前板接触。最初而且也是短暂的,脊索是空的,脊管开始于靠近亨森氏结的原沟上一个开口,终止于卵黄囊上另一个开口。在爬行动物和某些鸟类中发现类似的脊管(神经肠沟)。

当神经褶合并到脊索上方形成神经管时,这根神经管前后端也保持开放。前后神经孔连接神经管和羊膜腔,当心脏跳动以及大部分体节清晰可见时,如耳基板和咽囊,神经孔闭合。

发育到第28天时,血管已扩增并散布到胚胎内外。胚胎循环通过脐带与胎盘连接。

发育中的胎儿处在双层膜中,这两层膜都是来源于胚胎:内层膜是羊膜腔的壁,外层膜是绒毛膜,大部分由滋养层派生而来。

在绒毛区,至此称胎盘,细小的初级绒毛被较大的次级绒毛替代,最后由三级绒毛替代。分支的树样绒毛生长至子宫壁的腔里,并血管化。两根动脉(脐动脉)从未来的脐的地方离开胎儿体,穿过羊膜腔至脐带内,进入绒毛并分支,又重新结合形成脐静脉,又返回胚胎,为胚胎提供营养和氧气。在交换母体营养和氧气中,废物,如CO2和尿,穿过绒毛转移给母体。

母亲通过移走障碍来适应胚胎。蜕膜(包裹胚胎的子宫壁外层)溶解,以这方式创造出绒毛膜分支可以生长的腔隙。“腔隙”这个词指母体毛细血管开放进入这些腔里,且母体血液立即围绕胚胎毛细血管流动。

脐静脉不到达肺,含氧丰富的血液通过脐静脉进入未分开的心脏,分配到全身,又通过脐动脉收回并泵回到胎盘绒毛。象鱼一样,胎儿有一个单循环系统,其胎盘绒毛起鳃弓的作用。因为胎儿的肺还没有功能,但出生后,它必须立即接管其重要的工作,所以这个循环系统必须准备着快速转换成一个双循环(身体和肺)系统。

胚胎或胎儿必须保证妊娠继续,在未成熟前不被月经中断。此外,胚胎还不得不防止母体为急于排斥任何异体做出的免疫防御。证据表明,胚胎释放许多信号分子,其中只有少数是已知的。在发育早期,滋养层开始释放激素,向母体发出已开始着床的信号,至少有三种激素传递给母体:绒毛膜促性腺激素和孕酮引导维持妊娠状态,绒毛膜生长催乳激素(也叫胎盘催乳素)刺激母体乳房产奶。

妊娠和出生是孩子和母亲生死相关的事情。在妊娠38周(266天)后,胚胎是一个成熟的胎儿并准备出生。然而,到达这个阶段之前,40%~50%的着床胚胎因为错误的发育结果而夭折。所以,出生意味着另一种严重的危险。

对母亲来说是一种危险:当胎盘绒毛从子宫上撕下时,血液从腔隙中流失,母亲处于失血死亡的危险之中。子宫能及时成功地封闭这个大创口吗?

对婴儿来说也是一种危险:在一瞬间,肺必须充气,血液必须泵进肺里,婴儿身体呈蓝色。能成功实现“起博”吗?

尽管有各种各样这样的危险,隐藏在母体的保护和营养中的好处值得冒这些危险。胎生哺乳动物的,尤其人的,进化成功是这种发育变革价值的验证。