【正文】 發(fā)育生物學 西北師范大學生命科學學院 DEVELOPMENTAL BIOLOGY 緒論 (Introduction) 一 、 發(fā)育生物學的任務和研究對象 1. 發(fā)育生物學 （ developmental biology)是應用現(xiàn)代生物學技術 研究生物體發(fā)育的過程及其變化機制的科學 。 它是 20世紀 50年代在 胚胎學 （ embryology)的基礎上 ， 隨著 分子生物學 、 遺傳學 、細胞生物學和生物化學等 學科的發(fā)展以及它們與胚胎學的相互滲透而興起的一門新的前緣學科 。 2. 發(fā)育生物學研究 從生殖細胞發(fā)生 、 受精 、 胚胎發(fā)育 、 生長 、成熟 、 衰老和死亡 ， 即個體發(fā)育中生命現(xiàn)象發(fā)展的機制 ， 以及 異常發(fā)育如腫瘤 、 畸形 等 。 3. 發(fā)育生物學研究的核心問題是 細胞分化 (cell differentiation).細胞分化是指由一種類型的細胞產(chǎn)生的細胞類型的多樣性 。 4. 發(fā)育生物學研究有機體細胞的每一個分子 、 每一個細胞 、 每一種組織 、 每一個器官和每一種有機體 ， 因為它們的起源和形成都離不開發(fā)育 。 珠蛋白基因的轉錄和青蛙鰓的形成對發(fā)育生物學家來說是同樣正當?shù)膯栴} 。 發(fā)育生物學的研究并不局限于有機體的任一系統(tǒng) 、組織或器官 。 這意味著發(fā)育生物學可能是生物學科的最廣泛的概括 。 發(fā)育的研究把所有的生物學領域連接在一起 。 二、發(fā)育的基本模式 （ 一 ） 發(fā)育的基本特點 : 多細胞有機體的產(chǎn)生是一個相對緩慢和漸進的變化過程 ， 我們將其稱為 發(fā)育 （ development)。 其特征是具有嚴格的時間和空間的次序性 ， 這種次序性是由發(fā)育的遺傳程序控制 ， 發(fā)育是有機體的各種細胞協(xié)同作用的結果 ,也是一系列基因網(wǎng)絡性調(diào)控的結果 . 發(fā)育完成兩大功能： 。 從單個的受精卵產(chǎn)生不同類型的細胞 ， 如肌肉細胞 、 皮膚細胞 、 神經(jīng)元 、 淋巴細胞 、 血細胞和所有其它類型的細胞 。 我們把細胞多樣性的產(chǎn)生稱為 分化 （ differentiation)， 是一個質(zhì)變的過程 。 由已分化的細胞形成組織和器官的過程稱為 形態(tài)發(fā)生 （ morphogenesis)。 發(fā)育的過程還包括 生長 （ growth)， 這是一個量變的過程 。 ,即 增殖 （ reproduction).以保證該物種新個體的持續(xù)產(chǎn)生 。 （二）發(fā)育的基本過程： 1. 配子發(fā)生 (gametogenesis) ： 產(chǎn)生成熟的 精子 （ sperm)和 卵子 (ovum)的過程 。 2. 受精 (fertilization)： 為精子和卵子相遇并結合的過程 。 (cleavage)和 囊胚 (blastula)： 受精卵連續(xù)分裂 ， 產(chǎn)生的細胞稱為 卵裂球 （ blastomeres)， 然后由它們形成多細胞的囊胚 。 (gastrulation): 囊胚的細胞經(jīng)過多種多樣的形態(tài)發(fā)生運動（ morphogeic movement ） 產(chǎn)生由 外胚層 (ectoderm) 、 中胚層(mesoderm)和 內(nèi)胚層 (endoderm)組成的 原腸胚 （ gastrula） 。 （ angenesis） ： 三胚層的細胞相互作用分化形成各種不同器官的原基 。 (metamorphosis)： 有些動物 ， 如兩棲類和昆蟲 ， 在發(fā)育過程中經(jīng)歷一個 幼蟲 （ larva） 階段 ， 然后經(jīng)過 “ 脫胎換骨 ” 的變化發(fā)育為成體的過程 。 三、發(fā)育生物學的發(fā)展簡史 發(fā)育生物學是由于細胞生物學 、 遺傳學 、 生物化學及分子生物學等其他生命學科的發(fā)展和與胚胎學的相互滲透 ， 在胚胎學的基礎上發(fā)展和形成的一門新興的生命科學 。 （ 一 ） 先成論 (preformation)和 后成論 (epigenesis) 早在公元前 , Aristotle (384一 322)認為動物胚胎和成體動物各種結構形成的原因只有兩種可能： 一是卵子或精子中本來具有微小的結構 ， 在發(fā)育過程中逐漸長大形成胚胎和成體的結構； 二是卵子或精子中本來并不具有這些結構 ， 而是在發(fā)育過程中逐漸形成的 .在觀察雞和一些無脊椎動物胚胎發(fā)育的基礎上 ， 他首先提出了胚胎是 由簡單到復雜 逐漸發(fā)育 形成的 （ 后成論 ） 。 但到了公元 17世紀后期和 18世紀 ， 以 精源學說 和 卵源學說 為代表的 先成論 占統(tǒng)治地位 。 精源學說認為胚胎預先存在于精子中 ，卵源學說則認為卵子中本來就存在微小的胚胎雛形 。 其共同點都 認為胚胎是成體的雛形 ， 是配子中本來固有的結構 ,胚胎發(fā)育僅僅是原有結構的增大 。 1759年德國 Wollf(Theoria Generationis和 Formatione Intestinorum)再次提出了 后成論 觀點 。 Wollf根椐對雞胚發(fā)育的觀察 ， 認為卵子中本來并不存在胚胎結構 ， 胚胎與成體也并不相同 ， 胚胎發(fā)育是逐漸變化的過程 。 后成論直到 19世紀才為人們所接受 。 （ 二 ） 胚胎學 (embryology) 1. 描述胚胎學 (descriptive embryology) 較胚胎學 (parative embryology): 重演學說 (recapitulation theory)或 生物發(fā)生律 (biogeic law)和 進化論 (evolution theory)。 3. 實驗胚胎學 (experimental embryology): 鑲 嵌 型 發(fā) 育 (mosaic development。 Weismann, determinant。 Roux)和 調(diào)整型發(fā)育 (regulative development。 Driesch) 胚胎是由一個單細胞的合子經(jīng)過一系列的分裂和分化產(chǎn)生的 。 19世紀 80年代 , Weismann就提出了關于細胞 、 染色體和基因與胚胎發(fā)育關系的理論 。 他 認為合子的細胞核含有大量特殊的信息物質(zhì) ——決定子 (determinants),在卵裂的過程中被平均分配到子細胞中去控制子細胞的發(fā)育命運 。 細胞的命運實際上是由卵裂時所獲得的合子核信息早已預定的 。 這一類型發(fā)育稱為 嵌合型發(fā)育 。 Weismann理論的核心 強調(diào)早期卵裂必須是不對稱分裂 。 由于合子成分的不均勻分布 ， 其卵裂的結果產(chǎn)生的子細胞彼此之間是完全不同的 。 胚胎學家 Roux(1887) 用燒熱的針破壞兩細胞期蛙胚的一個分裂球 ， 結果存活的另一個分裂球只發(fā)育為半個胚胎 。 由此他 認為蛙的 胚胎發(fā)育存在嵌合型發(fā)育機制 ， 細胞的特征和命運是在卵裂的過程中決定的 。 但是 Driesch (1891)用海膽為實驗材料重復 Roux的實驗卻得到了完全不同的結果 。 他在海膽兩細胞時期將兩個分裂球分開 ,得到了兩個發(fā)育正常的 、 個體較小的 海膽幼體 。 Driesch的實驗結果第一次證明發(fā)育過程中存在 調(diào)整型發(fā)育 機制 。 作用 (embryonic induction)和 組織者 (anizer。 Spemann和 Mangold, 1924) Driesch(18761941)提出的調(diào)整型發(fā)育機制已經(jīng)涉及細胞之間的相互作用 ， 但是一直到誘導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后 ， 人們才真正認識到 ，細胞之間的相互作用是胚胎發(fā)育最重要的核心 問題 . 誘導是指一類組織與另一類組織的相互作用 ， 前者稱為 誘導者(inductor) ,后者稱 反應組織 ， 誘導者可指令鄰近反應組織的發(fā)育 . 1924年 Spemann進行了 著名的胚孔背唇移植實驗 。 將蠑螈原腸胚早期的胚孔背唇組織移植到另一同期受體胚胎的胚孔側唇表面 ，隨著受體胚胎發(fā)育的進程 ， 大部分移植組織也內(nèi)陷進入胚胎內(nèi) ，發(fā)現(xiàn)到原腸胚后期誘導產(chǎn)生了另一個次生胚 。 由于胚孔背唇組織 具有調(diào)控和組織一個幾乎完整的胚胎產(chǎn)生的特殊能力 ,故稱 組織者 。 發(fā)育中的誘導和細胞之間相互作用的重要性才因此得到充分的重視 。 由此重大發(fā)現(xiàn) , Spemann 在 1935年獲得 諾貝爾醫(yī)學獎 . （ 三 ） 細胞學理論和胚胎學 1839年德國植物學家 Schleiden和生理學家 Schwann指出 ， 所有生物有機體都由細胞構成 ， 細胞是生命的基本單位；通過細胞的有絲分裂產(chǎn)生其他細胞 。 因此 發(fā)育也必然是逐漸變化的過程 .在胚胎發(fā)育中 ,通過受精卵的分裂 產(chǎn)生許多新細胞和新的細胞類型 . 到 19世紀 40年代 ， 對卵子的特性開始有所認識 ， 認識到卵子也是一個細胞 （ 一個特殊細胞 ） 。 Weismann進一步提出 后代所具有的雙親遺傳特性來自于生殖細胞 ， 來自于兩性配子所攜帶的遺傳特性 。 之后 對海膽等 的研究進一步顯示 ， 在受精初期 受精卵中包含兩個細胞核 ， 其中一個來源于卵子 ， 另一個來源于精子 ， 在受精過程中兩個細胞核融合 。 到 19世紀后期 ， 人們通過一系列研究 認識到 ， 合子細胞核的染色體中各有一半分別來源于兩個親代 ， 而 合子的遺傳信息在卵裂過程中平均分配到子細胞中去 ， 這就為遺傳特性的傳遞提供了物質(zhì)基礎 。 （ 四 ） 胚胎學和遺傳學的結合 Boveri (1902)對海膽的研究發(fā)現(xiàn) ， 正常的胚胎發(fā)育決定于正常的染色體組型 .之后的研究進一步提出 基因型 (genotype)與表型 (phenotype)的概念 。 基因型是有機體從雙親獲得的遺傳信息所賦有的特性 .有機體 在不同發(fā)育時期表現(xiàn)出來的形態(tài) 、 結構 、 生化等特征稱為表型 。 由基因型控制發(fā)育 ， 同時有機體的表型又受到環(huán)境因子與基因型的共同影響 。 如孿生兄弟 。 所以 發(fā)育實際上看作是基因型與表型的結合 . 發(fā)育受遺傳信息的控制 ， 在發(fā)育過程中合子從雙親獲得的遺傳信息是如何表達的 ， 一個單細胞的合子又是如何發(fā)育成為具有功能的有機體的 ， 要回答這些難題 ， 需要將 遺傳學和胚胎學的研究結合 起來 。 隨著基因編碼蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn) ， 不少問題迎刃而解 . 細胞的性質(zhì)是由細胞中所包含的蛋白質(zhì)決定的 ， 而這些蛋白質(zhì)由基因編碼 。 基因通過其編碼產(chǎn)物 — 蛋白質(zhì)的變化控制發(fā)育分化中細胞的性質(zhì)和習性 .遺傳和發(fā)育是個體發(fā)生過程的兩個方面 。對于發(fā)育性狀的研究 ， 既可以從遺傳現(xiàn)象出現(xiàn)的角度進行研究 ， 又可以從發(fā)育過程進行研究 。 發(fā)育受遺傳程序的控制 ， 遺傳特性通過發(fā)育展現(xiàn)出來 . （五）分子生物學和發(fā)育生物學