內(nèi)骨骼胚胎發(fā)生機制

第一節(jié)：腸體腔法與內(nèi)骨骼發(fā)生機制

（一）腸體腔法的劣勢

內(nèi)胚層向囊胚腔形成的囊狀突起稱為體腔囊。體腔囊與內(nèi)胚層分離后擴展成為中胚層，如此形成中胚層的方式稱為體腔囊法。這種中胚層包圍的體腔稱為腸體腔，如此形成體腔的方式稱為腸體腔法。

這種體腔演化模式，中胚層向原腸腔開放，體腔是在和環(huán)境融合在一起的情況下形成的，體腔保留了環(huán)境的成分，并由此造成了其先天就無法脫離體腔形成的環(huán)境，離開水體腔無法形成。腸體腔動物無法向其他空間發(fā)展，原因就在這里。而裂體腔動物不存在這個問題，這就說明裂體腔動物體腔提前離開海洋向陸地發(fā)展，相比之下這是腸體腔動物在演化線上的劣勢。

（二）腸體腔法的優(yōu)勢

雖然這種演化模式形成的動物向陸地發(fā)展比較慢，但也有他優(yōu)勢的地方，內(nèi)胚層在體腔內(nèi)的演化速度比較慢，外胚層就有了與中胚層藕連的雙向演變趨勢，完成外胚層皮膚神經(jīng)同源結(jié)構(gòu)與原腸胚結(jié)構(gòu)的藕連，這一雙向趨勢導(dǎo)致外胚層出現(xiàn)褶皺內(nèi)凹運動，由此出現(xiàn)神經(jīng)管結(jié)構(gòu)，也就是原索動物向脊椎動物演化模式，內(nèi)骨骼系統(tǒng)復(fù)雜化發(fā)育也隨之開始。

腸體腔形成后，中胚層組織慢慢由里向外發(fā)育，外胚層向內(nèi)發(fā)育，開始出現(xiàn)神經(jīng)索，也就是原索動物的出現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，消化道吸收的鈣質(zhì)等骨骼成分隨著發(fā)育流向脊索附近，慢慢形成骨骼脊椎，脊椎動物出現(xiàn)。

第二節(jié)：脊索誘導(dǎo)與內(nèi)骨骼發(fā)育機制

從動物演化看，從無脊索動物到有脊索動物出現(xiàn)是一次進化的飛躍，因此，脊椎動物的出現(xiàn)人們也稱之“第四胚層”，如何理解這一機制是理解高等動物機制的關(guān)鍵。（見圖4-2-2）

（一）原索動物神經(jīng)集約化機制

動物從簡單到復(fù)雜，從低等到高等最大的標志是神經(jīng)系統(tǒng)的集約化進程，而從胚胎機制看，也就是皮膚神經(jīng)同源結(jié)構(gòu)從分散到集約化的發(fā)育演化。

動物最基本的生存需求是從外界獲得能量維持機體的耗能，首先原腸發(fā)生發(fā)育演化，從單細胞動物的口溝，到有口無肛門結(jié)構(gòu)，再到有口有肛門完整消化管的出現(xiàn)，內(nèi)胚層器官分化是早期動物演化的主線，消化管的復(fù)雜化導(dǎo)致獲取能量的能力加大，由此引發(fā)從兩胚層的中膠質(zhì)演變?yōu)橹信邔?，出現(xiàn)三胚層動物。這是動物演化的第一階段，這一階段的主要集中于內(nèi)胚層原腸發(fā)育和中胚層內(nèi)臟團發(fā)育，外胚層神經(jīng)器官發(fā)育相對比較弱。

（二）腹索脊索與神經(jīng)系統(tǒng)演化

動物神經(jīng)系統(tǒng)從纖毛，網(wǎng)狀，放射狀，索狀是神經(jīng)系統(tǒng)演化發(fā)育為第一個集約化階段，腹索動物出現(xiàn)是這一演化過程的成功標志，表明從內(nèi)胚層向中胚層外胚層演化的成功，這一演化成功完成了動物消化管獲能力量的增大，但在氣血交換機制上還是不足，為了達到氣血交換結(jié)構(gòu)完善，動物由腹索向脊索動物演化是一種必然的演變過程。

脊索動物胚胎發(fā)育首先從外胚層開始，皮膚呼吸神經(jīng)同源性導(dǎo)致呼吸器官的集約化和神經(jīng)集約化發(fā)育更具優(yōu)勢，由此可以推斷，動物從腹索到脊索的演化是神經(jīng)系統(tǒng)演化為第二階段（見圖4-2-3）。

（三）脊索動物胚胎分化機制

動物從內(nèi)胚層—中胚層演化到外胚層時，就會出現(xiàn)一種由前向后（消化管前攝取后吸收），由腹部向脊部雙向演化的過程，當內(nèi)胚層分化向脊部發(fā)育，在脊索部位積頂隆起，誘導(dǎo)外胚層成神經(jīng)管形成。

脊索和神經(jīng)管結(jié)構(gòu)的形成，使三胚層分化支產(chǎn)生重新的耦合模式，外胚層體表呼吸功能退化集中到頭部出現(xiàn)原始的呼吸器官口塞裂，氧氣的進入就呈現(xiàn)出從前部向后部分布的規(guī)律，也導(dǎo)致呼吸器官逐漸從口腮裂，向呼吸腮演變，這一胚胎分化模式一旦被胚胎預(yù)定后，就出現(xiàn)了背索動物的胚胎發(fā)育模式。

從背索動物開始，胚胎發(fā)育出現(xiàn)先外胚層器官發(fā)育，后中胚層器官發(fā)育，最后內(nèi)胚層器官發(fā)育的矢量順序，雖然脊索還不是真正的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)，屬于一種近似骨骼的軟骨組織，但是這一發(fā)生發(fā)育機制可以稱為動物向脊椎動物演化的基礎(chǔ)。（見圖4-2-4 ）

第三節(jié)：脊椎胚胎發(fā)生與內(nèi)骨骼發(fā)育

（一）預(yù)定神經(jīng)胚

高等脊椎動物在胚胎發(fā)育胚盤期，胚體背側(cè)兩側(cè)部位向背部中線升起、靠攏并愈合在一起，形成一個中空的管狀結(jié)構(gòu)，與此同時，管的頂部細胞脫離外胚層，兩側(cè)的外胚層細胞重新融合在一起，形成一個完整的外胚層，稱為神經(jīng)嵴。（見圖4-2-5 ）

從出現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)原基的神經(jīng)板時期開始，到神經(jīng)板閉合變成神經(jīng)管期的胚胎而言，這一時期外胚層分化為神經(jīng)板及表皮區(qū)，在神經(jīng)板之下的為頭腸、前索板、脊索原基、預(yù)定體節(jié)的位置；多數(shù)情況下，表皮區(qū)的外胚層被側(cè)板的體壁中胚層反包著。主要器官原基在各胚層已開始出現(xiàn)，但組織分化尚未開始。這一機制稱之為預(yù)定神經(jīng)胚。（見圖4-2-6）。

（二）脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生機制

1. 脊索誘導(dǎo)與中樞神經(jīng)演化

從動物比較發(fā)育學(xué)角度看，脊索動物的脊索出現(xiàn)是延續(xù)低等動物的演化線路，動物的胚胎演化遵循單細胞-兩胚層-三胚層這樣的順序演化路線，而在這一演化過程中產(chǎn)生兩種細胞誘導(dǎo)機制：原腸誘導(dǎo)和脊索誘導(dǎo)。

原腸誘導(dǎo)是低等動物胚胎發(fā)育模式，從單細胞動物的口溝，到兩胚層動物的半消化管結(jié)構(gòu)，再到三胚層動物的完全消化管結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育器官圍繞在消化管周圍，外胚層神經(jīng)細胞遷移也集中到腹部形成腹索動物結(jié)構(gòu)。

脊索誘導(dǎo)是高等動物的胚胎發(fā)育模式，內(nèi)胚層發(fā)育出脊索結(jié)構(gòu)，首先誘導(dǎo)中胚層分化到達脊索附近，隨后外胚層神經(jīng)細胞向內(nèi)遷移，這就是脊索動物，這一機制導(dǎo)致脊索動物在胚胎期產(chǎn)生獨有的組織器官發(fā)育順序：

脊索動物形成的脊索是身體背部起支持作用的棒狀結(jié)構(gòu)，位于消化道背面、背神經(jīng)管腹面。在發(fā)生機制上來自胚胎的原腸背壁，后與原腸脫離形成，脊索屬于內(nèi)胚層結(jié)構(gòu)，說明內(nèi)胚層器官分化運動已經(jīng)到達外胚層位置出現(xiàn)了脊索結(jié)構(gòu)；當內(nèi)胚層到外胚層位置時，中胚層也隨之到達，在以后的演化過程中中胚層替代了脊索，也就是軸中胚層的出現(xiàn)，隨之又分化出軸旁中胚層，也就是脊椎動物的胚胎發(fā)育模式出現(xiàn)。

脊索動物內(nèi)胚層脊索分化支到達背側(cè)位置將外胚層頂起，神經(jīng)管就會被頂出凸起形態(tài)，這一發(fā)育結(jié)構(gòu)就會使神經(jīng)系統(tǒng)遠離體腔，這是一種非常不合理結(jié)構(gòu)模式，這就是像文昌魚這樣的脊索動物不能再向高級演化的原因所在；而到脊椎動物洽洽相反，反而出現(xiàn)了凹型結(jié)構(gòu)，將神經(jīng)纖維凹陷到體內(nèi)，更便于胚層的分化耦合，因此，人們知道脊索誘導(dǎo)是動物界腹索神經(jīng)模式向背索神經(jīng)模式轉(zhuǎn)化的中間過度模式，雖然這一發(fā)育發(fā)生模式相對脊椎動物來說還相當落后，但是誘導(dǎo)的結(jié)果產(chǎn)生了背部中樞神經(jīng)結(jié)構(gòu)，為后期高級脊椎動物的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2. 皮膚誘導(dǎo)與器官演變

動物脊索的出現(xiàn)使外胚層器官發(fā)育集中到背部呈現(xiàn)出脊神經(jīng)結(jié)構(gòu)，這一發(fā)育機制導(dǎo)致胚胎皮膚神經(jīng)同源異構(gòu)現(xiàn)象出現(xiàn)，神經(jīng)管前部形成腦，后部形成尾部神經(jīng)，中間形成脊神經(jīng)，也就是脊索動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)形成。

而與神經(jīng)同源的皮膚呼吸功能開始退化，向具備呼吸功能的口腮裂發(fā)展，使得呼吸功能轉(zhuǎn)移到內(nèi)胚層分化支，也就是后來脊椎動物內(nèi)胚層肺分化支的出現(xiàn)；退化的皮膚逐漸形成周圍神經(jīng)系統(tǒng)，為后期高等脊椎動物的附肢結(jié)構(gòu)出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

由此可知，脊索誘導(dǎo)和皮膚誘導(dǎo)在動物演化史上非常關(guān)鍵，是動物界向高等脊椎動物腦髓組織器官發(fā)育的基礎(chǔ)。（見圖4-2-7）

（三）內(nèi)骨骼演化與細胞遷移

細胞遷移，也稱為細胞爬行、細胞移動或細胞運動，是指細胞在接收到遷移信號或感受到某些物質(zhì)的梯度后而產(chǎn)生的移動。細胞遷移為細胞頭部偽足的延伸、新的黏附建立、細胞體尾部收縮在時空上的交替過程。（見圖4-2-8）

細胞遷移是正常細胞的基本功能之一，是機體正常生長發(fā)育的生理過程，也是活細胞普遍存在的一種運動形式。胚胎發(fā)育、血管生成、傷口愈合、免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、動脈粥樣硬化、癌癥轉(zhuǎn)移等過程中都涉及細胞遷移。

細胞遷移的過程大致分為4步：

①胞前端伸出片狀偽足；

②細胞前端偽足和細胞外基質(zhì)形成新的細胞黏附；

③細胞體收縮；

④細胞尾端和周圍基質(zhì)黏著解離，細胞向前運動。

細胞遷移需要胞外、胞內(nèi)信號分子調(diào)控細胞骨架動力裝置所給予的驅(qū)動力與移動蛋白細胞骨架介導(dǎo)的黏附所提供的錨定力之間的協(xié)調(diào)運作。多項研究表明，黏著斑、黏著斑激酶、整合素及Rho家族蛋白等在調(diào)控細胞遷移中發(fā)揮著重要作用。

無脊椎動物如海膽的原腸胚形成過程，即從囊胚到原腸胚的細胞遷移過程。開始時囊胚是由約1000個細胞組成的球狀中空結(jié)構(gòu)，球腔即為囊胚腔，球壁由單層細胞組成，植物極（可以看作是日后海膽身體的尾部）上皮比較厚，出現(xiàn)細胞內(nèi)陷的傾向。然后一些間充質(zhì)細胞開始游離植物極上皮，并在囊胚腔內(nèi)爬行。而植物極上皮也開始向內(nèi)折疊，上皮外圍的細胞會向囊胚腔伸出絲狀偽足，幫助上皮向動物極（可以看作為海膽日后的頭部）移動并最終與囊胚腔另一端接合。上皮內(nèi)陷折疊時，留下的空隙會成為日后的腸道，上皮與囊胚壁接觸之處則是日后海膽的口部。

脊椎動物的神經(jīng)嵴細胞，在胚胎期會不斷從背側(cè)向腹側(cè)移行。其中一部分移行于外胚層下方，將來會分化為色素細胞，而那些行走的稍深一點的細胞，會形成后來交感神經(jīng)的神經(jīng)節(jié)細胞，腎上腺髓質(zhì)。而頸部和骶部的神經(jīng)嵴細胞則會沿著身體縱軸移到腸壁，就是說日后的組織腸神經(jīng)叢，神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元，腎上腺的嗜鉻細胞都是由神經(jīng)嵴細胞遷移分化得出的。

1. 中胚層誘導(dǎo)與神經(jīng)管出現(xiàn)

脊椎動物演化與中胚層演化關(guān)系非常密切，依此漸進出現(xiàn)軸旁中胚層，間介中胚層，側(cè)中胚層。

首先是軸中胚層形成脊椎，之后是軸旁中胚層，這兩條中胚層分化支由腹側(cè)向背側(cè)接近外胚層，誘導(dǎo)外胚層細胞遷移出現(xiàn)了不同的結(jié)構(gòu)和功能：神經(jīng)板細胞和神經(jīng)嵴細胞在軸旁中胚層的上頂運動下，出現(xiàn)神經(jīng)嵴上褶，對靠運動，將神經(jīng)板細胞積壓凹陷形成神經(jīng)嵴溝，隨著這種凹陷，對靠運動，兩側(cè)神經(jīng)嵴對接愈合，皮表外胚層也對接愈合，神經(jīng)板內(nèi)卷形成神經(jīng)管，這種結(jié)構(gòu)對于動物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育非常合理，可以保證中樞神經(jīng)系統(tǒng)能夠在獨立封閉安全空腔內(nèi)發(fā)育。

2. 神經(jīng)嵴誘導(dǎo)和內(nèi)骨骼的復(fù)雜化

當神經(jīng)管形成和皮膚外胚層愈合后，神經(jīng)板形成的神經(jīng)組織自腦部向尾部發(fā)育，而神經(jīng)嵴細胞開始一種新的細胞遷移運動，從神經(jīng)管背側(cè)部與皮膚連接處遷移出來，一部分停留在靠近脊髓處并分段形成脊神經(jīng)節(jié)，另一部分則廣泛移行分布于全身，發(fā)育成外周神經(jīng)。

在這種神經(jīng)細胞遷移運動的同時，也引發(fā)中胚層分化支的細胞遷移運動，原來的低等動物是從內(nèi)胚層向中胚層最后到外胚層的器官演化方向；而到神經(jīng)嵴結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，動物界系統(tǒng)演化出現(xiàn)了一種相反的演化方向，從外胚層—中胚層—內(nèi)胚層演化的路線。

神經(jīng)嵴細胞遷移是節(jié)律的發(fā)育過程，節(jié)律的作用將軸中胚層，軸旁中胚層分割為片狀小塊，也就是內(nèi)骨骼脊椎結(jié)構(gòu)的形成，神經(jīng)脊細胞通過片狀內(nèi)骨骼中間的空隙向內(nèi)遷移，也即是馬尾狀神經(jīng)結(jié)構(gòu)的形成機理，內(nèi)骨骼之間的間隙就是脊椎神經(jīng)孔（椎管）結(jié)構(gòu)。

神經(jīng)嵴誘導(dǎo)下形成的脊椎管和脊椎孔也就是內(nèi)骨骼復(fù)雜化結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)將主要核心神經(jīng)纖維包裹在堅硬的內(nèi)骨骼中間，起到很大的保護作用，動物的活性和適應(yīng)能力大大增強，因此，內(nèi)骨骼的復(fù)雜化是動物向高等動物進化的另一標志。

3. 神經(jīng)嵴細胞遷移的方向

當我們知道神經(jīng)嵴誘導(dǎo)機制時，就知道了脊椎動物骨骼系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的演化方向。

（1）背側(cè)部途徑：

脊椎動物的神經(jīng)嵴細胞，在胚胎期會不斷從背側(cè)向腹側(cè)移行。其中一部分移行于外胚層下方，將來會分化為色素細胞。

（2）腹側(cè)部途徑：

遷移行走稍深一點的細胞，會形成后來交感神經(jīng)的神經(jīng)節(jié)細胞，腎上腺髓質(zhì)。而頸部和骶部的神經(jīng)嵴細胞遷移到腸壁。就是日后的組織腸神經(jīng)叢，神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元，腎上腺的嗜鉻細胞。

在神經(jīng)嵴細胞遷移過程中，間充質(zhì)中胚層首先發(fā)育形成肌肉組織，隨后間介中胚層，臟壁中胚層開始分化形成體液循環(huán)結(jié)構(gòu)，在胚胎內(nèi)卷過程中體壁中胚層開始分化將胚胎內(nèi)卷成中空筒狀模式，體壁中胚層稱為作為體腔內(nèi)骨骼形成體腔的支撐骨干，原始的脊椎動物形態(tài)出現(xiàn)。（見圖4-2-9 ）