人类胚胎发育过程是生命演化历程的重现吗？

从左到右依次是鱼，蝾螈，乌龟，鸡，猪，牛，兔子和人类处于不同发育阶段的胚胎。

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对于生物学相关的学者来说，尤其是耕耘在生命演化和发育生物学领域中的研究人员，对上面这幅在1874年恩斯特·海克尔发表的《The Descent of Man》第一版手绘插图肯定不会陌生。恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel，1834–1919）出生在德国东部勃兰登堡州首府波茨坦，是一名博物学家、进化论者。他的一生提出过许多理论，而其中影响最为广泛，同时也最具有争议的，是1866年提出的生物发生律，也称作重演律。该理论讲的是生物发展史可以分为两个相互密切联系的部分，即个体发育和系统发展，也就是个体的发育历史和由同一起源所产生的生物群的发展历史，个体发育史是系统发展史的简单而迅速的重演。听着似乎有点绕口，但简单来讲就是个体发育重演系统发育。该理论曾被认为是一场彻头彻尾的骗局而饱受争议，但他所提出的不同物种胚胎发育过程所具有的相似性是一个无可辩驳的事实。

 

 
恩斯特·海克尔

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人类胚胎发育过程

一个人出生前九个月的历史，可能比之后的七十年更有趣。  ——塞缪尔·泰勒·柯尔律治

英国浪漫主义诗人柯勒律治的这句诗表达了每个人都曾有的疑问：一个全新的人是如何从无到有出现的？

 

 
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1. 受精

如果精子与卵子结合，就会产生受精。排列在输卵管内的细小纤毛会推动受精卵进入子宫。在受精卵沿着输卵管向下进入子宫的过程中，细胞会反复分裂，并在3到5天内进入子宫。在母体子宫里，细胞继续分裂，形成一个空心的球状细胞群，称为囊胚。

如果不止一个卵子被释放并受精，那么有可能会孕育双胞胎。因为每个卵子和每个精子中的遗传物质略有不同，所以每个受精卵都是不同的。由此产生的双胞胎就是异卵双胞胎。同卵双胞胎是一个受精卵开始分裂后分裂成两个胚胎的结果，因为是由同一个卵子和精子受精而来，所以两个胚胎的遗传物质是相同的。

 
2. 囊胚期发育 

受精后约6天，囊胚植入子宫壁并附着在子宫内膜上，通常靠近顶部，并在随后第9天或第10天完成植入过程。囊胚的细胞壁通常只有一个细胞厚，只有靠近子宫的地方有三到四个细胞厚。增厚区内膜细胞发育为胚胎，外层细胞深入子宫壁发育为胎盘。此时胎盘会产生几种有助于维持妊娠的激素。例如，胎盘产生人绒毛膜促性腺激素，它将阻止卵巢释放卵子，并刺激卵巢持续产生雌激素和孕激素。胎盘还将氧气和营养物质从母亲传递给胎儿，将废物从胎儿传递给母亲。胎盘中的一些细胞在囊胚周围发育成一层外层膜(绒毛膜)。其他细胞发育成内层膜(羊膜)，并后续形成羊膜囊。当羊膜囊形成时(大约10-12天)，囊胚被认为是一个胚胎。羊膜囊内充满了一种透明的液体（羊水），膨胀并包围着漂浮在其中的发育中的胚胎。

 

3. 胚胎发育 

囊胚发育的下一个阶段是胚胎，它在羊膜囊内发育，位于子宫一侧的内膜下。这一阶段的特点是胚胎大多数内部器官和外部身体结构开始形成。大多数器官在受精后3周左右开始发育，这相当于怀孕5周(因为医生是从妇女末次月经的第一天开始确定怀孕日期，通常是在受精前2周)。在这个时候，胚胎会伸长并显示出人类的形状。此后不久，大脑和脊髓(神经管)的区域开始发育。心脏和主要血管也在大约第16天左右发育。在第20天，心脏开始通过血管输送液体，第一批红细胞也将在第二天出现。血管在胚胎和胎盘中继续发育。

几乎所有的器官在受精后10周左右(相当于怀孕12周)就完全形成了。但是大脑，脊髓和肺除外，它们在整个怀孕期间继续形成和发展。大多数畸形胎儿(出生缺陷)发生在器官形成的时期。在此期间，胚胎最容易受到药物、辐射和病毒等的影响。

 

4. 胎儿发育 

在受精后第8周(怀孕10周)结束时胚胎被认为是胎儿，此时胎儿尾巴消失，指纹开始形成，骨细胞开始替换软骨组织（平均身长3.2cm,重约35g）。受精后第10周胎儿出现无规则移动，大约在这个时候甲状腺中开始浓缩碘并产生甲状腺激素，胰腺开始分泌胰岛素，肾脏开始分泌尿液（平均身长5.4cm,重约58g）。受精后第十二周所有的主要器官都已经形成，但它们还没有发育完全，因此胎儿无法在子宫外存活。此时性别也能够开始看出来（平均身长6.7cm,重约73g）。受精后第15周到16周，头发和耳朵开始形成，此时胎儿能够对外界声音刺激做出反应。大约16到24周孕妇可以感觉到胎儿在移动。有怀孕史的女性通常比第一次怀孕的女性提前两周感觉到胎动。胎儿可以对发生在母亲周围的声音做出反应，同时眼睑可以打开和关闭。此时胎儿有机会在子宫外存活。此后肺继续发育，直到临近分娩（受精后38周左右，平均身长50cm,重约3400g）发育成熟。在怀孕期间和出生后的第一年，大脑会持续产生并积累新的细胞。

 

胚胎发育沙漏模型

一个高等生物的构建过程不是一蹴而就的，先从基础的单细胞开始，在生命最基本的结构上添砖加瓦，从受精卵到三胚层，再分化成各个组织与器官。即使现在的人类和原始的单细胞生物看起来完全不同，但几乎地球上所有的生命都共享一套密码子和能量传递方式。生命以这种方式诞生，是因为遗传本质所决定。

2010年，供职于法国马赛研究所的Prud'homme和Gompel对种系特征性发育阶段（phylotypic stage）做了深入研究。种系特征性发育阶段是指胚胎发育的一个特殊时期，这个时候不同物种的胚胎发育呈现出高度的相似性。他们在前人研究基础上，提出了基因组上相对古老的基因会在胚胎发育中期表达，且在不同物种之间基因表达的差异最小。而新出现的基因更喜欢在胚胎发育的初期和末尾表达，同时基因表达的差异最大。这种中间小两头宽的造型酷似沙漏，因此称作沙漏模型。时隔近一个多世纪，人们对海克尔老爷子的理论再次进行了更深入的补充和解读。 
 

图右胚胎从左到右分别是斑马鱼、小鸡和老鼠。

图片来源： Prud'homme & Nicolas Gompel et al., 2010, Nature

 

 

胚胎发育重编程

近年来随着测序技术的发展，人们开始能够捕获少量细胞乃至单个细胞中的表观遗传信息。表观遗传（epigenetics）最早由Waddington提出, 指的是由非DNA序列改变而引起的可遗传的基因表达或表型变化，主要类型包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质开放状态、染色质高级结构以及非编码RNA等。哺乳动物配子发生以及早期胚胎发育过程伴随着很多表观遗传修饰。例如,在受精后以合子基因组激活为标志,转录组需经过剧烈的重编程以完成母源向合子的转变，而这一过程受到表观信息的抹除和重建所调控。

虽然人们发现不同物种的胚胎发育有着极为相似的历程，但通过对脊椎动物早起胚胎发育过程的表观遗传研究，已经证实生命遗传信息的继承和重编程在不同物种之间存在着很大差异。例如，在DNA甲基化的重编程过程中，斑马鱼与哺乳动物实行了完全不同的策略。斑马鱼精子中的甲基化图谱在早期胚胎发育过程中被保留，而母源DNA甲基化图谱从16细胞期开始，伴随着细胞分裂被逐渐丢弃，同时逐步重编程为父本的甲基化图谱，到MBT时期（囊胚中期，约1000个细胞）胚胎逐渐呈现出与精子类似的甲基化图谱。因此斑马鱼的早期胚胎不仅继承了父本的基因组，也继承了精子的甲基化图谱。而在小鼠等哺乳动物的早期胚胎发育过程中，则会发生一轮全基因组范围的去甲基化过程。在此过程中，父源基因组以及至少相当一部分母源基因组会以主动去甲基化的方式来实现甲基化标记的去除，这与斑马鱼通过细胞分裂的方式被动稀释有着很大的不同（由于某种原因无法维持DNA新链上的甲基化，基因组中的甲基化会随着DNA复制和细胞分裂不断被“稀释”，这一过程称为被动去甲基化）。
 
 

 

斑马鱼和小鼠早期胚胎发育过程中父源及母源基因组DNA甲基化重编程

图片来源：DOI: 10.13376/j.cbls/2017137

 

总结

生命如何起源是生命科学研究的基本问题之一。从个体角度来讲，配子发生及受精卵形成之后，基因组的表观遗传信息如何重新建立，亲代的表观遗传信息能否传递给子代。从物种演化的角度看，不同物种的表观遗传是否有着相似的模式，这种相似的背后是否是演化遗留在所有生命中的足迹。另外相比较于其它脊椎动物，如斑马鱼，哺乳动物的早起胚胎发育为何经历特有的去甲基化及再甲基化过程？合子基因组又是如何重新被激活？是什么因素决定了细胞发育成不同的组织器官？对于这些问题的深入研究，不仅能为人类胎儿疾病的发生提供重要的理论指导，也将为人们了解胚胎发育和生命演化之间的关系提供新的见解。

 

参考文章

1.https://songshuhui.blog.caixin.com/archives/16879

 

2.https://perinatology.com/Reference/Fetal%20development.htm

 

3.https://www.msdmanuals.com/home/women-s-health-issues/normal-pregnancy/stages-of-development-of-the-fetus

 

4.https://www.nature.com/articles/468768a

 

5.http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SMKX201710016.htm