Frühentwicklung

Einleitung

Thema des Praktikums war die Befruchtung sowie die Keimesentwicklung bis zum Stadium der Gastrula.

Die Befruchtung eines Seeigeleis konnte aus Kostengründen nicht durchgeführt werden und mußte theoretisch besprochen werden. Mikroskopisch untersucht wurden lediglich frisch befruchtete Amphibieneier und Dauerpräparate von verschiedenen Stadien aus der Keimesentwicklung von Seeigeln.

Befruchtung

Der Begriff "Befruchtung" beschreibt die Vorgänge bei der Verschmelzung der Gameten.

Die Spermien werden von den Seeigeleiern chemisch angelockt (Spermotaxis). Das erste Spermium, das die Eizelle berührt, befruchtet es auch.
Dabei muß das Spermium zunächst die Gallerthülle durchdringen. Dazu heftet es sich mit seinem Akrosom an die Gallerthülle, und schüttet die Enzyme des akrosomalen Vesikels aus (Exocytose), die die Hülle lokal verflüssigen. Gleichzeitig bildet das Akrosom eine fadenförmige Verbindung aus globulärem Actin mit der Eirinde aus, die dem Spermium schließlich das Eindringen (Verschmelzen der Zellmembranen) bis zum Mittelteil ermöglicht. Das Schwanzstück wird abgeworfen.

Zur Verhinderung von Polyspermie, die zu Entwicklungsfehlern führen würde, wird von der Eizelle sofort beim Eindringen des ersten Spermiums ein für weitere Spermien undurchdringbarer Block ausgebildet.
In weniger als fünf Sekunden wird die Plasmamembran depolarisiert (von -70mV auf 30mV) und bildet so einen raschen Block gegen Polyspermie aus. Die Depolarisation geht zwar innerhalb einer Minute wieder zurück, induziert aber eine second-messenger-Reaktion, durch die schließlich das intrazellulär gespeicherte Kalzium freigesetzt wird. Dies wiederum löst die Corticalreaktion, einen dauerhaftem Block gegen Polyspermie, aus:
An der Innenseite der Zellmembran befinden sich Corticalgranulae, die durch die erhöhte Ca2+ Konzentration zur Exocytose gebracht werden. An der Außenseite vernetzen sich die Proteine untereinander zu einem für Spermien unduchdringbaren Netzwerk. Erkennbar ist dieser Vorgang an der Abhebung der Befruchtungsmembran, die entsprechend der Ca2+-Ausschüttung in einer Art Welle über die Zelloberfläche verläuft. In weniger als einer Minute ist die Befruchtungsmembran fertig ausgebildet.

Nach dem Eindringen des Spermiums wird aus den Mikrotubuli des Mittelteils ein Centriol gebildet und dieser repliziert; die Mitochondrien des Spermas verkümmern. Nach acht Minuten läuft die Proteinbiosynthese der Eizelle an, die zuvor stark eingeschränkt war.

Der Spermakern bewegt sich auf den Eikern zu und nach ca. 30 Minuten kommt es zur Fusion der Vorkerne, der Kariogamie. Nach weiteren 30 Minuten beginnt die Replikation der DNA (S-Phase), die Zentriolen wandern zu den Polen der Zelle, und die erste Mitose der Zygote kann erfolgen.

Die beschriebene Befruchtung eines Seeigeleis ist, obwohl sie außerhalb des Körpers erfolgt, auch der Befruchtung einer menschlichen Eizelle sehr ähnlich. Menschliche Eizellen besitzen jedoch keine Gallertschicht, sondern sind von einer Corona radiata (eine Zellschicht) und einer Zona pellucida umgeben, die aber auch durch eine Akrosomenreaktion gelöst werden. Menschliche Spermien setzen außerdem bei der Befruchtung keinen Actinfaden mehr frei.
Ein weiterer Unterschied ist das Meiosestadium, in dem sich die Eizelle während der Befruchtung befindet. Beim Menschen ist dies die Metaphase II, der dritte Polkörper wird also erst nach Eindringen des Spermiums ausgebildet.

Furchung

Die ersten Zellteilungen einer Zygote nennt man Furchungen. Der Keim gewinnt dabei nicht an Größe, lediglich die Anzahl der Zellen wird erhöht (1,2,4,8,16,...).
Die Furchungsteilungen verlaufen bei verschiedenen Lebewesen unterschiedlich, abhängig vom Dotterreichtum der Eizelle.
Bei Eizellen mit geringem Dottergehalt, wie etwa beim Seeigel, verlaufen die Furchungsteilungen total und äqual, es bilden sich also jeweils gleich große und völlig voneinander getrennte Zellen.
Eizellen von Amphibien sind recht dotterreich, der Dotter ist jedoch ungleichmäßig in der Zelle verteilt, die höchste Konzentration besteht im vegetativen Teil der Zelle. Die ersten beiden Zellteilungen verlaufen entlang des Meridians (Achse zwischen animalem und vegetativem Pol), es entstehen vier gleiche Zellen. Die nächste Teilung erfolgt äquatorial und läßt zwei Zellkränze entstehen. Am animalen Teil sind die Zellen kleiner (Mikromeren), am vegetativen, also dotterreichen Teil sind die Zellen größer (Mokromeren). Es ist zu einer totalen, aber inäqualen Teilung gekommen.
Bei den Reptilien und Vögeln, die ihre Entwicklung auf dem Land durchlaufen, sind die Eier groß und mit reichlich Nährmaterial (Dotter) versehen. Das Ei furcht nur auf einer eng umgrenzten Stelle der Dotterkugel (partiell diskoidale Furchung).
Die Furchungsteilungen beim Menschen bezeichnet man als sekundär total äqual, da die Eizellen zwar dotterarm sind, aber die Entwicklung nach den Furchungen sehr stark den Vögeln ähnelt.

Xenopus laevis - Furchungsstadien

Im Praktikum sollten Furchungsteilungen anhand von befruchteten Froscheiern mit der Stereolupe beobachtet werden. Von sechs Eiern waren drei unbefruchtet, eines befand sich im 8-Zellen-Stadium und zwei im 32-Zellen-Stadium. Bei den unbefruchteten Eiern waren die Pole nicht zu erkennen, die Pigmentierung erschien überall gleich stark. Es war auch nicht nachvollziehbar, daß es sich um eine inäquale Teilung handelte.

Nach wenigen Minuten veränderte sich die Struktur in den befruchteten Zellen. Im Zentrum der einzelnen Zellen waren dunkle Schatten erkennbar, es kam aber zu keiner weiteren Furchung. Statt dessen schienen sich die schon entstandenen Zellen aufzulösen und miteinander zu verschmelzen. Vermutlich hatten die Keime durch das kühle Lagern einen Schaden genommen.

Morula und Blastula

Die Furchungsteilungen führen zur Bildung eines kugeligen Zellhaufens, der Morula. Dieser formt sich zu einer Hohlkugel um, deren Wand zunächst aus einer Zellschicht besteht. Diese Form wird als Blastula bezeichnet. Der Hohlraum der Kugel heißt Blastocoel, die Wand ist das Blastoderm. Häufig besitzt eine Blastula Cilien, durch die sie rotieren kann. In diesem Stadium beginnt das Wachstum des Keimes.

Im Praktikum war bei der mikroskopischen Untersuchung von Seeigelkeimen (Dauerpräparate) neben Furchungsstadien auch deutlich eine frühe Blastula zu erkennen, allerdings waren keine Cilien sichtbar.

Gastrula

An einer Stelle der kugeligen Blastula kommt es schließlich zu einer Einwölbung (Invagination), die zuerst als Urmundlippe und schließlich als Urmund sichtbar wird. Bei höher entwickelten Lebewesen wie den Vertebraten macht der Urmund den caudalen Teil des Tieres aus und bildet schließlich den After.
Der Vorgang der Urmundbildung wird durch die Zellen im animalen Teil des Keimes ausgelöst, die sich sehr schnell teilen und damit die Zellen des vegetativen Teil in das Innere der Kugel drängen.
Der Urmund hat bei der weiteren Entwicklung eine Organisatorfunktion, anhand seiner Lage werden die Körperachsen des Embryos festgelegt.
Durch die Gastrulation bilden sich Ektoderm (Außenschicht) und Entoderm aus. Auf dem Dach des entodermalen Urdarms bilden sich schließlich Zellen des dritten Keimblattes, des Mesoderms, aus. Sie gehen aus Zellen der Randzone zwischen der animalen und vegetativen Zone hervor.

Die Gastrulation kann abhängig von der Art der Furchungsteilungen unterschiedlich verlaufen, das Prinzip ist jedoch gleich, und am Ende steht immer die Ausbildung der drei Keimblätter, die sich in der weiteren Entwicklung zu verschiedenen Organen differenzieren.

Ektoderm zentrales und peripheres Nervensystem, Sinnesorgane, Epidermis der Haut, Haare, Nägel
Mesoderm Knochen, Knorpel, Muskulatur, Herz, Blut, Blutgefäßsystem, Lymphsystem, Nieren, innere Sexualorgane
Entoderm Magen, Darm, Leber, Pankreas, Lunge, Harnblase

Entwicklung von Herz und Blutkreislauf

Ein weiteres Thema des Praktikums war die Entwicklung des Blutkreislaufs und des Herzens .

Am Beispiel einer lebenden Kaulquappe des Ochsenfrosches Xenopus laevis wurde unter dem Mikroskop ein recht einfaches Herz untersucht. Amphibienlarven atmen über Kiemen, die ausgewachsenen Tiere nicht mehr. Die Tiere waren annähernd durchsichtig, so daß man das schlagende Herz und die Strömungsrichtung des Blutes gut beobachten konnte, wenn sich die Tiere in Rückenlage befanden.

Das Herz erschien schlauchförmig, war jedoch gebogen und man konnte Atrium und Ventrikel unterscheiden, die nacheinander kontrahierten. Die sechs Kiemenbögen waren bei der Vielzahl der sichtbaren Adern nicht klar zu erkennen.

In der frühen menschlichen Embryonalentwicklung gibt es eine Phase, in der das Herz und das Blutkreislaufsystem in ihrer Organisation sehr stark dem Larvenstadium der Amphibien gleichen. Deutlich wird dies vor allem an den Kiemenbogenarterien, die sich im weiteren Verlauf zu großen Gefäßen entwickeln, und der Einfaltung des Herzschlauchs.
Die komplizierte Ausbildung des menschlichen Herzens und des Gefäßsystems während der Embryonalentwicklung spiegelt die Phylogenese des Menschen wieder. Nicht nur das primitive schlauchförmige Herz, sondern auch verschiedene weitere durchlaufene Stadien lassen sich bei anderen Lebewesen wiederfinden. Ausgewachsene Amphibien bilden z.B. ein Vorhofseptum aus, bei Vögeln zieht das Septum auch durch die Ventrikel, und beim Menschen trennt es schließlich die beiden Kammern völlig voneinander.

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