Vertebratenentwicklung

Einleitung

Nachdem im letzten Praktikum die Embryonalentwicklung bis zum Stadium der Gastrula besprochen wurde, sollte in diesem Kurs anhand der Entwicklung von Hühnerembryonen die weitere Differenzierung bis zur Ausprägung der wichtigsten Organe betrachtet werden.

Hühnereier sind extrem dotterreich, die Furchungsteilungen verlaufen daher anders als bei den bisher betrachteten Seeigel- oder Amphibienkeimen. Eine komplette Durchfurchung des Dotters ist nicht möglich, die Keimzellen teilen sich daher nur an einer Stelle am Rand des Dotters. Man bezeichnet dies als partiell discoidale Furchung. Durch die Furchungsteilungen bildet sich eine Keimscheibe aus, die das Blastulastadium des Embryos darstellt. Das Innere der Keimscheibe bezeichnet man als Area pellucida. Die dunkler erscheinende Randzone, die Area opaca, vergrößert sich durch weitere Teilungen in alle Richtungen.

Bei der Eiablage sind durch Furchungsteilungen schon etwa 60.000 undifferenzierte Zellen entstanden, der Keim steht kurz davor, Gewebeschichten auszubilden.
Die primäre Gewebeschicht ist das Epiblast. Durch Delamination, also dem Auswandern von Zellen aus dem Epiblast, entsteht das Hypoblast und dazwischen sogenannte Tropfenzellen. Man kann in diesem Stadium noch nicht von Keimblättern sprechen, da die Zellen weiterhin wandern und den Dotter umwachsen. Diese Zellen liegen später nicht im Embryo.

Durch die Zellbewegungen während der Delamination kommt es an einer Stelle der Keimscheibe zu einer Aufwölbung der äußeren Zellschicht. Es entsteht eine Furche, der Primitivstreifen, an dem die Zellen des Epiblasts in eine tiefere Zellschicht absinken. Dieser Vorgang ist von seinem mechanischem Ablauf der Ausbildung der Urmundlippe bzw. des Urmundes bei der Amphibiengastrulation sehr ähnlich. Da der Keim jedoch scheibenförmig ist, und schon aus mehreren Gewebeschichten besteht, findet keine echte Invagination statt.

Den beiden Vorgängen gemeinsam ist die Festlegung der Körperachse. Der Primitivstreifen bildet sich zuerst am späteren Kopfende aus und verlängert sich von dort nach caudal. Der craniale Teil des Embryos ist während der Entwicklung am weitesten fortgeschritten, der caudale Teil bleibt immer etwas zurück.
Bei Vertebraten, die eine "echte" Gastrulation durchmachen, macht der Urmund den caudalen Teil des Tieres aus und bildet schließlich den After.

Man kann nach Ausbildung des Primitivstreifens von echten Keimblättern sprechen, das Epiblast wird zum Ektoderm, das Hypoblast zum Entoderm und die Tropfenzellen bilden ebenfalls eine Gewebeschicht aus: das Mesoderm. Dies wächst weiter seitwärts, sowie cranial und caudal aus.

24 Stunden nach der Eiablage beginnt eine zweite Abfaltung im Ektoderm: die Neurulation. Durch Verschmelzung der beiden entstehenden ektodermalen Falten entsteht das Neuralrohr. Neben dem Nervengewebe bildet sich auch das äußere Epithel aus dem Ektoderm.
Das Mesoderm formt während der Neurulation die Chorda dorsalis, die ventral des Neuralrohres liegt, und bildet die Somiten und das Seitenplattenmesoderm aus.
Aus den Somiten bildet sich im weiteren Verlauf das Dermatom (Dermis), das Myotom (Rumpf- und Extremitätenmuskulatur) sowie Sklerotom (Skelett, Bindegewebe allgemein). Das Seitenplattenmesoderm differenziert sich zu Somatopleura und Splanchnopleura.

Der Hohlraum, der sich bei der Entwicklung des Seitenplattenmesoderms zwischen dem parietalen (außen) und dem visceralen Blatt (innen) ausbildet, wird als Coelom bezeichnet. Man kann zwischen intra- und extraembryonalen Coelom unterscheiden, die sich später auch voneinander trennen.

Das Entoderm ist noch größtenteils undifferenziert, umwächst aber, wie die beiden anderen Keimblätter auch, weiterhin den Dotter. Hat es den Dotter ganz umschlossen, bezeichnet man dies als Dottersack. In der weiteren Entwicklung faltet sich vom dorsalen Teil des Dottersackes das Darmrohr ab.

Die vom Ektoderm und dem parietalem Blatt des Mesoderms gebildete äußere Hülle wird als Chorion bzw. Serosa bezeichnet. Um den Bereich der Embryonalanlage beginnt nun eine Abfaltung des Chorions, das die sogenannten Amnionfalten aufwirft. Die Falten schließen sich und bilden so einen Hohlraum, die Amnionhöhle, aus. Innerhalb dieses geschützten, flüssigkeitsgefüllten Raumes findet die weitere Entwicklung des Embryos statt.

Neben dem Dottersack bildet sich ein weiteres Organ aus, das der Versorgung des Embryos dient. Die Allantois entsteht als eine Ausstülpung des embryonalen Darmes. Die Allantois nimmt zunächst die Stoffwechselprodukte des Embryos auf und unterstützt nach ihrer Verbindung mit der Serosa deren Aufgabe, den Embryo mit Nahrung zu versorgen.
Die Versorgung des sehr schnell wachsenden Embryos ist damit gewährleistet. Innerhalb der ersten vier Tage werden die Anlagen für die wichtigsten Organe ausgebildet, ebenso wie die Ansätze der Extremitäten. Das im Praktikum untersuchte Ei war vier Tage bebrütet worden, befand sich also in diesem Entwicklungsstadium.

Schon nach sieben Tagen sind Federn zu erkennen, und nach nur 21 Tagen ist das Küken bereit zu schlüpfen.

Material und Methoden

Um den Embryo betrachten zu können, muß ein Loch (ca. 1,5 x 2 cm) in die Schale des vier Tage bebrüteten Eis geschnitten werden. Ein Hühnerembryo entwickelt sich immer an der oben liegenden Stelle des Dotters; wenn das Ei während des Bebrütens nicht gewendet wird, weiß man, an welcher Stelle man schneiden muß.

Um ein Überlaufen des Eiweißes zu verhindern, werden zuvor mittels einer Kanüle und einer Spritze im stumpfen Ende des Eis ca. 4 ml Eiweiß abgesaugt. Der Einstich muß in einem steilen Winkel erfolgen, damit das Eigelb nicht verletzt wird.

Um das Schneiden zu erleichtern, und um zu verhindern, daß Bruchstücke aus der Schale auf den Embryo fallen, werden mehrere Streifen Tesafilm auf die Eierschale geklebt. Dann wird mit einer spitzen Schere im abgeklebten Bereich die Schale vorsichtig eingestochen und das Ei aufgeschnitten.

Der nun freigelegte Embryo wird unter der Stereolupe betrachtet und eine Übersichtszeichnung des Blutgefäßsystems erstellt.

Der Embryo wird nun mit schwarzer Tusche unterlegt, um eine kontrastreichere Darstellung zu bekommen. Dazu wird mit einer sehr feinen Pipette flach in das Eigelb gestochen und die Tusche knapp unter den Embryo injiziert. Dies ermöglicht eine Detailzeichnung der Organe des Embryos.

Das Eigelb ist von einer Gallertschicht umgeben, und der Embryo liegt innerhalb des Amnions. Durch das Freipräparieren des Embryos mittels einer sehr feinen Pinzette und seiner Entnahme aus dem Ei wird ein freier Blick auf den Embryo ermöglicht, und die Detailzeichnung kann um weitere Einzelheiten ergänzt werden.

Beobachtung

Nach Öffnen der Schale war der Embryo, der innerhalb einer von feinen Adern durchzogenen Platte (Area pellucida) auf dem Eigelb lag, gut sichtbar. Der Embryo hatte eine Länge von 8 mm, der von Adern durchzogene Bereich einen Durchmesser von etwa 4 cm. Mit bloßem Auge sichtbar war das schlagende Herz des Embryos (Frequenz: 50/min), sowie der Kopf. Unter der Stereolupe war eine fein untergliederte Struktur im dorsalen Teil des Embryos zu erkennen, die sich über 2/3 des Tieres im caudalen Bereich erstreckte.

Nach dem Unterlegen des Embryos mit Tusche waren Details zu erkennen. Sichtbar waren das Herz und einige Gefäße, die Augen- und Ohrenanlage, die Kiemenbögen, das Neuralrohr und die Somiten. Das Amnion, bzw. die Amnionhöhle erschien als durchscheinende Schicht um den Embryo. Sehr schlecht zu erkennen waren die Adern die den Embryo mit dem Dottersack verbinden.

Nach dem Freipräparieren des Embryos war aufgrund des Blutverlustes das Gefäßsystem nicht mehr sichtbar, dafür waren aber einzelne Hirnstrukturen (Telencephalon, Diencephalon, Mesencephalon) zu erkennen, sowie die genaue Form des Herzens und die Anlage der Hinterbeine.

Beim Präparieren wurde die Allantois verletzt. Sie enthielt eine milchig-weiße Flüssigkeit.

Diskussion

Der Embryo war vier Tage nach der Eiablage schon sehr weit entwickelt. Auffällig war, daß Sinnesorgane wie Augen und Ohrgruben und auch das Gehirn weiter ausgeprägt waren als die Extremitäten. Die Neurulation war abgeschlossen und auch das Amnion hatte sich geschlossen.

Die Chorda hatte sich in diesem Stadium schon wieder zurückgebildet und war nicht mehr zu erkennen. Sie hat bei ausgewachsenen Vertebraten keine Bedeutung, die Stützfunktion wird bei diesen von der Wirbelsäule übernommen. Die Ausprägung der Chorda während der Embryonalentwicklung zeigt jedoch die phylogenetische Verwandtschaft mit niederen Chordaten. Die phylogenetische Verwandtschaft mit den Fischen wird durch die Ausbildung des Kiemenbogens deutlich.

Das Herz wies eine deutliche Unterteilung in Atrium und Ventrikel auf, eine Einteilung in Kammern war jedoch noch nicht zu beobachten.

Der beobachtete 4 Tage alte Embryo war ungefähr auf der Entwicklungsstufe eines 4 Wochen alten menschlichen Embryos. Obwohl die Furchungsteilungen beim Menschen total äqual verlaufen, und bei Vögeln partiell discoidal, besteht eine sehr große Ähnlichkeit zwischen den frühen Embryonalstadien nach der Gastrulation.

Der größte Unterschied besteht in der Ernährung des menschlichen Embryos über die Plazenta, die sich aus dem Chorion entwickelt. Dennoch bilden auch die aus dotterarmen Eiern entstehenden menschlichen Embryonen einen Dottersack aus.

Zurück