實驗胚胎學

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實驗胚胎學(experimental embryology),用實驗方法干擾胚胎,研究胚胎的各部分在發育中的相互作用,從而探討胚胎髮育中的因果關係的胚胎學分支學科。
  起源和發展  胚胎學從描述發育中的胚胎的形態,發展到探討發育的原因,進而產生出實驗胚胎學。這之間有一段相當長的孕育過程。敘述性的胚胎學雖然積累了大量的描述胚胎髮育的資料,但是對於在胚胎學研究的早期就提出的問題:為什麼會由一個相當簡單的卵子,發育出一個完美無缺的個體,並沒有給出正確的解答。由於受當時思潮的影響只能用先成論漸成論解釋個體發育的原因(見胚胎學)。這兩種學說,或是從唯心論出發,或是從機械唯物論出發,都是使胚胎髮育去湊合哲學觀點。它們以這種或那種形式此起彼落交替地統治著人們的思想,阻礙了胚胎學的發展。這種情況一直延續到19世紀末期。在這之前,雖然有過К.M.貝爾這樣的、第一個從胚胎學的事實和現象出發,而不是從概念出發的胚胎學家,但當時未能沿著他的方向發展下去。
  實驗胚胎學在19世紀末期的產生,可以說是由於重新著手研究漸成論和先成論的問題。在這方面A.魏斯曼起了間接作用。A.魏斯曼從遺傳的角度考慮,提出種質學說,認為在個體發育中,細胞核的分裂是不均等的,細胞核物質的分布是不等質的。這是在新形式下復活的典型的先成論。W.魯到A.魏斯曼的影響,並且認為這是可以用實驗證明的。1887年他在蛙卵的二細胞時期殺死一個分裂球,發現剩下的一個分裂球發育成半個胚胎──胚胎一側。他認為這證明了胚胎細胞核的不均等分裂,剩下來的分裂球的發育是自主分化,儘管這個實驗是有缺點的,但卻開創了實驗胚胎學之先河。
  W.魯的貢獻在於他使胚胎成為可以用精確的實驗方法研究的對象,找到一個簡單的、近代的研究途徑,而且他還提出因果分析的宗旨,為實驗胚胎學制定了整套的研究規劃。
  W.魯把他建立的學科稱為發育機制學。 機制(me-chanik)一詞雖來自康德哲學,但不是狹義的物理學上的力學概念而是廣義地理解為事物的前因後果,強調發育中的因果關係。他認為,這一學科是研究產生有機體形態的原因和因素,以及這些因素如何起作用和作用的強弱。這一學科又可分為:①個體發育機制學,包括單個有機體的發育、維持和退化以及親代性徵的遺傳;②系統發育機制學,研究種系發生史上產生出生物界各門類的原因。由此可見,在W.魯的規劃中,既包括發育也包括遺傳,既包括個體發育,也包括系統發育。
  後來人們覺得這名詞容易產生過分機械的錯覺,而且也無法精確地翻譯成其他國家的文字,因而往往用實驗動物學、發育生理學、實驗胚胎學來代替,這些名詞幾乎都成了同義語。但是實驗動物學顯然不合適,因為這是一個與敘述性動物學相對應的名詞,含義過於廣泛,說不出這個學科的特點。發育生理學和W.魯的原意比較接近,因為發育生理學把卵子看做一個體系,並在一系列刺激的作用之下轉變為成體,因此可以說發育生理學是研究卵子或胚胎對刺激的反應。在這裡可以把刺激看作是前因,所引起的反應看作是後果,當然胚胎不象成體那樣以運動或分泌對刺激起反應,而是以細胞分裂、細胞組合和分化對刺激起反應。實驗胚胎學雖然把對象局限於胚胎,就其範疇來說比W.魯最初規劃的小得多,但是自從遺傳學獲得單獨的發展之後,所謂的發育機制學,其內容上實際上就是實驗胚胎學的內容,當然也包括胚前的和胚後的發育。
  隨著相關學科的進展,實驗胚胎學的研究逐漸深入到從分子或細胞的水平探討發育的問題,追究發育中的胚胎的各部分為什麼相互影響,從而發展成發育生物學
  方法  可以分為缺損、分離(或外植)、移植和標記等,這些方法各有其優缺點,使用什麼方法主要取決於要解決什麼問題。
  缺損方法  用化學的、機械的辦法殺死一部分細胞,或者乾脆拿掉一部分細胞來檢查、研究胚胎各部分的行為或各部分間的相互關係。W.魯首先利用此法,殺死一個分裂球,觀察另一個分裂球的發育。但W.魯在解釋結果的時候沒有考慮到殺死細胞的存在。此法給胚胎學做出了卓越貢獻,曾經用來論證胚胎具有高度自我調節能力。但在應用中需注意某一部分的缺失給鄰近環境造成的影響。
  分離或外植  就是把所要研究的部分拿到體外培養。在某種意義上講,分離實驗是缺損實驗的補充。因為缺損是研究拿掉後被保留下來的部分,而分離則是研究那拿掉的部分在體外的行為,研究它的分化取決於周圍條件影響的程度。如果一部分細胞從它正常的體內環境分離出來,它能繼續分化到什麼程度?是否會分化出在正常胚胎中註定要形成的構造?如果不,它會向什麼方向分化?什麼因素決定這個方向?1910年美國人R.G.哈里森第一個使用這個方法,把神經母細胞離體培養在凝固的淋巴液中,這種培養基並不妨礙神經軸突的產生。同時,分離培養可以排除那些曾誤認為能產生神經軸突的細胞。他證明了軸突的來源並且觀察了在體外生長的情況。如今廣泛應用的組織培養技術就是在這個實驗的基礎上發展出來的。應用此技術應注意把分離物培養在中性的、或不發生異常影響的培養基里,其結果才能和正常體內的情況相比較。
  20世紀初,H.A.E.德里施使用此法把兩細胞時期的海膽卵子分開,分開的裂球可以各自發育為完整而較正常略小的幼蟲。在這種意義上,1903年H.施佩曼結紮實驗也是分離實驗。他用頭髮結紮蠑螈卵子,使兩個裂球分開,它們可以各自發育為正常而較小的胚胎。這兩人的實驗都指出早期胚胎的可塑性。證明了卵裂時期的細胞核在質上是均等的,對於早期的實驗胚胎學起了有力的推動作用。
  移植法  把胚胎的一部分細胞移植到一個新的環境──胚胎的另一部位。這方法最初用於了解胚胎細胞的決定狀態;如果胚胎細胞被移植到一個比較中性的部位,可以象在原來部位那樣分化,則可認為在移植時細胞的發育命運已經決定了。另一方面,根據移植的部位和被移植細胞的發育情況,移植部分可以影響鄰近細胞,但也受到鄰近細胞所散發出來的因素的影響,分化方向受到移植細胞和宿主細胞之間的相互作用的制約。因此,這方面促進了對細胞和環境之間相互影響的分析,這是它所特有的優點。1924年H.施佩曼和H.曼戈爾德把早期原腸胚的背唇移植到另一同期胚胎的將來形成腹唇的部位,移植塊可以象在原來的部位一樣內陷,並且和宿主的細胞一起,組成一個在宿主腹方的次級胚胎。移植塊不僅按照原來的預定命運形成脊索肌節等,並且還影響宿主的細胞使之產生神經組織。由此他提出組織者的學說,開創了誘導作用的研究。
  標記法  用無毒的染料,使胚胎局部地染上顏色,觀察著色部位的發育命運;或者在含有不同色素顆粒的物種之間以及在細胞核大小不同的物種之間,或者甚至在同位素標記的和未標記的胚胎之間,進行同位或異位移植,觀察移植部分的發育情況,都屬於這範疇。尤其是局部活體染色法,因為基本上對於胚胎沒有干擾,所得到的資料,對於解釋某些用其他方法得到的實驗結果是必不可少的。
  1925年德國人W.福格特首先使用這一方法,並且使之完善。他仔細地分析了胚胎各部的運動;各個胚層如何在運動中形成,使人對胚胎髮育有了動態的概念──胚層的形成主要原因不是由於細胞的分裂或局部生長,而是由於運動。他還根據染色的結果繪製出各種器官在發育早期在胚胎表面的分布情況──各部分的發育命運圖(見胚胎預定命運圖)。
  但是活體染色也有很大的局限性,如果胚胎細胞缺乏對染料有特殊親和力的內含物,例如硬骨魚類和雞的早期胚胎,染料很容易擴散出去,使結果缺乏準確性。在這種情況下,就需要採用其他方法,例如細胞核大小不同的物種之間的同位移植等。
  因為胚胎是活的,有些又有很大的可塑性,所以單獨使用一種方法得到的結果,可能有一定的局限性,把不同方法得到的結果相互印證、相互補充才能得到比較準確的結論。例如從胚胎上割取一部分細胞,離體培養研究這些細胞的發育是分離法,但是對供主胚胎來說是缺損法。離體培養中的部分所形成的結構不一定和在原位完全一樣,可能多些也可能少些。在施主胚胎上,往往由於胚胎的可塑性,很難判斷缺失的部分是否就是被拿掉的部分。如果有了局部活體染色作基礎,知道被拿掉的部分在原地將來應當形成什麼,就比較容易論斷了。
  成就  利用這些方法,實驗胚胎學首先在海膽類和兩棲類取得令人振奮的成就。從19世紀末到20世紀40~50年代中探討過的問題,包括受精受精卵的胚區定位、細胞質與細胞核在發育中的作用、卵裂過程中裂球間的相互關係、形態建成運動與胚層形成、胚層間的相互關係、組織中心或組織者的分析、器官發生的分析以至關於器官再生的研究。器官發生的範圍尤為廣泛,因為它幾乎包括所有的器官,不僅包括在較早的發育時期分化的,也包括在較晚時期才開始形成的。
  從研究的對象講,那就不僅限于海膽和兩棲類這些常用的生物學研究的材料。環節動物、軟體動物、昆蟲、原索動物、魚類、鳥類都有代表。但關於哺乳動物的研究幾乎是空白。直至60年代以來,隨著哺乳類離體受精,卵和胚胎的移植等技術的進步,過去在兩棲類等較低等動物胚胎上行之有效的實驗分析方法,如裂球的分離、融合等也成功地應用到哺乳類早期發育的分析,並證明在發育原理上是同兩棲類一致的。
  儘管實驗胚胎學的技術已經達到相當高的精確性,而且在研究中相當重要,但是這一學科的成就,不全靠技術,還應該歸功於學者們客觀地研究胚胎的巧妙的實驗設計。他們能夠利用手頭所能有的或者所能設想出來的方法,正確地對胚胎提出問題,並且讓胚胎以自己的語言或者說以研究者所能理解的方式來回答所提出的問題。因為胚胎對問題的回答,能夠使人理解到什麼程度,取決於所問的問題是否簡單明了。因此這些問題必須簡化成簡單的、使胚胎能夠回答的問題。魯在設計殺死兩個裂球之一,二者取一,觀察它的發育的時候做到了這點;哈里森在設計離體培養神經母細胞,觀察其體外發育,以及H.施佩曼在設計結紮的實驗,以判斷卵裂核的分裂是否均等時,也都做到了這點。這就要求人們對事物進行周密仔細的觀察和深思熟慮的思考。觀察與反思,K.E.von貝爾的名著的副標題,仍是實驗胚胎學興旺發達的根本。在思想方法上從人們帶著框框主觀地去觀察問題發展到讓實驗客觀地回答問題,是實驗胚胎學之所以能興起和發展的主要原因。

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