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第二章 细胞工程
第3节 胚胎工程的理论基础
学习目标 核心素养
简述胚胎形成经过了受精及早期发育的过程。 1.生命观念：以精子和卵细胞的结构为例，阐述细胞的结构与功能的适应。
2．科学思维：以过程图的形式表示受精作用和胚胎发育的过程。
从社会中来
我国对奶类的总需求量很大，但与奶业发达的国家相比，我国奶牛的单产水平还存在一定差距。奶牛品种是影响产奶量的主要因素之一，而引进一头成年奶牛往往需要数万元，高昂的价格使得靠大量引进优良品种来提高产量不太可行。能不能让引进的优良奶牛快速、大量繁殖呢？遗憾的是，牛的生育率很低，一头母牛一胎一般只产一头犊牛，一生约生育四五次。如何解决这个难题呢？
可以通过体外受精、胚胎分割等技术获得多个良种奶牛的胚胎，然后移植给代孕母牛生下后代。
良种荷斯坦奶牛
胚胎工程是指对生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞进行多种显微操作和处理，然后将获得的胚胎移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的各种需求。胚胎工程技术包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。
操作对象：生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞。
技术种类：体外受精、胚胎移植、胚胎分割。
工程实质：在体外条件下，对动物自然受精和早期胚胎发育条件进行的模拟操作。
理论基础：哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律。
目 的: 生产后代，满足人类各种需求。
胚胎工程
世界首例试管婴儿
中国首例试管婴儿
实例：
1992年我国首例三胞胎试管婴儿
实例
1.试管婴儿技术包括哪些操作步骤？
思考-讨论：
体外受精、早期胚胎培养和胚胎移植
相同之处：都通过有性生殖产生;都要在母体子宫内发育形成胎儿。
不同之处：受精作用在体外，在体外发育成早期胚胎进行胚胎移植。
2.试管婴儿培育和母亲正常怀孕的过程有何异同？
3.“试管婴儿” 技术的理论基础：
哺乳动物的自然（体内）受精和早期胚胎的发育规律
(一)精子的形成
1、精子发生的场所：
2、精子发生的时期：
睾丸内的曲细精管中
从初情期开始直到生殖机能衰退
哺乳动物的睾丸
一、胚胎工程的理论基础----受精
(一)精子的形成
3、精子发生的过程：
一、胚胎工程的理论基础----受精
精原细胞
次级精母细胞
MⅠ分裂
精子细胞
MⅡ分裂
初级精母细胞
染色体复制
变形
有丝分裂
大量精原细胞
精 子
连续
(一)精子的形成
3、精子发生的过程：
一、胚胎工程的理论基础----受精
③精子头出现
④细胞质浓缩
①顶体的发生
细胞核
高尔基体
细胞质
线粒体
②尾的发育
发育中的顶体
中心体演变成尾
⑤精子形成
顶体
头
原生质滴
线粒体鞘
尾
精子的变形过程
(一)精子的形成
3、精子发生的过程：
一、胚胎工程的理论基础----受精
⑤精子形成
顶体
头
原生质滴
线粒体鞘
尾
①顶体的发生
细胞核
高尔基体
细胞质
线粒体
精子头的主要部分
头部的顶体
精子的尾
线粒体鞘(尾的基部)
原生质滴
(球状,最后脱落)
细胞核
高尔基体
中心体
线粒体
细胞内其他物质
精子的变形过程
不同种动物精子的形态相似，大小略有不同，与动物的体形大小无关。
(一)精子的形成
一、胚胎工程的理论基础----受精
头
颈
线粒体鞘
尾
典型精子的结构
头部
颈部
尾部
顶体
精核
中段（线粒体环）
主段
末段
卵巢（发生） 输卵管（成熟）
1、场所：
2、时期：
初情期到—生殖机能衰退
胎儿期（性别分化后）：形成初级卵母细胞
(二)卵细胞的形成
一、胚胎工程的理论基础----受精
卵原细胞
初级卵母细胞
有丝分裂增加数量
染色体复制
储存于卵泡中
胎
儿
期
(二)卵细胞的形成
一、胚胎工程的理论基础----受精
3、卵子的发生的过程：
初级卵母细胞
初级卵母细胞生长透明带形成
透明带
卵细胞膜
马、犬
排出的卵是___________
初级卵母细胞
M Ⅰ
次级卵母细胞
+
第一极体
MⅡ
排卵
羊牛猪
卵从卵泡中排出进入输卵管
合 子
+
受精
排出的卵是__________
卵细胞膜与透明带的间隙可以观察
到___ 极体
卵子是否受精的标志
2个
次级卵母细胞
第二极体
+
第一极体
初
情
期
后
卵丘细胞
卵母细胞核
透明带
第一极体
卵母细胞膜
牛刚出生时，每侧卵巢大约有15万个卵泡，每个卵泡内都有一个初级卵母细胞。出生后能够发育成熟排卵的卵泡只有200个左右，一生产下犊牛4-5头。
卵泡
卵泡细胞
初级卵母细胞
＝
＋
卵子
次（初）级卵母细胞
透明带
放射冠
＝
＋
＋
排卵
卵子从卵泡中排出
＝
明确：
卵细胞结构图
卵细胞是哺乳动物体内最大的细胞，大约是精子体积的100倍。其直径可达0．125-0．15毫米，和人的头发尖的直径差不多。
卵呈球形，卵的细胞膜外面具有外被，其成分主要是糖蛋白，是由卵细胞或其它细胞分泌的。在哺乳动物中这种外被叫做透明带，其作用是保护卵子，阻止异种精子进入。透明带外面还具有由卵丘细胞形成的放射冠。
卵细胞细胞质多，核糖体十分丰富，同时还含有大量营养物质，卵细胞不能运动。
卵子是通过减数分裂形成的，第一次减数分裂在卵巢内完成，经过排卵过程，即将次级卵母细胞及外周的透明带和放射冠排出，倘若次级卵母细胞遇到精子，再结合过程中进行减数第二次分裂，成为真正意义上的卵细胞。
　　一个卵细胞排出后约可存活12-24小时，在这12-24小时内等待着与精子相遇、结合。若卵子排出后由于多种原因不能与精子相遇形成受精卵，便在24小时后自然死亡。失去这次受精的机会，就要等到1个月后另一个卵子成熟并被排出，重复同样的过程。左右两个卵巢通常是轮流排卵，少数情况下能同时排出两个或两个以上的卵子。如果分别与精子相结合，就出现了双卵双胞胎和多卵多胞胎。
知识延伸
精原细胞
次级精母细胞
MⅠ分裂
精子细胞
MⅡ分裂
初级精母细胞
染色体复制
变形
有丝分裂
大量精原细胞
精 子
连续
过渡：
受精
每个生命的诞生，都始于一颗精子和一颗卵子的相遇。精卵结合的过程是什么？
精子和卵子相互识别，融合成合子（受精卵）的过程。
细胞膜的功能
进行细胞间信息交流
细胞膜具有
一定的流动性
2.受精前的准备
1.概念：
一、胚胎工程的理论基础----受精
(三)受精
包括准备阶段和受精阶段
准备阶段1---精子获能：
准备阶段2---卵子的准备：
场所:在自然条件下，哺乳动物的受精在输卵管内完成。
1951年
张明觉- 兔子
Austin – 老鼠
动物排出的精子不能马上与卵子受精，必须在雌性生殖道内停留一段时间才能与卵子受精
精子获能：刚刚排出的精子不能立即与卵子受精，必须在雌性动物的生殖道发生相应的生理变化后，才能获得受精能力，这一生理现象称为“精子获能”。
张明觉，美籍华人，生殖生物学家、育种学家和避孕药的创始人
一、胚胎工程的理论基础----受精
(三)受精
准备阶段1---精子获能：
一、胚胎工程的理论基础----受精
(三)受精
准备阶段1---精子获能：
顶体
头
原生质滴
线粒体鞘
尾
注意：
（1）精子获能实质是指精子获得受精的“能力”，而不是获得能量。
（2）精子获能的场所：雌性动物的生殖道。
方法：
（1）利用雌性生殖道使精子获能。
（2）将精子培养在人工配置的获能液中使其获能等。
常用有效成分：肝素、Ca2+载体等
研究精子获能机制的意义：实现了各种哺乳动物精子在体外条件下的获能，为体外受精技术的建立奠定了基础。
（1）卵子一般在排出2～3h后才能被精子穿入。
一、胚胎工程的理论基础----受精
(三)受精
准备阶段2---卵子的准备：
透明带
卵细胞膜
核
第一极体
（2）动物排出的卵子成熟程度不同：
有的可能是初级卵母细胞，如马、犬等；
有的可能是次级卵母细胞，如猪、羊等。
（3）卵子成熟的场所：排出的卵子都要在输卵管内进一步成熟。
（4）卵子具备与精子受精能力的时期：MⅡ期。
精子穿越透明带
精子接触卵细胞膜
透明带反应
精子触及卵细胞膜的瞬间，透明带会迅速发生生理反应，
精子进入
卵细胞
卵细胞膜反应
精子入卵后，卵细胞膜会立即发生生理反应。
防止多精入卵
第一极体
精子释放蛋白酶等多种酶，以溶解膜外结构
雌、雌原核形成
雌、雄原核靠近
核膜消失卵裂开始
精子入卵后，尾部脱离，原有的核膜破裂并形成一个新的核膜，最后形成一个比原来精子的核还大的核，叫做雄原核。
雄原核
第一极体
雌原核
第二极体
过程
一、胚胎工程的理论基础----受精
(三)受精
注意:多数哺乳动物的第一极体不会进行减数分裂Ⅱ，因而不会形成两个第二极体。
与此同时，被激活的卵子完成减数分裂Ⅱ，排出第二极体后，形成雌原核。
雄原核
第二极体
雌原核
精子穿越卵细胞膜外的结构，如透明带
精子接触卵细胞膜
透明带反应
卵细胞膜反应
形成雄原核、雌原核，释放第二极体
精子入卵
雌、雄原核靠近
核膜消失，形成受精卵
受精结束，卵裂开始
受精的标志:
①观察到两个极体（透明带和卵细胞膜之间）
②观察到雌、雄原核
*多数哺乳动物的第一极体不进行减数分裂Ⅱ，因而不会形成两个第二极体，观察到的两个极体为一个第一极体一个第二极体；
过程
一、胚胎工程的理论基础----受精
(三)受精
受精完成标志:雌雄原核融合形成合子(受精卵)
1.一个卵泡中能形成几个成熟的卵细胞？
刚排出的卵细胞尚未完全成熟，仅完成第一次减数分裂，需要在输卵管内进一步成熟，直到减数第二次分裂的中期才能与精子结合完成受精过程。排出的卵细胞是在输卵管内与精子受精的。
正常情况下，一个卵泡只能形成一个成熟的卵细胞。
是指卵细胞从卵泡中排出。
易错点
4.产生卵子的过程是否都发生在卵巢中？
否、减II过程是在输卵管中
一、胚胎工程的理论基础----受精
2.排卵是指卵细胞从卵泡中排出，还是指卵泡从卵巢中排出？
3.刚排出的卵是成熟的卵细胞吗？它在母体的什么部位与精子受精？
5.家畜每次射精排出的精子数以亿计，但是通常只有一个精子能够与卵子结合,这能说是一种浪费吗？怎样理解这一现象？
易错点
6.精子细胞变成精子的过程中，细胞中很多结构会消失，而细胞核和线粒体都保留下来，对这一现象怎样理解？为什么精子中的线粒体集中在尾的基部？
细胞核是精子遗传物质储存和复制的场所，也是参与精、卵结合和后代遗传特性与细胞代谢活动的控制中心。而线粒体则是有氧呼吸产生运动能量的场所。精子的线粒体集中于尾的基部形成线粒体鞘膜，是精子维持生存和运动能量的“动力工厂”或“发动 机”。
一、胚胎工程的理论基础----受精
不是。其一，在自然繁殖的条件下，可以说是动物为繁殖后代、延续物种的一种生理保障机制；其二，在自然条件下，精子从射精部位运行到受精部位，将对精子进行筛选，并致使大量的精子途中死亡，被分解或排除，造成精子大量损耗。最后到达受精部（输卵管）的精子只剩百余个，与卵子完成受精的只有一个。
维持每种生物前后代体细胞中染色体数目的恒定 ；对于生物的遗传和变异十分重要。
受精过程完成以后开始进行胚胎发育。
实质和意义
一、胚胎工程的理论基础----受精
(三)受精
（一）场所
二、胚胎早期发育
哺乳动物的胚胎早期发育的场所是输卵管和子宫。
二、胚胎早期发育
（二）过程
1.卵裂
透明带
（1）场所：透明带内。
（2）分裂方式：有丝分裂。
（3）特点：细胞数量不断增加，胚胎总体积并不增加。
每个细胞体积不断变小，DNA总数目不断增加，
每个细胞的核DNA数目不变，有机物总量减少，
有机物种类增加。
桑葚胚（32细胞）
二、胚胎早期发育
（二）过程
2.桑椹胚
（1）概念：当卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团，形似桑葚时，这时的胚胎称为桑葚胚。
（2）特点：这一阶段及之前的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能，属于全能细胞。
胚胎进一步发育，出现细胞分化
桑葚胚（32细胞）
（1）概念：胚胎进一步发育，细胞逐渐分化，形成内细胞团（聚集在胚胎一端，将来发育成胎儿的各种组织）、滋养层细胞（沿透明带内壁扩展和排列，将来发育成胎膜和胎盘）；随着胚胎进一步发育，胚胎内部出现了含有液体的囊腔—囊胚腔，这个时期的胚胎叫做囊胚。
（2）孵化：囊胚进一步扩大，会导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫做孵化。
二、胚胎早期发育
（二）过程
3.囊胚
组成:内细胞团;滋养层;囊胚腔。
*孵化非常重要，如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育
大规模分化
外胚层
内胚层
原肠腔
滋养层
内细胞团表层的细胞。
外胚层
内胚层
内细胞团下方的细胞衍生形成。
中胚层
内细胞团细胞经过变化插到内外胚层形成。
原肠腔
内胚层包围的囊腔。
二、胚胎早期发育
（二）过程
3.囊胚
二、胚胎早期发育
（二）过程
透明带
桑葚胚（32细胞）
原肠胚
受精卵
卵裂
桑椹胚
囊胚
原肠胚
受精后6星期，人形已隐约可见。这时，胚胎的心跳每分钟140—150下．是母亲心跳的两倍。
人类胚胎第8周时在子宫内的照片。
此时胎儿已长到20周，他移动手臂，把手指放在唇边，这可以促进它对吮吸的反映 。
胚胎发育
受精卵：
卵裂期：
桑椹胚：
囊胚（内含囊胚腔）
原肠胚（内含原肠腔）
胎儿形成
滋养层
外胚层
中胚层
内胚层
原肠腔
在透明带内进行有丝分裂，细胞数量不断增加，但胚胎总体积并不增加，或略有减少。
由全能细胞构成，细胞数在32个左右，排列紧密，形似桑椹。
内细胞团：发育成胎儿各组织
滋养层细胞：发育成胎膜和胎盘
最初在输卵管进行有丝分裂
小结：
主要特点：
拓展了解——胚胎发育和个体发育
讨论1：表中哪种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高？
马的胚胎进入子宫时，发育程度最高，它处于囊胚阶段
思考·讨论·不同动物受精卵发育的比较
思考·讨论·不同动物受精卵发育的比较
讨论2：将体外培养的小鼠胚胎移植到母鼠子宫时，应选择至少发育到什么阶段的？如果换成牛又该怎样处理？
小鼠应选择至少发育到桑葚胚阶段的胚胎进行移植；
牛在自然情况下，胚胎虽然最早可在8-16细胞阶段进入子宫，但为了提高移植后胚胎的发育率和妊娠率，在实践中通常发育到囊胚阶段的胚胎进行移植；
思考·讨论·不同动物受精卵发育的比较
讨论3：为什么说关于动物的体内受精和胚胎发育的而研究，会为胚胎工程提供理论基础？
人们正是在认识自然受精和早期胚胎发育的规律的基础上，在体外进行有效的模拟，才使卵母细胞能在体外成熟，精子能在体外完成获能，获能的精子和培养成熟的卵子能在试管中完成受精，获得的受精卵能在人工培养条件下继续发育等。
受精
胚胎早期发育
胚胎工程的理论基础
准备阶段1—精子获能
准备阶段2—卵子的准备
受精
卵裂
桑葚胚
囊胚
原肠胚
精子穿越卵细胞膜外的结构
精子接触卵细胞膜
精子入卵
雌、雄原核形成
雌、雄原核靠近
核膜消失，形成受精卵
小结：
1.下列有关哺乳动物受精的表述，正确的是(　　 )
A.自然状态下，受精在子宫中完成
B.精子需要获能才能与卵子结合，而卵子一经排出就具有受精能力
C.精子入卵后，卵子恢复并很快完成了减数第一次分裂
D.透明带反应和卵细胞膜反应可以防止多精入卵的发生
2.关于胚胎发育的正确叙述是( 　)
A.胚胎发育早期随细胞不断分裂体积增大
B.在桑葚胚阶段，胚胎内部出现空腔
C.可以从桑葚胚或囊胚的内细胞团获取胚胎干细胞
D.囊胚阶段的每一细胞属于全能细胞
D
课堂练习：
C
（1）写出A、B所示生理过程的名称: A_____
______；B__________。
（2）B过程完成是在雌性动物的_________中
完成的。精、卵结合过程中，阻止多精入卵
的两道屏障分别是_____________和_______
_______。
（3）在C过程中，细胞分裂的方式是_________分裂，在发育过程的_________时期，胚胎突破透明带。
3.下图是某种哺乳动物生殖和发育的过程图解，请据图回答：
减数
受精作用
透明带反应
输卵管
分裂
卵细胞
膜反应
有丝
囊胚
课堂练习：

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