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第二章 第三节 胚胎工程
——胚胎工程的理论基础
有一对夫妇，妻子因病切除了两侧输卵管，但他们一直想要一个亲生的孩子，你能从理论上想个办法帮他们完成这个愿望吗？
1978年7月25日世界首例试管婴儿
1988年3月10日我国首例试管婴儿
胚胎工程
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
技术种类
操作水平：
目 的
主要集中在细胞水平上
理论基础：
哺乳动物体内受精和早期胚胎发育的规律
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
胚胎分割
体外受精
胚胎移植
胚胎工程技术：
目录 /CONTENTS
一
受精
胚胎早期发育
胚胎分割
二
受精
定义
阶段
指精子和卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。
受精前的准备阶段
受精阶段
准备阶段Ⅰ——精子获能
准备阶段Ⅱ——卵子的准备
场所
输卵管内
曲细精管
场所：在雄性动物的 内完成。
精子的形成过程
睾丸的曲细精管
时期：
从初情期开始直到生殖机能衰退
形成过程：
1个精原细胞
2次级精母细胞
1个初级精母细胞
4个精细胞
4个精子
（整个过程连续进行，不间断）
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
头
颈
线粒体鞘
尾
*不同种动物精子的形态相似，大小略有不同，与动物的体型大小无关
成熟精子结构
（细胞核）
（中心体）
顶体（高尔基体）
精子运动提供能量
遗传物质储存场所
①细胞核是遗传物质储存的场所，决定后代的遗传特性，它参与受精过程。
②精子的运动需要依靠尾部的摆动，这个过程需要消耗能量。线粒体是进行有氧呼吸的主要场所，为精子的生存和运动提供能量。
精母细胞在变成精子的过程中，很多结构会消失，而细胞核与线粒体都保留了下来，请解释这一现象？
拓展应用（P59）
直接利用 ________________使精子获能；
将精子培养在 _______________中使其获能；
刚刚排出的精子 _______ 与卵子受精，必须在 ______________ 发生 ____________ 后，才能获得________，这一生理现象称为“精子获能”
1.受精前准备阶段 (1)精子获能
不能立即
雌性动物的生殖道
相应的生理变化
受精能力
雌性动物的生殖道
人工配制的获能液
①概念：
②使精子获能的方法：
*获能液的成分因动物种类不同而有所差异；
*获能液常见有效成分有肝素、Ca2+载体等；
注意：精子获能实质：是指精子获得受精“能力”，而不是获得能量。
精子获能的场所：是雌性动物的生殖道。
卵丘细胞
卵母细胞核
透明带
第一极体
卵母细胞膜
排卵：卵子从卵泡排出
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。
拓展
1.受精前准备阶段 （2）卵子的准备
卵子一般在排出______后才能被精子穿入。一些实验证据表明，卵子在受精前也要经历类似精子获能的过程。
2-3h
卵原细胞
初级卵母细胞
次级卵母细胞
马、犬等少数哺乳动物排出的卵子是初级卵母细胞
猪、羊等多数哺乳动物排出的卵子是次级卵母细胞
马、犬排卵
猪、羊排卵
排出的卵子要在输卵管内发育到MⅡ(中)期时，才具备与精子受精的能力。
发育
思考：在进行体外受精操作时，需要对精子和卵子进行什么处理？
①精子：获能处理；②卵子：成熟培养
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。
补充：卵细胞的形态
　　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。
拓展
自主阅读课本P57“受精阶段”文字部分，回答以下问题：
1.受精时，精子依次穿过了哪些结构？
2.防止多精入卵的机制有哪些？这有什么意义？
3.入卵后，精子和卵子发生了哪些变化？
4.卵细胞受精的标志是什么？受精完成的标志是什么？
透明带
卵细胞膜
核
第一极体
精子穿越卵细胞膜外的结构（透明带）
精子接触卵细胞膜
雄原核
第一极体
第二极体
雌原核
精子入卵后形成雄原核；同时卵子完成减数分裂Ⅱ，释放第二极体后，形成雌原核
雌、雄原核靠近
核膜消失，第一次卵裂即将开始
1.受精阶段
【文字小结受精阶段过程】
获能后的精子穿越透明带
精子触及卵细胞膜的瞬间，发生透明带反应
精子入卵后，发生卵细胞膜反应
形成雌原核和雄原核
形成合子（受精卵）
防止多精入卵的第一道防线
防止多精入卵的第二道防线
保证受精卵中的遗传物质与亲代体细胞一致，从而保证了遗传的稳定性。
受精完成的标志
受精的标志
（或者观察到两个极体）
1.一个卵泡中能形成几个成熟的卵细胞？
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？
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。
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）场所：
输卵管和子宫
原肠胚
受精卵
卵裂
桑葚胚
囊胚
原肠胚
（二）过程：
透明带破裂
孵化
输卵管（透明带）
子宫
原肠胚
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
①卵裂：
细胞数量_____________
胚胎总体积_________
透明带
有丝分裂
不断增加
并不增加
场所：_________
分裂方式：_________
特点：
项目 变化
每个细胞体积
DNA总量
每个细胞内的DNA总量
有机物总量
有机物种类
不断减小
不断增加
不变
减少
增加
卵裂
受精卵的早期分裂称为卵裂
桑椹胚：
胚胎细胞数目在32个左右；胚胎形成致密的细胞团，形似桑椹；该阶段前的每一个细胞均未分化，属于 细胞。
全能
囊胚：
细胞开始出现分化，_____________将来发育成胎盘和胎膜;
___________将来发育成胎儿的各种组织；囊胚进一步扩大，会导致透明带破裂破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫做_______。
滋养层
滋养层
内细胞团
内细胞团
囊胚腔
孵化
透明带
原肠胚:
囊胚孵化后，内细胞团表层的细胞形成外胚层，下方的细胞形成内胚层，出现由内胚层包围的空腔叫做原肠腔。
外胚层
内胚层
原肠腔
滋养层
胚胎发育总结
不同动物受精卵发育及其进入子宫的时间有明显的差异。请分析下表，讨论相关问题。
选必三 P59
思考·讨论：不同动物受精卵发育的比较
几种动物受精卵发育及其进入子宫的时间
动物种类 受精卵发育的时间/h 进入子宫时受精卵的发育天数和发育阶段 2细胞 4细胞 8细胞 16细胞 桑葚胚 天 发育阶段
小鼠 24~38 38~50 50~60 60~70 68~80 3 桑葚胚
绵羊 36~38 42 48 67~72 96 3~4 16细胞
猪 21~51 51~66 66~72 90~110 110~114 2~2.5 4~6细胞
马 24 30~36 50~60 72 98~106 6 囊胚
牛 27~42 44~65 46~90 96~120 120~144 4~5 8~16细胞
注：马牛为排卵后时间，其他动物为交配后时间
表中哪种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高？
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胚胎？如果换成牛又该怎样处理？
马，它处于囊胚阶段，其次为小鼠。
小鼠应选择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，在实践中通常用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
3. 为什么说关于动物的体内受精和胚胎发育的研究，会为胚胎工程提供理论基础？请结合所学习的内容举例说明。
胚胎工程的许多技术都是在了解哺乳动物自然条件下受精和早期胚胎发育的基础上实现的。人们正是在认识了这些自然规律的基础上，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，获能精子和成熟卵母细胞能在试管内完成受精，获得的受精卵能在人工培养条件下继续发育等。
思考·讨论：不同动物受精卵发育的比较
一、概念检测
1．判断下列有关哺乳动物受精的表述是否正确。
（1）在自然条件下，受精在子宫中完成。（ ）
（2）精子需要获能才能与卵子结合，而卵子一经排出就具备受精能力。( )
（3）精子入卵后，卵细胞膜会发生反应阻止其他精子入卵。（ ）
2．下列有关哺乳动物早期胚胎发育的叙述，错误的是（ ）
A．在桑葚胚阶段，胚胎的内部开始出现含有液体的腔
B．胚胎干细胞是一类未分化的细胞，可以从早期胚胎中分离获得
C．桑葚胚的细胞一般都具有全能性，囊胚的细胞逐渐分化
D．受精卵早期分裂时，胚胎中细胞数目不断增加，但胚胎的总体积并不增加
A
√
二、拓展应用
1．精母细胞在变成精子的过程中，很多结构会消失，而细胞核与线粒体都保留了下来，请尝试用你所了解的哺乳动物受精的相关知识来解释这一现象。
细胞核和线粒体都是精子的重要结构。其中，细胞核是遗传物质储存的场所，决定后代的遗传特性，它参与受精过程。线粒体是精子进行有氧呼吸的主要场所，为精子的生存和运动提供能量。
2．精子在雌性动物的生殖道内是如何获能的？除了教材中介绍的，防止多精入卵的机制还有哪些？感兴趣的话，请通过查阅相关资料或请
教专家来进行了解。关于受精作用，你还能提出其他问题吗？
出题的目的不是让学生准确地答出精子获能的机制和防止多精入卵的具体机制，而是鼓励有兴趣的学生去查阅资料或请教专家，并引导他们去查阅相对专业的书籍，这是一个深入学习的过程。这里涉及的问题，在普通生物学或者一般的细胞工程专著中可能找不到答案，需要查阅生殖生物学相关书籍。通过查阅专业资料，学生能了解到，精子获能的机制很神奇，防止多精入卵的机制同样神奇而且非常复杂，它们都是机体在长期进化的过程中形成的、用来保障本物种延续的机制。
2．精子在雌性动物的生殖道内是如何获能的？除了教材中介绍的，防止多精入卵的机制还有哪些？感兴趣的话，请通过查阅相关资料或请
教专家来进行了解。关于受精作用，你还能提出其他问题吗？
精液由精子和精浆两部分组成。精浆中含有一种能抑制精子获能的物质，因此在一般情况下，精液中的精子无法获能。只有交配后精液进入雌性动物的生殖道，生殖道分泌产生一些物质解除了对精子获能的抑制，精子才能获能。不同动物的精子在雌性动物生殖道内获能的部位可能不同，但精子主要是在子宫和输卵管中获能。精子的获能涉及以下变化：雌性动物生殖道分泌的一些物质使精子表面的物质发生变化（如某些酶将顶体表面的糖蛋白降解）；膜的通透性发生变化等。这些变化可以暴露出精子表面与识别卵细胞的受体，改变精子的活力，为后续受精做准备。

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