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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。

1學科起源

實驗胚胎學是以提倡發育機制的研究為開端的。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或漸成論解釋個體發育的原因。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K·E·von·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。
發育機制學
盧科斯把他建立的學科稱為發育機制學。機制(mecbanik)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。發育機制學在其內容方面,實質上大致和實驗胚胎學是一致的,但根據盧科斯的觀點,在實驗時除了因果分析的以外,還有形式分析及非因果分析的方法,所以,實驗胚胎學應該比發育機制學具有更廣泛的範圍。但實際上這種差異幾乎是意識不到的。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,在盧科斯的規劃中,既包括發育也包括遺傳,既包括個體發育,也包括系統發育。
20世紀前半葉
實驗胚胎學到20世紀前半葉就大大地發展起來了,採用各種手術的研究法(移植、外植、切除,組織培養等)物理的操作(離心處理、紫外線和倫琴射線照射等)、藥品的處理等進行胚胎學的分析實驗。這期間主要的研究者和其研究課題有海特維希(O Hertwig)、海特維希(R Hertwig)、李利(F R Lillie)、羅布(J Loeb)的受精研究;博韋里(T Boveri)的核和胚胎髮育的關係;康克林(E G Conklin)、威爾遜(E B Wilson)的所謂鑲嵌卵;施培門(H Spemann)、霍爾特弗雷特(J F K Holtfreter)的形成體作用;哈里森(R G Harrison)的組織培養及軸性決定;德特威勒(S Detwiler)、哈姆布格爾(V Hamburger)的神經系的發生;賽德爾(F Seidel)的昆蟲卵;福格特(W Vogt)的局部活體染色;蔡爾德(C M Child)的生理級;赫斯塔迪烏斯(S Hrstadius)的海膽卵的級;巴爾策(F Baltzer)的遺傳與發育;沃丁頓(C H Waddington)的鳥的形成體作用及基因的發現;達爾克(A Dalcq)對哺乳動物卵等的研究。日本學者谷津直秀,岡田要,佐藤忠雄,山田常雄等也做了不少實驗胚胎學的工作。1930年以後,由於生(物)化學的影響,逐漸採用了化學的研究法,與其說是實驗胚胎學的一部分,不如說是化學胚胎學更為恰當。實驗胚胎學主要是以動物學為中心發展起來的。

2研究方法

實驗胚胎學的研究方法可以分為缺損、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。
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后被保留下來的部分,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·德里施曾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·施佩曼的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。
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佈情況——各部分的發育命運圖。
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。

3成就

利用上述研究方法,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,那就不僅限於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20世紀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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