体内受精和早期胚胎发育
教学准备
1. 教学目标
1.知识与技能:简述哺乳动物精子和卵子的发生及哺乳动物的受精过程
2.过程与方法:简述哺乳动物的胚胎发育过程及主要特点
3.情感态度与价值观:认同胚胎工程建立及发展的意义
2. 教学重点/难点
【教学重点】
哺乳动物精子和卵子的发生。哺乳动物的受精过程。哺乳动物的胚胎发育。
【教学难点】
哺乳动物受精过程中精子的获能、顶体反应、透明带反应、卵黄膜封闭作用的概念和生理功能。哺乳动物胚胎发育各阶段的主要特点。
3. 教学用具
4. 标签
教学过程
【导入】通常情况下一只母羊一胎一胎只生1-2只羔羊,畜牧业生产上需要快速增加高产肉羊和奶羊的数量,现在可用生物工程技术之一的胚胎工程来实现这一目标。
一、胚胎工程
胚胎工程指对动物早期胚胎或配子所进行的多种显微操作和处理技术,如胚胎移植、体外受精、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。经过处理后获得的胚胎,还需要移植到雌性动物体内生产后代,以满足人类大各种需求。
操作对象:早期胚胎和配子
技术手段:胚胎移植、体外受精、 胚胎分割、胚胎干细胞培养等
理论基础:哺乳动物的受精卵和早期胚胎的发育规律
二、精子和卵子的发生
1.精子的发生
(1)场所:精子的发生是在睾丸内完成的。
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(2)时期:从初情期开始直到生殖机能衰退。
(3)过程:发生的过程大体可分三个阶段。
第一阶段:初级精母细胞的形成:精原细胞经过有丝分裂产生多个初级精母细胞
第二阶段:精细胞的形成:初级精母细胞经减数分裂形成含有染色体减半的精子细胞
第三阶段:变形: 细胞核变为精子头部的主要部分,高尔基体发育为头部的顶体,中心体演变为精子的尾,线粒体形成线粒体鞘膜,其他物质浓缩成原生质滴。
(4)精子的形态.外形似蝌蚪,分头、颈、尾三大部分。
【讨论P62】
(1)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?怎样理解着一现象?
不是。可以从两方面说明这一问题;其一,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,复杂的组织结构和生理环境将对精子进行筛选,造成精子大量损耗。最后到达受精部位(输卵管)的精子只剩百余个,与卵子完成受精的只有一个。
(2)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?
细胞核和线粒体都是精子结构中的重要部分。其中,细胞核是精子遗传物质贮存和复制的场所,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。而线粒体则是精子分解营养物质产生运动能量的场所。线粒体在精子形成过程中,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”。
2.卵子的发生
(1)场所:卵子的发生是在卵巢内完成的。
(2)过程:雌性胎儿卵巢内的卵原细胞,通过有丝分裂增加其数量,演变为初级卵母细胞,被卵泡包围形成卵泡。初级卵母细胞经过减数分裂变为成熟的卵子。减数第一次分裂时间是在雌性动物排卵前后完成的,结果是产生一个次级卵母细胞和第一极体。减数第二次分裂时间是在精子和卵子结合的过程中完成的,结果是产生一个成熟的卵子和第二极体。
(3)卵子受精的标志:
当在卵黄膜和透明带的间隙可以观察到两个极体时,说明卵子已经完成了受精。
【讨论P63】
(1)一个卵泡中能形成几个成熟的卵子?
正常情况下,一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。
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(2)排卵是指卵子从卵泡中排出,还是指卵泡从卵巢中排出?
是指卵子从卵泡中排出。
(3)刚排出的卵是成熟的卵子吗?它在母体的 什么部位与精子受精?
刚排出的卵子尚未完全成熟,仅完成第一次减数分裂,需要在输卵管内进一步成熟,直到第二次减数分裂的中期才能与精子结合完成受精过程。排出的卵子是在输卵管内与精子受精的。
三、受精
1、概念:是精子和卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。
2、场所:受精是在输卵管内完成的。
3、时期:在胚胎性别分化后到生长机能衰退;
4、过程:
(1)精子获能:刚排出的精子,不能立即与卵子结合,而必须在雌性动物生殖道内发生一定的生理反应,而获得受精能力的生理现象。
(2)卵子的准备:动物排除的卵子,有的可能是初级卵母细胞,有的可能是次级卵母细胞,它们都要在输卵管内进一步成熟达到减数第二次分裂的中期时,才具备受精的能力。
(3)受精阶段:主要包括精子穿越放射冠和透明带,进入卵黄膜,原核形成和融合。
①精子穿越放射冠和透明带:
顶体反应:精子获能后与卵子相遇时,精子顶体释放顶体酶,溶解卵丘细胞之间的物质,形成精子穿越放射冠的通道的过程。
透明带反应:顶体酶将透明带溶出一条孔道,穿过放射冠的精子经孔道穿越透明带,接触卵细胞膜,随即产生阻止后来的精子进入透明带的生理反应。
②精子进入卵黄膜:
卵黄膜封闭作用:当精子与卵黄膜接触后,立即被卵黄膜表面的微绒毛抱合,并发生精子外膜和卵细胞膜融合,精子入卵。此时卵黄膜立即发生一种生理反应拒绝其他精子再进入卵内的生理反应。
③原核形成及配子结合:
精子入卵后,尾部脱落,原有核膜破裂,随后形成一个新的核膜,最后形成雄原核;与此同时,被激活的卵子完成减数第二次分裂,排出第二极体后,形成雌原核。两核充分发育后,相向移动,彼此接触,体积缩小、合并,形成一个含二倍染色体的合子,也就是受精卵,受精过程到此结束。
四、胚胎发育
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1.卵裂期的特点:细胞进行有丝分裂,细胞数目不断增加,胚胎总体积并不增加或略有缩小。
2.早期胚胎发育的几个阶段
(1)桑椹胚:当胚细胞达到32个左右时,胚胎形成致密的细胞团,形似桑葚;该时期细胞属于全能细胞。
(2)囊胚:
①细胞开始出现分化,内细胞团将来发育成各种组织;
②滋养层细胞将来发育成胎膜、胎盘;
③胚胎内出现了含有液体的囊腔——囊胚腔
④孵化:囊胚进一步扩大会导致透明带的破裂,胚胎从其中伸展出来的过程;
(3)原肠胚:内细胞团表层的细胞形成外胚层,下方的细胞形成内胚层,由内胚层包围的囊腔叫原肠腔。
【讨论P67】
(1)表中那种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高?
比较而言,马的胚胎进入子宫时发育程度最高,其次是小鼠。
(2)将体外培养的马胚胎移植到母马子宫时,应选择什么样的胚胎?如果换成牛又该怎么样处理?
马应该选择囊胚阶段的胚胎。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。
(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?请结合本节内容举例说明。
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。本节涉及的哺乳动物内受精和胚胎发育都是在自然条件下的特点和规律,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;体外受精精子能在人工培养条件下继续发育等,这些都有赖于体内自然条件下的基础研究成果。
【当堂训练】
课后习题
【思考与探究】
1.以精子的运行途径为线索,设计一幅简图,来说明哺乳动物的受精过程。
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哺乳动物的受精过程主要包括精子穿越放射冠、透明带、进入卵黄膜、原核形成和配子融合等步骤(详见教材中的受精过程)。
2.哺乳动物精子和卵子的发生主要有哪些相似点或不同点?
相似之处:细胞分裂的1最初阶段为有丝分裂,不断增加生殖原细胞的数量;经过两次减数分裂(MI和M II)才能形成精子或卵子。
不同之处:由一个精原细胞分裂最后可产生多个精子;一个卵原细胞最后只能生成一个卵子。精子的形状为蝌蚪状;卵子为球形。多数哺乳动物卵子的形成和在卵巢内的贮备是在胎儿出生前完成。
3.当你了解到精子需要获能,受精过程中有防止多精人卵的现象时,你是否提出过这样的问题:精子在雌性生殖道内是如何获能的?防止多精入卵的两道防线的形成机制究竟是什么?
答:精液由精子和精清(精浆)两部分组成。精清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。只有当交配后精液进入雌性动物的生殖道时,由生殖道分泌产生一种物质解除对精子获能的抑制,才能引起精子获能。精子在雌性动物生殖道内获能的部位因种类而异,但主要是子宫和输卵管。
防止多精入卵主要通过透明带反应和卵黄膜封闭作用两道屏障。在受精过程中,当精子穿越透明带触及卵黄膜时,透明带会立即封闭,阻止后来的精子进入透明带,可看作是防止多精受精的第一道屏障。而精子入卵后,卵黄膜会立即拒绝其他精子再进入卵内,可看作是防止多精受精的第二道屏障。其生理、生化机制,请参阅有关专著。
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