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                    <div id="attachment_25988" style="width: 660px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-25988" src="https://www.122336.com/content/uploadfile/201611/16-3-pregnant.jpg" alt="CC0 Public Domain" /><p class="wp-caption-text">CC0 Public Domain</p></div><p><strong>讲师｜</strong>中研院分子生物所特聘研究员 孙以瀚<br /><strong>撰文｜</strong>游伊甄</p><p><span style="color: #008080;"><strong>●从一颗受精卵到身体三轴线</strong> </span></p><p>一个胚胎的发育，隐含着生命的奥秘。研究胚胎发育，会挑战我们对于动物身体型态的想像，人有五官、双手双脚等。就连科幻片里的外星生物，ET或异形也多从我们都习以为常的动物样貌发想。生命有多少种可能呢？回到5亿年前寒武纪的伯吉斯页岩化石，推测出多样的身体型态，比现今想像中的外星人还要诡异。</p><p>一颗受精卵细胞成长为2颗、4颗、一团细胞，乃至发展为成熟的个体。为什么会长成这个样子？这个过程包含了许多有趣的问题：细胞怎么知道头长在哪里？各个身体的器官要长在什么位置呢？</p><p>今日高等动物常见的身体特征，有头尾、背腹（靠近地面侧和远离地面侧）、近远XYZ三条轴线，左右两侧对称、身体分节、有可运动的附肢。我们希望获知人类的生之奥秘，但是，人类实验会涉及复杂的伦理议题，为了探求答案，科学家们借助果蝇、老鼠等系统的研究，找出胚胎发育的基本机制，科学家发现这跟人类的发育机制甚至与疾病密切相关。<span id="more-25986"></span></p><p><span style="color: #008080;"><strong>●胚胎之始，头长在哪里？</strong></span></p><p>在演化上，最初的生物可能只是不太分化的一团细胞，它的运动还没有一定的方向。一旦发展出特定的运动方向，能够分出前后，身体的型态随之分化，例如，为了要侦测环境，眼睛等感觉器官放在身体前端，为了讯息传递的效率，脑部位置靠近感觉器官，于是身体出现了头尾两端的分工。</p><p>科学家观察生命周期约12天、受精卵长成幼虫只需要1天的黑腹果蝇（又称为：黄果蝇），研究胚胎是怎么决定身体的头在哪里？胚胎发育的研究无法透过观察正常的胚胎发育而知，反而是观察了基因突变造成的特殊状况，或是以不同的生物比较差异，推论可能的发育机制。黑腹果蝇的身体从胚胎开始就有头尾、胸腹之分，科学家发现黑腹果蝇的一个特别的致死突变种没有头，但有两个尾端，称之为bcd基因突变胚胎。而bcd基因突变胚胎，系来自于带有bcd突变的母亲。Bcd是决定胚胎前-后体轴的基因产物，如果从正常的卵的前端，用细针抽出细胞质，注入突变胚胎，可以救活这个突变种，让多出的尾端回复为头端。</p><p>科学家透过染色观察bcdRNA浓度，发现bcdRNA侷限在卵的前端（头部位置），蛋白质由前到后逐渐下降，不同的浓度会激活不同的基因、影响发育。接着衍生的问题是：bcdRNA怎么知道要聚集于卵的哪一端？bcdRNA依赖其特殊结构，被X蛋白辨识并聚集在头端。这表示X蛋白得先聚在头端，那么，头端有什么特别？检视果蝇的卵巢管，胚胎的头尾体轴是来自母亲的头尾体轴，果蝇的卵子在未受精之前，就已经有前后、背腹之分，完全由母亲的基因所决定。</p><p><span style="color: #008080;"><strong>●脊椎动物如何决定体轴？</strong></span></p><p>那么脊椎动物呢？以两栖类的青蛙为例，卵的受精、胚胎发育都在体外，便于观察。青蛙受精卵的身体轴线，是由精子进入的位置所决定，精子从动物极进入，造成皮质向精子进入点旋转，皮质旋转形成灰月区，激活了背侧讯号。灰月区是决定胚胎正常发展的重要区域。受精卵透过一连串的细胞分裂发育成均匀对称的一球细胞，这细胞球接着在内部产生空腔，从灰月区一侧向内凹入，形成两层细胞。这个凹处最终将发育成口-消化道-肛门整条身体轴线。</p><p>Hans Spemann和其学生Hilde Mangold对肠胚期的细胞做移植实验，发现有一处Organizer细胞移植到胚胎的另一侧，可以指挥周边细胞发育，分化出体轴，在实验中长出连体婴蝌蚪。Spemann因此获得1935年诺贝尔奖。至于，青蛙的胚胎是如何决定头尾体轴的呢？这个问题尚无定论，推测是植物性半极，卵黄较重，因地心引力向下，自然形成一个轴线。</p><p>哺乳动物体轴的决定，目前也未有定论。但是我们可以从目前已知九带穿山甲有同卵四胞胎、人类有同卵五胞胎，来推测哺乳动物的受精卵分裂到8细胞时，可能仍然完全相同。</p><p><span style="color: #008080;"><strong>●渴望再生：鸡爪</strong><strong>、</strong><strong>蝾螈脚</strong><strong>、蟑螂腿</strong></span></p><p>我们所习以为常的身体型态，是怎么去控制，而能够适当的发育出身体器官的数目跟位置？从果蝇胚胎的体节化可以发现，胚胎会进行一连串基因调控，将身体分成14个小单元，即14个体节，每个体节有不同的基因表现，第二胸节长翅膀、第三胸节则长平衡棒。假如Ubx基因发生突变，果蝇会长出两对翅膀，第三胸节发育成为第二胸节，显示这两个型态差异甚大的体节之差异只在一个基因。研究胚胎体节分割的 <strong>Christiane Nüsslein-Volhard</strong>与<strong>Eric F. Wieschaus</strong>，与研究 Ubx 突变的Edward Lewis共同于1995获得诺贝尔医学奖。</p><p>Ubx 属于一群Hox基因，后人果蝇拥有一串Hox基因，哺乳动物的小鼠及人类则有四串，在哺乳动物中Hox基因群的表现差异决定身体不同部位的差异，例如不同脊椎的发育。以鸡翅的发育为例，胚胎上有四个小突起，将会长出前后肢，分别是翅膀跟腿。前肢和后肢的结构从身体近端到远端依序为：一根骨头、两根骨头、三根指骨。前肢后肢的位置也是由Hox基因所决定，透过控制基因，可以让鸡多长出一支鸡翅或一支鸡腿。</p><p>少数动物的身体组织可以再生。切掉蝾螈的肢体来做实验，蝾螈的肢体会从愈伤组织处长回来。科学家将蝾螈的一肢切断后，将伤口端塞到肚子处，等愈合后再将外面的部分切断，这时切断的手臂是近远端颠倒的，但是新伤口仍会从身体的近端往远端长出少掉的部分。这表示蝾螈的手臂细胞能够辨别自己在手臂上面的相对位置（座标），以及旁边细胞的座标，从而把少掉的细胞补回来。蟑螂腿也能够再生，而且同样能够辨认方向性，能够把少掉的座标由近端到远端补回来。这些实验显示从昆虫到脊椎动物在发育中都能建立类似的座标系统用以区别身体各部位细胞的相对位置。</p><p><span style="color: #008080;"><strong>●身体之塑造，生之奥秘</strong></span></p><p>身体各部分的生长速度可以不同。人类胎儿的头占身体的比例很大，成人的头占比例小。儿童时期五五身，成人后则四肢长。蝙蝠的指节生长很快速，长的很长，中间有皮膜，有利于飞行。沙皮狗的表皮生长速度则远高过其躯干成长，因而形成表皮皱褶。这些例子显示身体不同部位的生长速度可以独立调控，但不同部位的生长也可以协调，维持整体的型态一致。</p><p>很多生物的身体都有左右不对称的现象。人类的躯干及内脏左右不对称，突变类型有：左右相反、横膈膜上方左右相反、横膈膜以下左右相反等。左右不对称现象在胚胎的早期就可以观察到，目前的研究发跟纤毛的运动有关，在早期胚胎的某一区，可能纤毛的摆动有一致的方向性，造成某些控制发育的因子向一侧聚集，形成左右之分。</p><p>胚胎如何发育、身体如何塑形，这里头有问不完的问题，许多经典的实验也需要被重新审视、追问，有趣及重要如同无尽宝藏等待人们去挖掘。</p><p><strong>--</strong><br /><strong>本文整理自：105/10/22 由<span class="_5afx"><span class="_58cm">孙以瀚老师</span></span>在台大思亮馆国际会议厅所主讲之“胚胎发育之身体塑形”演讲内容。</strong></p>