生物選修3胚胎工程

生物選修3胚胎工程?摘要：本文檔圍繞生物選修3中的胚胎工程展開，詳細闡述了胚胎工程的概念、技術(shù)手段及其應(yīng)用。介紹了胚胎工程的理論基礎(chǔ)，包括體內(nèi)受精和早期胚胎發(fā)育的過程，重點講解了體外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干細胞培養(yǎng)等核心技術(shù)，分析了各項技術(shù)的操作流程、原理及注意事項。通過對胚胎工程的深入探討，展示了其在畜牧業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要價值和廣闊前景，同時也提及了該領(lǐng)域面臨的一些倫理和社會問題。

一、引言胚胎工程作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，為人類在生殖醫(yī)學(xué)、動物繁殖等領(lǐng)域帶來了巨大的變革。它通過對胚胎發(fā)育過程的精細調(diào)控和操作，實現(xiàn)了許多以往難以想象的目標。胚胎工程不僅有助于提高家畜的繁殖效率，加速優(yōu)良品種的培育，還為人類生殖障礙的治療提供了新的途徑和方法。深入了解胚胎工程的原理和技術(shù)，對于推動生命科學(xué)的發(fā)展、改善人類生活質(zhì)量具有重要意義。

二、胚胎工程的理論基礎(chǔ)（一）體內(nèi)受精1.精子的發(fā)生場所：哺乳動物的精子發(fā)生是在睪丸的曲細精管內(nèi)進行的。過程：從精原細胞開始，經(jīng)過有絲分裂形成大量的初級精母細胞，初級精母細胞經(jīng)過減數(shù)第一次分裂形成次級精母細胞，再經(jīng)過減數(shù)第二次分裂形成精子細胞，精子細胞經(jīng)過變形最終形成精子。精子的變形過程中，細胞核變?yōu)榫宇^的主要部分，高爾基體發(fā)育為頭部的頂體，中心體演變?yōu)榫拥奈?，線粒體聚集在尾的基部形成線粒體鞘，細胞內(nèi)的其他物質(zhì)濃縮為原生質(zhì)滴，最后脫落。2.卵子的發(fā)生場所：卵子的發(fā)生在卵巢內(nèi)完成。過程：卵原細胞通過有絲分裂不斷增加其數(shù)量，并演變?yōu)槌跫壜涯讣毎?。初級卵母細胞被卵泡細胞包圍，形成卵泡。初級卵母細胞減數(shù)第一次分裂是在雌性動物排卵前后完成的，結(jié)果產(chǎn)生一個次級卵母細胞和第一極體。次級卵母細胞進行減數(shù)第二次分裂，在精子與卵子結(jié)合過程中完成，產(chǎn)生一個成熟的卵子和第二極體。3.受精概念：受精是精子與卵子結(jié)合形成合子（即受精卵）的過程。場所：受精過程主要在雌性動物的輸卵管內(nèi)完成。過程：包括受精前的準備階段和受精階段。準備階段1是精子獲能，即精子必須在雌性動物生殖道內(nèi)發(fā)生相應(yīng)生理變化后，才能獲得受精能力；準備階段2是卵子的準備，即卵子在輸卵管內(nèi)達到減數(shù)第二次分裂中期（MⅡ期）時，才具備與精子受精的能力。受精階段，獲能的精子穿越放射冠和透明帶，進入卵細胞膜，原核形成和融合。精子入卵后，卵細胞膜會立即發(fā)生生理反應(yīng)，拒絕其他精子再進入卵內(nèi)，這是防止多精入卵的第一道屏障；當(dāng)精子頭部進入卵子后，卵子完成減數(shù)第二次分裂，排出第二極體，形成雌原核，同時精子的細胞核形成雄原核，雌、雄原核充分發(fā)育后，彼此融合形成合子，標志著受精過程的完成，這是防止多精入卵的第二道屏障。

（二）早期胚胎發(fā)育1.卵裂期概念：受精卵不斷進行有絲分裂，細胞數(shù)目不斷增加，但胚胎的總體積并不增加，或略有縮小。2.桑椹胚特點：胚胎細胞數(shù)目達到32個左右時，胚胎形成致密的細胞團，形似桑椹。3.囊胚結(jié)構(gòu)：囊胚進一步擴大，會導(dǎo)致透明帶破裂，胚胎從其中伸展出來，這一過程叫孵化。囊胚表面是一層扁平細胞，稱為滋養(yǎng)層，將來發(fā)育成胎膜和胎盤。囊胚內(nèi)細胞團的細胞是胚胎干細胞，具有發(fā)育的全能性，將來發(fā)育成胎兒的各種組織。4.原腸胚特點：囊胚孵化后，內(nèi)細胞團表層的細胞形成外胚層，下方的細胞形成內(nèi)胚層，由內(nèi)胚層包圍的囊腔叫原腸腔，滋養(yǎng)層則發(fā)育成原腸胚的外胚層。此時的胚胎具有三個胚層，可分化形成各種組織和器官。

三、胚胎工程的核心技術(shù)（一）體外受精1.卵母細胞的采集和培養(yǎng)對于實驗動物如小鼠、兔，以及家畜豬、羊等，采用促性腺激素處理，使其排出更多的卵子，然后從輸卵管中沖取卵子，直接與獲能的精子在體外受精。對于大家畜或大型動物，如牛，從屠宰母畜的卵巢中采集卵母細胞，也可以借助超聲波探測儀、腹腔鏡等工具直接從活體動物的卵巢中吸取卵母細胞。采集的卵母細胞要在體外經(jīng)人工培養(yǎng)成熟后，才能與獲能的精子受精。2.精子的采集和獲能精子的采集方法有假陰道法、手握法和電刺激法等。采集的精子需要進行獲能處理。對于嚙齒動物、家兔和豬等動物的精子，一般采用培養(yǎng)法，即將取自附睪的精子，放入人工配制的獲能液中，培養(yǎng)一段時間后，精子就可獲能；對于牛、羊等家畜的精子常采用化學(xué)誘導(dǎo)法，即將精子放在一定濃度的肝素或鈣離子載體A23187溶液中，用化學(xué)藥物誘導(dǎo)精子獲能。3.受精獲能的精子和培養(yǎng)成熟的卵子，一般情況下可以在獲能溶液或?qū)Ｓ玫氖芫芤褐型瓿墒芫^程。

（二）胚胎移植1.概念胚胎移植是指將雌性動物的早期胚胎，或者通過體外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同種的、生理狀態(tài)相同的其他雌性動物的體內(nèi)，使之繼續(xù)發(fā)育為新個體的技術(shù)。其中提供胚胎的個體稱為"供體"，接受胚胎的個體稱為"受體"。2.生理學(xué)基礎(chǔ)哺乳動物發(fā)情排卵后，同種動物的供、受體生殖器官的生理變化是相同的，這就為供體的胚胎移入受體提供了相同的生理環(huán)境。早期胚胎在一定時間內(nèi)處于游離狀態(tài)，這就為胚胎的收集提供了可能。受體對移入子宮的外來胚胎基本上不發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，這為胚胎在受體內(nèi)的存活提供了可能。供體胚胎可與受體子宮建立正常的生理和組織聯(lián)系，但移入受體的供體胚胎的遺傳特性，在孕育過程中不受任何影響。3.基本程序?qū)?、受體的選擇和處理：選擇遺傳性能和生產(chǎn)性能優(yōu)秀的供體，有健康的體質(zhì)和正常繁殖能力的受體。對供體和受體進行同期發(fā)情處理，一般用促性腺激素，使它們的生理狀態(tài)相同；對供體用促性腺激素做超數(shù)排卵處理。配種或人工授精：用激素對供體母牛做超數(shù)排卵處理后，與優(yōu)良公牛進行配種或人工授精。胚胎的收集、檢查、培養(yǎng)或保存：配種或輸精后第7天，用特制的沖卵裝置，把供體母牛子宮內(nèi)的胚胎沖洗出來（也叫沖卵）。對胚胎進行質(zhì)量檢查，此時的胚胎應(yīng)發(fā)育到桑椹胚或囊胚階段。直接向受體移植或放入196℃的液氮中保存。胚胎移植：手術(shù)法或非手術(shù)法將胚胎移植到受體母牛子宮內(nèi)。移植后的檢查：對受體母牛進行是否妊娠的檢查。

（三）胚胎分割1.概念胚胎分割是指采用機械方法將早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，經(jīng)移植獲得同卵雙胎或多胎的技術(shù)。2.特點來自同一胚胎的后代具有相同的遺傳物質(zhì)，因此胚胎分割可以看作動物無性繁殖或克隆的方法之一。3.操作程序選擇發(fā)育良好、形態(tài)正常的桑椹胚或囊胚，將其移入盛有操作液的培養(yǎng)皿中。用分割針或分割刀片將胚胎切開，吸出其中的半個胚胎，注入預(yù)先準備好的空透明帶中，或直接將裸半胚移植入受體。對于囊胚階段的胚胎，要注意將內(nèi)細胞團均等分割，否則會影響分割后胚胎的恢復(fù)和進一步發(fā)育。

（四）胚胎干細胞培養(yǎng)1.概念胚胎干細胞簡稱ES或EK細胞，是由早期胚胎或原始性腺中分離出來的一類細胞。2.特點形態(tài)上，體積小、細胞核大、核仁明顯。功能上，具有發(fā)育的全能性，即可以分化為成年動物體內(nèi)任何一種組織細胞。在體外培養(yǎng)的條件下，ES細胞可以增殖而不發(fā)生分化。對它可以進行冷凍保存，也可以進行遺傳改造。3.主要用途治療人類的某些頑癥：利用ES細胞可以被誘導(dǎo)分化形成新的組織細胞的特性，移植ES細胞可使壞死或退化的部位得以修復(fù)并恢復(fù)正常功能。培育出人造組織器官，用于器官移植：解決供體器官不足和器官移植后免疫排斥的問題。研究體外細胞分化：ES細胞在飼養(yǎng)層細胞上，或在添加抑制因子的培養(yǎng)液中，能夠維持不分化的狀態(tài)。在培養(yǎng)液中加入分化誘導(dǎo)因子，如牛黃酸、丁酰環(huán)腺苷酸等化學(xué)物質(zhì)時，就可以誘導(dǎo)ES細胞向不同類型的組織細胞分化，這為揭示細胞分化和細胞凋亡的機理提供了有效的手段。

四、胚胎工程的應(yīng)用（一）在畜牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用1.加速家畜遺傳改良進程，促進優(yōu)良畜群繁育通過胚胎移植技術(shù)，可以將優(yōu)良母畜的早期胚胎移植到普通母畜體內(nèi)，快速擴大優(yōu)良畜群數(shù)量。例如，利用胚胎移植技術(shù)，一頭優(yōu)良母牛一年可以繁殖出數(shù)十頭后代，大大提高了優(yōu)良品種的繁殖效率。胚胎分割技術(shù)也有助于優(yōu)良家畜品種的繁育。將優(yōu)良胚胎分割后移植到受體母畜體內(nèi)，可以獲得多個遺傳性狀相同的后代，進一步加速優(yōu)良畜群的發(fā)展。2.提高家畜的繁殖能力體外受精技術(shù)為解決某些家畜繁殖障礙問題提供了新途徑。對于一些繁殖能力低的家畜，可以通過體外受精技術(shù)獲得大量胚胎，再進行胚胎移植，提高其繁殖能力。胚胎冷凍保存技術(shù)使得胚胎可以長期保存，不受時間和地域的限制。在需要時，可以隨時解凍胚胎進行移植，這對于優(yōu)良家畜胚胎資源的保存和利用具有重要意義。

（二）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用1.治療不孕不育癥體外受精胚胎移植技術(shù)（IVFET）及其衍生技術(shù)，如卵胞漿內(nèi)單精子注射技術(shù)（ICSI）等，為許多不孕不育夫婦帶來了生育的希望。這些技術(shù)通過將卵子和精子在體外受精并培養(yǎng)成胚胎，再移植到女性子宮內(nèi)，幫助不孕夫婦實現(xiàn)妊娠。2.胚胎干細胞研究與應(yīng)用胚胎干細胞具有發(fā)育的全能性，在醫(yī)學(xué)研究中具有巨大的潛力。如前文所述，胚胎干細胞可以被誘導(dǎo)分化為各種組織細胞，用于治療人類的某些頑癥，如帕金森氏癥、糖尿病等。通過將胚胎干細胞誘導(dǎo)分化為神經(jīng)細胞來治療帕金森氏癥，或者分化為胰島細胞來治療糖尿病等，為這些疾病的治療提供了新的思路和方法。

五、胚胎工程面臨的倫理和社會問題（一）倫理問題1.胚胎的道德地位胚胎在發(fā)育過程中何時具有道德地位，這是一個備受爭議的問題。一些人認為從受精卵形成開始，胚胎就具有與成人相同的道德地位，應(yīng)該受到保護；而另一些人則認為胚胎在發(fā)育到一定階段后才具有道德意義，早期胚胎可以用于研究和治療。2.胚胎干細胞研究的倫理爭議胚胎干細胞研究涉及到從胚胎中獲取干細胞，這一過程可能會破壞胚胎。反對者認為這等同于謀殺生命，違背了倫理道德；而支持者則認為胚胎干細胞研究對于治療許多重大疾病具有不可替代的價值，在嚴格的倫理規(guī)范下進行研究是必要的。

（二）社會問題1.性別選擇胚胎工程技術(shù)的發(fā)展使得性別選擇成為可能。如果性別選擇被濫用，可能會導(dǎo)致出生人口性別比例失衡，引發(fā)一系列社會問題，如婚姻擠壓、人口拐賣等。2.克隆人問題克隆技術(shù)如果應(yīng)用于人類，可能會引發(fā)一系列復(fù)雜的社會倫理問題?？寺∪说纳矸菡J同、家庭關(guān)系等問題都難以解決，同時也可能會對人類的尊嚴和倫理道德觀念造成沖擊。

六、結(jié)論胚胎工程作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要分支，為畜牧業(yè)