Embryo
| Embryo ⓘ | |
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 Ein männlicher menschlicher Embryo, sieben Wochen alt oder neun Wochen Schwangerschaftsalter | |
| Anatomische Terminologie (Bearbeiten auf Wikidata) |
| Teil einer Serie über ⓘ |
| Menschliches Wachstum und Entwicklung |
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| Stadien |
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| Biologische Meilensteine |
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| Entwicklung und Psychologie |
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Theorien über Entwicklungsstadien |
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Ein Embryo ist das frühe Entwicklungsstadium eines mehrzelligen Organismus. Bei Organismen, die sich sexuell fortpflanzen, ist die Embryonalentwicklung der Teil des Lebenszyklus, der unmittelbar nach der Befruchtung der weiblichen Eizelle durch die männliche Samenzelle beginnt. Durch die Verschmelzung dieser beiden Zellen entsteht eine einzellige Zygote, die viele Zellteilungen durchläuft, bei denen Zellen entstehen, die als Blastomere bezeichnet werden. Die Blastomere sind als fester Ball angeordnet, der bei Erreichen einer bestimmten Größe, der so genannten Morula, Flüssigkeit aufnimmt und einen Hohlraum, das Blastocoel, bildet. Die Struktur wird dann als Blastula oder bei Säugetieren als Blastozyste bezeichnet. ⓘ
Die Blastozyste bei Säugetieren schlüpft, bevor sie sich in die Gebärmutterschleimhaut einnistet. Nach der Einnistung setzt der Embryo seine Entwicklung in den nächsten Phasen der Gastrulation, Neurulation und Organogenese fort. Die Gastrulation ist die Bildung der drei Keimschichten, aus denen sich die verschiedenen Teile des Körpers zusammensetzen werden. Die Neurulation bildet das Nervensystem, und die Organogenese ist die Entwicklung der verschiedenen Gewebe und Organe des Körpers. ⓘ
Ein sich entwickelnder Mensch wird normalerweise bis zur neunten Woche nach der Empfängnis als Embryo bezeichnet, danach als Fötus. Bei anderen mehrzelligen Organismen kann der Begriff "Embryo" im weiteren Sinne für jedes frühe Entwicklungs- oder Lebenszyklusstadium vor der Geburt oder dem Schlüpfen verwendet werden. ⓘ
Der oder das Embryo (altgriechisch ἔμβρυον émbryon „Junges“, „Neugeborenes“, „Ungeborenes“; aus ἐν en „in“ und βρύειν brýein „hervorsprießen lassen, schwellen“, Plural: Embryos oder Embryonen), auch der Keim oder der Keimling, ist ein Lebewesen in der frühen Form seiner Entwicklung. Beim Menschen wird mit Beginn der Fetalperiode ab der 9. Schwangerschaftswoche nicht mehr vom Embryo, sondern vom Fötus gesprochen. ⓘ
Mit der embryonalen Entwicklung – der Differenzierung von Zellen, der Bildung von Geweben, der Anlage von Organen, der Ausbildung von Körperformen sowie damit einhergehenden Funktionen und Leistungen – befasst sich die Embryologie. ⓘ
Etymologie
Das Wort Embryon, das im Englischen erstmals Mitte des 14. Jahrhunderts bezeugt ist, leitet sich vom mittellateinischen embryo ab, das wiederum vom griechischen ἔμβρυον (embruon), wörtl. "jung", was das Neutrum von ἔμβρυος (embruos), wörtl. "heranwachsend", von ἐν (en), "in" und βρύω (bruō), "anschwellen, voll sein"; die richtige latinisierte Form des griechischen Begriffs wäre embryum. ⓘ
Entwicklung
Tierische Embryonen
Bei Tieren beginnt der Prozess der Embryonalentwicklung mit der Befruchtung und der Entstehung einer Zygote, einer einzelnen Zelle, die aus der Verschmelzung von Keimzellen (z. B. Ei- und Samenzelle) hervorgeht. Die Entwicklung einer Zygote zu einem mehrzelligen Embryo durchläuft eine Reihe von erkennbaren Stadien, die häufig in Spaltung, Blastula, Gastrulation und Organogenese unterteilt werden. ⓘ
Die Spaltung ist der Zeitraum der schnellen mitotischen Zellteilungen, die nach der Befruchtung stattfinden. Während der Spaltung ändert sich die Gesamtgröße des Embryos nicht, aber die Größe der einzelnen Zellen nimmt schnell ab, da sie sich teilen, um die Gesamtzahl der Zellen zu erhöhen. Bei der Spaltung entsteht eine Blastula. ⓘ
Je nach Art kann ein Embryo im Blastula- oder Blastozystenstadium als Zellball auf dem Dotter oder als hohle Zellkugel erscheinen, die einen mittleren Hohlraum umgibt. Die Zellen des Embryos teilen sich weiter und nehmen an Zahl zu, während Moleküle in den Zellen, wie RNAs und Proteine, aktiv wichtige Entwicklungsprozesse wie Genexpression, Festlegung des Zellschicksals und Polarität fördern. Vor der Einnistung in die Gebärmutterwand wird der Embryo manchmal als Präimplantationsembryo oder Präimplantationskonzeptus bezeichnet. Manchmal wird er auch als Präembryo bezeichnet, ein Begriff, der im Zusammenhang mit der Diskussion über embryonale Stammzellen zur Abgrenzung vom eigentlichen Embryo verwendet wird. ⓘ
Die Gastrulation ist die nächste Phase der Embryonalentwicklung und umfasst die Entwicklung von zwei oder mehr Zellschichten (Keimschichten). Tiere, die zwei Schichten bilden (z. B. Nesseltiere), werden als diploblastisch bezeichnet, während Tiere, die drei Schichten bilden (die meisten anderen Tiere, vom Plattwurm bis zum Menschen), als triploblastisch bezeichnet werden. Während der Gastrulation triploblastischer Tiere bilden sich drei Keimschichten, das Ektoderm, Mesoderm und Endoderm. Alle Gewebe und Organe eines ausgewachsenen Tieres können auf eine dieser Schichten zurückgeführt werden. Aus dem Ektoderm entstehen beispielsweise die Epidermis der Haut und das Nervensystem, aus dem Mesoderm das Gefäßsystem, die Muskeln, die Knochen und das Bindegewebe und aus dem Endoderm die Organe des Verdauungssystems und die Epithelien des Verdauungs- und Atmungssystems. Während der Gastrulation kommt es zu vielen sichtbaren Veränderungen der Embryonalstruktur, da die Zellen, aus denen die verschiedenen Keimschichten bestehen, wandern und den zuvor runden Embryo in eine schalenartige Form falten oder einwachsen lassen. ⓘ
Nach der Gastrulation entwickelt sich der Embryo weiter zu einem reifen mehrzelligen Organismus, indem er die für das Leben außerhalb des Mutterleibs oder der Eizelle erforderlichen Strukturen ausbildet. Wie der Name schon sagt, ist die Organogenese das Stadium der embryonalen Entwicklung, in dem sich Organe bilden. Während der Organogenese veranlassen molekulare und zelluläre Interaktionen bestimmte Zellpopulationen aus den verschiedenen Keimschichten, sich in organspezifische Zelltypen zu differenzieren. Bei der Neurogenese beispielsweise trennt sich eine Subpopulation von Zellen aus dem Ektoderm von anderen Zellen und spezialisiert sich weiter, um das Gehirn, das Rückenmark oder die peripheren Nerven zu bilden. ⓘ
Die Embryonalzeit variiert von Art zu Art. In der menschlichen Entwicklung wird ab der neunten Woche nach der Empfängnis der Begriff Fötus anstelle von Embryo verwendet, während beim Zebrafisch die embryonale Entwicklung als abgeschlossen gilt, wenn ein Knochen, das so genannte Kleithrum, sichtbar wird. Bei Tieren, die aus einem Ei schlüpfen, wie z. B. Vögeln, wird ein Jungtier normalerweise nicht mehr als Embryo bezeichnet, sobald es geschlüpft ist. Bei lebendgebärenden Tieren (Tiere, deren Nachkommen sich zumindest einige Zeit im Körper eines Elternteils entwickeln) wird der Nachwuchs in der Regel als Embryo bezeichnet, solange er sich im Körper des Elternteils befindet, und gilt nach der Geburt oder dem Verlassen des Elternteils nicht mehr als Embryo. Das Ausmaß der Entwicklung und des Wachstums im Ei oder im Körper der Eltern ist jedoch von Art zu Art sehr unterschiedlich, so dass die Prozesse, die bei einer Art nach dem Schlüpfen oder der Geburt ablaufen, bei einer anderen Art weit vorher stattfinden können. Einem Lehrbuch zufolge ist es daher üblich, dass Wissenschaftler den Bereich der Embryologie im weitesten Sinne als die Untersuchung der Entwicklung von Tieren interpretieren. ⓘ
Bei Menschen und Tieren entwickelt sich aus der von einem Spermium befruchteten Eizelle, der Zygote, ein neuer Organismus. Dieser wird Embryo genannt, solange er sich in der Mutter oder in einer Eihülle oder Eischale befindet. ⓘ
In der vorgeburtlichen Entwicklung des Menschen werden die frühen Phasen bis zur Ausbildung der inneren Organe (Organogenese) als Embryonalperiode bezeichnet und die daran – ab der neunten Schwangerschaftswoche nach der Empfängnis – anschließenden Monate als Fetalperiode. Derart wird auch der Fetus oder Fötus vom weniger entwickelten Embryo unterschieden. Innerhalb der Embryonalperiode lässt sich wissenschaftlich die eigentliche Embryonalphase – zwischen vierter und achter Entwicklungswoche – von einer präembryonalen Phase abgrenzen. ⓘ
Die beim Menschen präembryonal genannte Phase der Embryonalperiode umfasst die ersten drei Entwicklungswochen. In der ersten Woche p. c. entwickelt sich aus der Zygote durch Furchungen über 2-, 4-, 8- und 16-Zellstadien die Morula und aus dieser die Blastocyste, die sich in der Gebärmutterschleimhaut verankert (Nidation, etwa 6. Tag). Die Blastocyste zeigt eine Differenzierung in Zellen des äußeren Trophoblasten und des innenliegenden Embryoblasten. ⓘ
Die beiden Anteile entwickeln sich im Folgenden unterschiedlich weiter. Während aus dem Trophoblasten den Keim schützende, versorgende und ernährende Gebilde entstehen, entwickelt sich der Embryoblast weiter zur Keimscheibe mit erst zwei, dann drei Keimblättern Ende der dritten Entwicklungswoche. Diese dreiblättrige Embryonalscheibe faltet sich dann Anfang der vierten Woche ab zu einer frühen Form des Embryos – mit Beginn der Embryonalphase. Aus den extraembryonal genannten Anteilen werden u. a. Eihäute, Plazenta und Nabelschnur, die nach der Geburt vom Kind getrennt werden (Nachgeburt). ⓘ
Pflanzliche Embryonen
Blühende Pflanzen (Angiospermen) bilden nach der Befruchtung einer haploiden Eizelle durch Pollen Embryonen. Die DNA aus der Eizelle und dem Pollen verbindet sich zu einer diploiden, einzelligen Zygote, die sich zu einem Embryo entwickelt. Die Zygote, die sich im Laufe der Embryonalentwicklung mehrfach teilt, ist ein Teil des Samens. Weitere Bestandteile des Samens sind das Endosperm, ein nährstoffreiches Gewebe, das den wachsenden Pflanzenembryo unterstützt, und die Samenschale, eine äußere Schutzhülle. Die erste Zellteilung einer Zygote ist asymmetrisch und führt zu einem Embryo mit einer kleinen Zelle (der apikalen Zelle) und einer großen Zelle (der basalen Zelle). Aus der kleinen, apikalen Zelle gehen schließlich die meisten Strukturen der reifen Pflanze hervor, wie z. B. der Stamm, die Blätter und die Wurzeln. Aus der größeren Basalzelle entsteht der Suspensor, der den Embryo mit dem Endosperm verbindet, so dass die Nährstoffe zwischen ihnen fließen können. Die Zellen des Pflanzenembryos teilen sich weiter und durchlaufen Entwicklungsstadien, die nach ihrem allgemeinen Aussehen benannt sind: Kugelstadium, Herzstadium und Torpedostadium. Im kugelförmigen Stadium lassen sich drei grundlegende Gewebetypen (Haut-, Grund- und Gefäßgewebe) erkennen. Aus dem dermalen Gewebe entsteht die Epidermis oder die äußere Hülle einer Pflanze, aus dem Grundgewebe entsteht das innere Pflanzenmaterial, das für die Photosynthese, die Speicherung von Ressourcen und die physische Unterstützung zuständig ist, und aus dem vaskulären Gewebe entsteht das Bindegewebe wie das Xylem und das Phloem, das Flüssigkeit, Nährstoffe und Mineralien durch die Pflanze transportiert. Im Herzstadium bilden sich ein oder zwei Keimblätter (embryonale Blätter). Im Torpedo-Stadium entwickeln sich Meristeme (Zentren der Stammzellenaktivität), die im Laufe des Lebens viele der reifen Gewebe der erwachsenen Pflanze hervorbringen werden. Am Ende des Embryonalstadiums ruht der Samen normalerweise bis zur Keimung. Sobald der Embryo zu keimen beginnt (aus dem Samen herauswächst) und sein erstes echtes Blatt bildet, wird er als Keimling oder Pflänzchen bezeichnet. ⓘ
Pflanzen, die keine Samen, sondern Sporen produzieren, wie Moose und Farne, bilden ebenfalls Embryonen. Bei diesen Pflanzen beginnt der Embryo seine Existenz an der Innenseite des Archegoniums eines elterlichen Gametophyten, aus dem die Eizelle hervorgegangen ist. Die Innenwand des Archegoniums steht in engem Kontakt mit dem "Fuß" des sich entwickelnden Embryos; dieser "Fuß" besteht aus einer knolligen Masse von Zellen an der Basis des Embryos, die von seinem elterlichen Gametophyten ernährt werden kann. Die Struktur und Entwicklung des restlichen Embryos variiert von Pflanzengruppe zu Pflanzengruppe. ⓘ
Da alle Landpflanzen Embryonen bilden, werden sie zusammenfassend als Embryophyten (oder mit ihrem wissenschaftlichen Namen Embryophyta) bezeichnet. Dies und weitere Merkmale unterscheiden die Landpflanzen von anderen Pflanzenarten wie den Algen, die keine Embryonen bilden. ⓘ
Forschung und Technologie
Biologische Prozesse
Embryonen zahlreicher Pflanzen- und Tierarten werden in biologischen Forschungslabors auf der ganzen Welt untersucht, um mehr über Themen wie Stammzellen, Evolution und Entwicklung, Zellteilung und Genexpression zu erfahren. Beispiele für wissenschaftliche Entdeckungen, die bei der Untersuchung von Embryonen gemacht wurden und mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet wurden, sind der Spemann-Mangold-Organisator, eine Gruppe von Zellen, die ursprünglich in Amphibienembryonen entdeckt wurde und aus denen sich Nervengewebe entwickelt, sowie Gene, die zur Bildung von Körpersegmenten führen und von Christiane Nüsslein-Volhard und Eric Wieschaus in Drosophila-Fliegenembryonen entdeckt wurden. ⓘ
Assistierte Reproduktionstechnologie
Die Erzeugung und/oder Manipulation von Embryonen mit Hilfe der assistierten Reproduktionstechnologie (ART) wird zur Lösung von Fruchtbarkeitsproblemen bei Menschen und anderen Tieren sowie zur selektiven Züchtung bei landwirtschaftlichen Arten eingesetzt. Zwischen 1987 und 2015 waren ART-Techniken, einschließlich der In-vitro-Fertilisation (IVF), allein in den Vereinigten Staaten für schätzungsweise 1 Million menschliche Geburten verantwortlich. Zu den weiteren klinischen Technologien gehört die genetische Präimplantationsdiagnostik (PID), mit der bestimmte schwerwiegende genetische Anomalien, wie z. B. Aneuploidie, erkannt werden können, bevor Embryonen für die IVF ausgewählt werden. Einige haben vorgeschlagen (oder sogar versucht - siehe He Jiankui-Affäre), menschliche Embryonen mittels CRISPR-Cas9 genetisch zu verändern, um Krankheiten vorzubeugen; dies wurde jedoch von der wissenschaftlichen Gemeinschaft weitgehend verurteilt. ⓘ
ART-Techniken werden auch eingesetzt, um die Rentabilität von landwirtschaftlichen Tierarten wie Kühen und Schweinen zu verbessern, indem sie eine selektive Zucht auf gewünschte Merkmale und/oder eine Erhöhung der Nachkommenzahl ermöglichen. So bringen Kühe bei natürlicher Fortpflanzung in der Regel ein Kalb pro Jahr zur Welt, während die IVF die Nachkommenschaft auf 9-12 Kälber pro Jahr erhöht. IVF und andere ART-Techniken, einschließlich des Klonens mittels Interspezies-Kernzelltransfer (iSCNT), werden auch eingesetzt, um die Zahl gefährdeter oder anfälliger Arten wie Nördliche Breitmaulnashörner, Geparden und Störe zu erhöhen. ⓘ
Kryokonservierung der biologischen Vielfalt von Pflanzen und Tieren
Bei der Kryokonservierung genetischer Ressourcen wird das Fortpflanzungsmaterial von Tier- oder Pflanzenarten, z. B. Embryonen, Samen oder Gameten, gesammelt und bei niedrigen Temperaturen gelagert, um es für die künftige Nutzung zu erhalten. Zu den groß angelegten Bemühungen um die Kryokonservierung von Tierarten gehören "gefrorene Zoos" an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt, darunter die Frozen Ark in Großbritannien, das Breeding Centre for Endangered Arabian Wildlife (BCEAW) in den Vereinigten Arabischen Emiraten und das San Diego Zoo Institute for Conservation in den Vereinigten Staaten. Im Jahr 2018 gab es etwa 1.700 Saatgutbanken, die zur Lagerung und zum Schutz der pflanzlichen Biodiversität genutzt werden, insbesondere im Falle eines Massenaussterbens oder anderer globaler Notfälle. Der Svalbard Global Seed Vault in Norwegen unterhält die größte Sammlung von pflanzlichem Reproduktionsgewebe mit mehr als einer Million Proben, die bei -18 °C gelagert werden. ⓘ
Versteinerte Embryonen
Versteinerte Tierembryonen sind aus dem Präkambrium bekannt und werden in großer Zahl im Kambrium gefunden. Sogar versteinerte Dinosaurier-Embryonen wurden entdeckt. ⓘ