骨骼是如何长出来的？骨骼胚胎发育过程

内骨骼胚胎发生机制

第一节：肠体腔法与内骨骼发生机制

图4-2-1 肠体腔法发生示意图

（一）肠体腔法的劣势

内胚层向囊胚腔形成的囊状突起称为体腔囊。体腔囊与内胚层分离后扩展成为中胚层，如此形成中胚层的方式称为体腔囊法。这种中胚层包围的体腔称为肠体腔，如此形成体腔的方式称为肠体腔法。

这种体腔演化模式，中胚层向原肠腔开放，体腔是在和环境融合在一起的情况下形成的，体腔保留了环境的成分，并由此造成了其先天就无法脱离体腔形成的环境，离开水体腔无法形成。肠体腔动物无法向其他空间发展，原因就在这里。而裂体腔动物不存在这个问题，这就说明裂体腔动物体腔提前离开海洋向陆地发展，相比之下这是肠体腔动物在演化线上的劣势。

（二）肠体腔法的优势

虽然这种演化模式形成的动物向陆地发展比较慢，但也有他优势的地方，内胚层在体腔内的演化速度比较慢，外胚层就有了与中胚层藕连的双向演变趋势，完成外胚层皮肤神经同源结构与原肠胚结构的藕连，这一双向趋势导致外胚层出现褶皱内凹运动，由此出现神经管结构，也就是原索动物向脊椎动物演化模式，内骨骼系统复杂化发育也随之开始。

肠体腔形成后，中胚层组织慢慢由里向外发育，外胚层向内发育，开始出现神经索，也就是原索动物的出现，在此基础上，消化道吸收的钙质等骨骼成分随着发育流向脊索附近，慢慢形成骨骼脊椎，脊椎动物出现。

第二节：脊索诱导与内骨骼发育机制

图4-2-2脊索诱导与内骨骼发生示意图

从动物演化看，从无脊索动物到有脊索动物出现是一次进化的飞跃，因此，脊椎动物的出现人们也称之“第四胚层”，如何理解这一机制是理解高等动物机制的关键。（见图4-2-2）

（一）原索动物神经集约化机制

动物从简单到复杂，从低等到高等最大的标志是神经系统的集约化进程，而从胚胎机制看，也就是皮肤神经同源结构从分散到集约化的发育演化。

动物最基本的生存需求是从外界获得能量维持机体的耗能，首先原肠发生发育演化，从单细胞动物的口沟，到有口无肛门结构，再到有口有肛门完整消化管的出现，内胚层器官分化是早期动物演化的主线，消化管的复杂化导致获取能量的能力加大，由此引发从两胚层的中胶质演变为中胚层，出现三胚层动物。这是动物演化的第一阶段，这一阶段的主要集中于内胚层原肠发育和中胚层内脏团发育，外胚层神经器官发育相对比较弱。

（二）腹索脊索与神经系统演化

动物神经系统从纤毛，网状，放射状，索状是神经系统演化发育为第一个集约化阶段，腹索动物出现是这一演化过程的成功标志，表明从内胚层向中胚层外胚层演化的成功，这一演化成功完成了动物消化管获能力量的增大，但在气血交换机制上还是不足，为了达到气血交换结构完善，动物由腹索向脊索动物演化是一种必然的演变过程。

脊索动物胚胎发育首先从外胚层开始，皮肤呼吸神经同源性导致呼吸器官的集约化和神经集约化发育更具优势，由此可以推断，动物从腹索到脊索的演化是神经系统演化为第二阶段（见图4-2-3）。

图4-2-3 脊索神经发生示意图

（三）脊索动物胚胎分化机制

动物从内胚层—中胚层演化到外胚层时，就会出现一种由前向后（消化管前摄取后吸收），由腹部向脊部双向演化的过程，当内胚层分化向脊部发育，在脊索部位积顶隆起，诱导外胚层成神经管形成。

脊索和神经管结构的形成，使三胚层分化支产生重新的耦合模式，外胚层体表呼吸功能退化集中到头部出现原始的呼吸器官口塞裂，氧气的进入就呈现出从前部向后部分布的规律，也导致呼吸器官逐渐从口腮裂，向呼吸腮演变，这一胚胎分化模式一旦被胚胎预定后，就出现了背索动物的胚胎发育模式。

从背索动物开始，胚胎发育出现先外胚层器官发育，后中胚层器官发育，最后内胚层器官发育的矢量顺序，虽然脊索还不是真正的内骨骼结构，属于一种近似骨骼的软骨组织，但是这一发生发育机制可以称为动物向脊椎动物演化的基础。（见图4-2-4 ）

图4-2-4 腹索脊索结构比较示意图

第三节：脊椎胚胎发生与内骨骼发育

（一）预定神经胚

图4-2-5 脊椎动物预定神经胚示意图

高等脊椎动物在胚胎发育胚盘期，胚体背侧两侧部位向背部中线升起、靠拢并愈合在一起，形成一个中空的管状结构，与此同时，管的顶部细胞脱离外胚层，两侧的外胚层细胞重新融合在一起，形成一个完整的外胚层，称为神经嵴。（见图4-2-5 ）

从出现中枢神经系统原基的神经板时期开始，到神经板闭合变成神经管期的胚胎而言，这一时期外胚层分化为神经板及表皮区，在神经板之下的为头肠、前索板、脊索原基、预定体节的位置；多数情况下，表皮区的外胚层被侧板的体壁中胚层反包着。主要器官原基在各胚层已开始出现，但组织分化尚未开始。这一机制称之为预定神经胚。（见图4-2-6）。

图4-2-6 预定神经板发生示意图

（二）脊椎动物神经系统发生机制

1. 脊索诱导与中枢神经演化

从动物比较发育学角度看，脊索动物的脊索出现是延续低等动物的演化线路，动物的胚胎演化遵循单细胞-两胚层-三胚层这样的顺序演化路线，而在这一演化过程中产生两种细胞诱导机制：原肠诱导和脊索诱导。

原肠诱导是低等动物胚胎发育模式，从单细胞动物的口沟，到两胚层动物的半消化管结构，再到三胚层动物的完全消化管结构，主要发育器官围绕在消化管周围，外胚层神经细胞迁移也集中到腹部形成腹索动物结构。

脊索诱导是高等动物的胚胎发育模式，内胚层发育出脊索结构，首先诱导中胚层分化到达脊索附近，随后外胚层神经细胞向内迁移，这就是脊索动物，这一机制导致脊索动物在胚胎期产生独有的组织器官发育顺序：

脊索动物形成的脊索是身体背部起支持作用的棒状结构，位于消化道背面、背神经管腹面。在发生机制上来自胚胎的原肠背壁，后与原肠脱离形成，脊索属于内胚层结构，说明内胚层器官分化运动已经到达外胚层位置出现了脊索结构；当内胚层到外胚层位置时，中胚层也随之到达，在以后的演化过程中中胚层替代了脊索，也就是轴中胚层的出现，随之又分化出轴旁中胚层，也就是脊椎动物的胚胎发育模式出现。

脊索动物内胚层脊索分化支到达背侧位置将外胚层顶起，神经管就会被顶出凸起形态，这一发育结构就会使神经系统远离体腔，这是一种非常不合理结构模式，这就是像文昌鱼这样的脊索动物不能再向高级演化的原因所在；而到脊椎动物洽洽相反，反而出现了凹型结构，将神经纤维凹陷到体内，更便于胚层的分化耦合，因此，人们知道脊索诱导是动物界腹索神经模式向背索神经模式转化的中间过度模式，虽然这一发育发生模式相对脊椎动物来说还相当落后，但是诱导的结果产生了背部中枢神经结构，为后期高级脊椎动物的出现奠定了基础。

2. 皮肤诱导与器官演变

动物脊索的出现使外胚层器官发育集中到背部呈现出脊神经结构，这一发育机制导致胚胎皮肤神经同源异构现象出现，神经管前部形成脑，后部形成尾部神经，中间形成脊神经，也就是脊索动物的中枢神经系统形成。

而与神经同源的皮肤呼吸功能开始退化，向具备呼吸功能的口腮裂发展，使得呼吸功能转移到内胚层分化支，也就是后来脊椎动物内胚层肺分化支的出现；退化的皮肤逐渐形成周围神经系统，为后期高等脊椎动物的附肢结构出现奠定了基础。

由此可知，脊索诱导和皮肤诱导在动物演化史上非常关键，是动物界向高等脊椎动物脑髓组织器官发育的基础。（见图4-2-7）

图4-2-7 脊椎动物脑髓经发生示意图

（三）内骨骼演化与细胞迁移

图4-2-8 细胞迁移示意图

细胞迁移，也称为细胞爬行、细胞移动或细胞运动，是指细胞在接收到迁移信号或感受到某些物质的梯度后而产生的移动。细胞迁移为细胞头部伪足的延伸、新的黏附建立、细胞体尾部收缩在时空上的交替过程。（见图4-2-8）

细胞迁移是正常细胞的基本功能之一，是机体正常生长发育的生理过程，也是活细胞普遍存在的一种运动形式。胚胎发育、血管生成、伤口愈合、免疫反应、炎症反应、动脉粥样硬化、癌症转移等过程中都涉及细胞迁移。

细胞迁移的过程大致分为4步：

①胞前端伸出片状伪足；

②细胞前端伪足和细胞外基质形成新的细胞黏附；

③细胞体收缩；

④细胞尾端和周围基质黏着解离，细胞向前运动。

细胞迁移需要胞外、胞内信号分子调控细胞骨架动力装置所给予的驱动力与移动蛋白细胞骨架介导的黏附所提供的锚定力之间的协调运作。多项研究表明，黏着斑、黏着斑激酶、整合素及Rho家族蛋白等在调控细胞迁移中发挥着重要作用。

无脊椎动物如海胆的原肠胚形成过程，即从囊胚到原肠胚的细胞迁移过程。开始时囊胚是由约1000个细胞组成的球状中空结构，球腔即为囊胚腔，球壁由单层细胞组成，植物极（可以看作是日后海胆身体的尾部）上皮比较厚，出现细胞内陷的倾向。然后一些间充质细胞开始游离植物极上皮，并在囊胚腔内爬行。而植物极上皮也开始向内折叠，上皮外围的细胞会向囊胚腔伸出丝状伪足，帮助上皮向动物极（可以看作为海胆日后的头部）移动并最终与囊胚腔另一端接合。上皮内陷折叠时，留下的空隙会成为日后的肠道，上皮与囊胚壁接触之处则是日后海胆的口部。

脊椎动物的神经嵴细胞，在胚胎期会不断从背侧向腹侧移行。其中一部分移行于外胚层下方，将来会分化为色素细胞，而那些行走的稍深一点的细胞，会形成后来交感神经的神经节细胞，肾上腺髓质。而颈部和骶部的神经嵴细胞则会沿着身体纵轴移到肠壁，就是说日后的组织肠神经丛，神经节神经元，肾上腺的嗜铬细胞都是由神经嵴细胞迁移分化得出的。

图4-2-9 神经嵴细胞迁移机理示意图

1. 中胚层诱导与神经管出现

脊椎动物演化与中胚层演化关系非常密切，依此渐进出现轴旁中胚层，间介中胚层，侧中胚层。

首先是轴中胚层形成脊椎，之后是轴旁中胚层，这两条中胚层分化支由腹侧向背侧接近外胚层，诱导外胚层细胞迁移出现了不同的结构和功能：神经板细胞和神经嵴细胞在轴旁中胚层的上顶运动下，出现神经嵴上褶，对靠运动，将神经板细胞积压凹陷形成神经嵴沟，随着这种凹陷，对靠运动，两侧神经嵴对接愈合，皮表外胚层也对接愈合，神经板内卷形成神经管，这种结构对于动物神经系统发育非常合理，可以保证中枢神经系统能够在独立封闭安全空腔内发育。

2. 神经嵴诱导和内骨骼的复杂化

当神经管形成和皮肤外胚层愈合后，神经板形成的神经组织自脑部向尾部发育，而神经嵴细胞开始一种新的细胞迁移运动，从神经管背侧部与皮肤连接处迁移出来，一部分停留在靠近脊髓处并分段形成脊神经节，另一部分则广泛移行分布于全身，发育成外周神经。

在这种神经细胞迁移运动的同时，也引发中胚层分化支的细胞迁移运动，原来的低等动物是从内胚层向中胚层最后到外胚层的器官演化方向；而到神经嵴结构出现，动物界系统演化出现了一种相反的演化方向，从外胚层—中胚层—内胚层演化的路线。

神经嵴细胞迁移是节律的发育过程，节律的作用将轴中胚层，轴旁中胚层分割为片状小块，也就是内骨骼脊椎结构的形成，神经脊细胞通过片状内骨骼中间的空隙向内迁移，也即是马尾状神经结构的形成机理，内骨骼之间的间隙就是脊椎神经孔（椎管）结构。

神经嵴诱导下形成的脊椎管和脊椎孔也就是内骨骼复杂化结构，这一结构将主要核心神经纤维包裹在坚硬的内骨骼中间，起到很大的保护作用，动物的活性和适应能力大大增强，因此，内骨骼的复杂化是动物向高等动物进化的另一标志。

3. 神经嵴细胞迁移的方向

当我们知道神经嵴诱导机制时，就知道了脊椎动物骨骼系统和神经系统的演化方向。

（1）背侧部途径：

脊椎动物的神经嵴细胞，在胚胎期会不断从背侧向腹侧移行。其中一部分移行于外胚层下方，将来会分化为色素细胞。

（2）腹侧部途径：

迁移行走稍深一点的细胞，会形成后来交感神经的神经节细胞，肾上腺髓质。而颈部和骶部的神经嵴细胞迁移到肠壁。就是日后的组织肠神经丛，神经节神经元，肾上腺的嗜铬细胞。

在神经嵴细胞迁移过程中，间充质中胚层首先发育形成肌肉组织，随后间介中胚层，脏壁中胚层开始分化形成体液循环结构，在胚胎内卷过程中体壁中胚层开始分化将胚胎内卷成中空筒状模式，体壁中胚层称为作为体腔内骨骼形成体腔的支撑骨干，原始的脊椎动物形态出现。（见图4-2-9 ）