骨骼是如何長出來的？骨骼胚胎發育過程

內骨骼胚胎發生機制

第一節：腸體腔法與內骨骼發生機制

（一）腸體腔法的劣勢

內胚層向囊胚腔形成的囊狀突起稱為體腔囊。體腔囊與內胚層分離后擴展成為中胚層，如此形成中胚層的方式稱為體腔囊法。這種中胚層包圍的體腔稱為腸體腔，如此形成體腔的方式稱為腸體腔法。

這種體腔演化模式，中胚層向原腸腔開放，體腔是在和環境融合在一起的情況下形成的，體腔保留了環境的成分，并由此造成了其先天就無法脫離體腔形成的環境，離開水體腔無法形成。腸體腔動物無法向其他空間發展，原因就在這里。而裂體腔動物不存在這個問題，這就說明裂體腔動物體腔提前離開海洋向陸地發展，相比之下這是腸體腔動物在演化線上的劣勢。

（二）腸體腔法的優勢

雖然這種演化模式形成的動物向陸地發展比較慢，但也有他優勢的地方，內胚層在體腔內的演化速度比較慢，外胚層就有了與中胚層藕連的雙向演變趨勢，完成外胚層皮膚神經同源結構與原腸胚結構的藕連，這一雙向趨勢導致外胚層出現褶皺內凹運動，由此出現神經管結構，也就是原索動物向脊椎動物演化模式，內骨骼系統復雜化發育也隨之開始。

腸體腔形成后，中胚層組織慢慢由里向外發育，外胚層向內發育，開始出現神經索，也就是原索動物的出現，在此基礎上，消化道吸收的鈣質等骨骼成分隨著發育流向脊索附近，慢慢形成骨骼脊椎，脊椎動物出現。

第二節：脊索誘導與內骨骼發育機制

從動物演化看，從無脊索動物到有脊索動物出現是一次進化的飛躍，因此，脊椎動物的出現人們也稱之“第四胚層”，如何理解這一機制是理解高等動物機制的關鍵。（見圖4-2-2）

（一）原索動物神經集約化機制

動物從簡單到復雜，從低等到高等最大的標志是神經系統的集約化進程，而從胚胎機制看，也就是皮膚神經同源結構從分散到集約化的發育演化。

動物最基本的生存需求是從外界獲得能量維持機體的耗能，首先原腸發生發育演化，從單細胞動物的口溝，到有口無肛門結構，再到有口有肛門完整消化管的出現，內胚層器官分化是早期動物演化的主線，消化管的復雜化導致獲取能量的能力加大，由此引發從兩胚層的中膠質演變為中胚層，出現三胚層動物。這是動物演化的第一階段，這一階段的主要集中于內胚層原腸發育和中胚層內臟團發育，外胚層神經器官發育相對比較弱。

（二）腹索脊索與神經系統演化

動物神經系統從纖毛，網狀，放射狀，索狀是神經系統演化發育為第一個集約化階段，腹索動物出現是這一演化過程的成功標志，表明從內胚層向中胚層外胚層演化的成功，這一演化成功完成了動物消化管獲能力量的增大，但在氣血交換機制上還是不足，為了達到氣血交換結構完善，動物由腹索向脊索動物演化是一種必然的演變過程。

脊索動物胚胎發育首先從外胚層開始，皮膚呼吸神經同源性導致呼吸器官的集約化和神經集約化發育更具優勢，由此可以推斷，動物從腹索到脊索的演化是神經系統演化為第二階段（見圖4-2-3）。

（三）脊索動物胚胎分化機制

動物從內胚層—中胚層演化到外胚層時，就會出現一種由前向后（消化管前攝取后吸收），由腹部向脊部雙向演化的過程，當內胚層分化向脊部發育，在脊索部位積頂隆起，誘導外胚層成神經管形成。

脊索和神經管結構的形成，使三胚層分化支產生重新的耦合模式，外胚層體表呼吸功能退化集中到頭部出現原始的呼吸器官口塞裂，氧氣的進入就呈現出從前部向后部分布的規律，也導致呼吸器官逐漸從口腮裂，向呼吸腮演變，這一胚胎分化模式一旦被胚胎預定后，就出現了背索動物的胚胎發育模式。

從背索動物開始，胚胎發育出現先外胚層器官發育，后中胚層器官發育，最后內胚層器官發育的矢量順序，雖然脊索還不是真正的內骨骼結構，屬于一種近似骨骼的軟骨組織，但是這一發生發育機制可以稱為動物向脊椎動物演化的基礎。（見圖4-2-4 ）

第三節：脊椎胚胎發生與內骨骼發育

（一）預定神經胚

高等脊椎動物在胚胎發育胚盤期，胚體背側兩側部位向背部中線升起、靠攏并愈合在一起，形成一個中空的管狀結構，與此同時，管的頂部細胞脫離外胚層，兩側的外胚層細胞重新融合在一起，形成一個完整的外胚層，稱為神經嵴。（見圖4-2-5 ）

從出現中樞神經系統原基的神經板時期開始，到神經板閉合變成神經管期的胚胎而言，這一時期外胚層分化為神經板及表皮區，在神經板之下的為頭腸、前索板、脊索原基、預定體節的位置；多數情況下，表皮區的外胚層被側板的體壁中胚層反包著。主要器官原基在各胚層已開始出現，但組織分化尚未開始。這一機制稱之為預定神經胚。（見圖4-2-6）。

（二）脊椎動物神經系統發生機制

1. 脊索誘導與中樞神經演化

從動物比較發育學角度看，脊索動物的脊索出現是延續低等動物的演化線路，動物的胚胎演化遵循單細胞-兩胚層-三胚層這樣的順序演化路線，而在這一演化過程中產生兩種細胞誘導機制：原腸誘導和脊索誘導。

原腸誘導是低等動物胚胎發育模式，從單細胞動物的口溝，到兩胚層動物的半消化管結構，再到三胚層動物的完全消化管結構，主要發育器官圍繞在消化管周圍，外胚層神經細胞遷移也集中到腹部形成腹索動物結構。

脊索誘導是高等動物的胚胎發育模式，內胚層發育出脊索結構，首先誘導中胚層分化到達脊索附近，隨后外胚層神經細胞向內遷移，這就是脊索動物，這一機制導致脊索動物在胚胎期產生獨有的組織器官發育順序：

脊索動物形成的脊索是身體背部起支持作用的棒狀結構，位于消化道背面、背神經管腹面。在發生機制上來自胚胎的原腸背壁，后與原腸脫離形成，脊索屬于內胚層結構，說明內胚層器官分化運動已經到達外胚層位置出現了脊索結構；當內胚層到外胚層位置時，中胚層也隨之到達，在以后的演化過程中中胚層替代了脊索，也就是軸中胚層的出現，隨之又分化出軸旁中胚層，也就是脊椎動物的胚胎發育模式出現。

脊索動物內胚層脊索分化支到達背側位置將外胚層頂起，神經管就會被頂出凸起形態，這一發育結構就會使神經系統遠離體腔，這是一種非常不合理結構模式，這就是像文昌魚這樣的脊索動物不能再向高級演化的原因所在；而到脊椎動物洽洽相反，反而出現了凹型結構，將神經纖維凹陷到體內，更便于胚層的分化耦合，因此，人們知道脊索誘導是動物界腹索神經模式向背索神經模式轉化的中間過度模式，雖然這一發育發生模式相對脊椎動物來說還相當落后，但是誘導的結果產生了背部中樞神經結構，為后期高級脊椎動物的出現奠定了基礎。

2. 皮膚誘導與器官演變

動物脊索的出現使外胚層器官發育集中到背部呈現出脊神經結構，這一發育機制導致胚胎皮膚神經同源異構現象出現，神經管前部形成腦，后部形成尾部神經，中間形成脊神經，也就是脊索動物的中樞神經系統形成。

而與神經同源的皮膚呼吸功能開始退化，向具備呼吸功能的口腮裂發展，使得呼吸功能轉移到內胚層分化支，也就是后來脊椎動物內胚層肺分化支的出現；退化的皮膚逐漸形成周圍神經系統，為后期高等脊椎動物的附肢結構出現奠定了基礎。

由此可知，脊索誘導和皮膚誘導在動物演化史上非常關鍵，是動物界向高等脊椎動物腦髓組織器官發育的基礎。（見圖4-2-7）

（三）內骨骼演化與細胞遷移

細胞遷移，也稱為細胞爬行、細胞移動或細胞運動，是指細胞在接收到遷移信號或感受到某些物質的梯度后而產生的移動。細胞遷移為細胞頭部偽足的延伸、新的黏附建立、細胞體尾部收縮在時空上的交替過程。（見圖4-2-8）

細胞遷移是正常細胞的基本功能之一，是機體正常生長發育的生理過程，也是活細胞普遍存在的一種運動形式。胚胎發育、血管生成、傷口愈合、免疫反應、炎癥反應、動脈粥樣硬化、癌癥轉移等過程中都涉及細胞遷移。

細胞遷移的過程大致分為4步：

①胞前端伸出片狀偽足；

②細胞前端偽足和細胞外基質形成新的細胞黏附；

③細胞體收縮；

④細胞尾端和周圍基質黏著解離，細胞向前運動。

細胞遷移需要胞外、胞內信號分子調控細胞骨架動力裝置所給予的驅動力與移動蛋白細胞骨架介導的黏附所提供的錨定力之間的協調運作。多項研究表明，黏著斑、黏著斑激酶、整合素及Rho家族蛋白等在調控細胞遷移中發揮著重要作用。

無脊椎動物如海膽的原腸胚形成過程，即從囊胚到原腸胚的細胞遷移過程。開始時囊胚是由約1000個細胞組成的球狀中空結構，球腔即為囊胚腔，球壁由單層細胞組成，植物極（可以看作是日后海膽身體的尾部）上皮比較厚，出現細胞內陷的傾向。然后一些間充質細胞開始游離植物極上皮，并在囊胚腔內爬行。而植物極上皮也開始向內折疊，上皮外圍的細胞會向囊胚腔伸出絲狀偽足，幫助上皮向動物極（可以看作為海膽日后的頭部）移動并最終與囊胚腔另一端接合。上皮內陷折疊時，留下的空隙會成為日后的腸道，上皮與囊胚壁接觸之處則是日后海膽的口部。

脊椎動物的神經嵴細胞，在胚胎期會不斷從背側向腹側移行。其中一部分移行于外胚層下方，將來會分化為色素細胞，而那些行走的稍深一點的細胞，會形成后來交感神經的神經節細胞，腎上腺髓質。而頸部和骶部的神經嵴細胞則會沿著身體縱軸移到腸壁，就是說日后的組織腸神經叢，神經節神經元，腎上腺的嗜鉻細胞都是由神經嵴細胞遷移分化得出的。

1. 中胚層誘導與神經管出現

脊椎動物演化與中胚層演化關系非常密切，依此漸進出現軸旁中胚層，間介中胚層，側中胚層。

首先是軸中胚層形成脊椎，之后是軸旁中胚層，這兩條中胚層分化支由腹側向背側接近外胚層，誘導外胚層細胞遷移出現了不同的結構和功能：神經板細胞和神經嵴細胞在軸旁中胚層的上頂運動下，出現神經嵴上褶，對靠運動，將神經板細胞積壓凹陷形成神經嵴溝，隨著這種凹陷，對靠運動，兩側神經嵴對接愈合，皮表外胚層也對接愈合，神經板內卷形成神經管，這種結構對于動物神經系統發育非常合理，可以保證中樞神經系統能夠在獨立封閉安全空腔內發育。

2. 神經嵴誘導和內骨骼的復雜化

當神經管形成和皮膚外胚層愈合后，神經板形成的神經組織自腦部向尾部發育，而神經嵴細胞開始一種新的細胞遷移運動，從神經管背側部與皮膚連接處遷移出來，一部分停留在靠近脊髓處并分段形成脊神經節，另一部分則廣泛移行分布于全身，發育成外周神經。

在這種神經細胞遷移運動的同時，也引發中胚層分化支的細胞遷移運動，原來的低等動物是從內胚層向中胚層最后到外胚層的器官演化方向；而到神經嵴結構出現，動物界系統演化出現了一種相反的演化方向，從外胚層—中胚層—內胚層演化的路線。

神經嵴細胞遷移是節律的發育過程，節律的作用將軸中胚層，軸旁中胚層分割為片狀小塊，也就是內骨骼脊椎結構的形成，神經脊細胞通過片狀內骨骼中間的空隙向內遷移，也即是馬尾狀神經結構的形成機理，內骨骼之間的間隙就是脊椎神經孔（椎管）結構。

神經嵴誘導下形成的脊椎管和脊椎孔也就是內骨骼復雜化結構，這一結構將主要核心神經纖維包裹在堅硬的內骨骼中間，起到很大的保護作用，動物的活性和適應能力大大增強，因此，內骨骼的復雜化是動物向高等動物進化的另一標志。

3. 神經嵴細胞遷移的方向

當我們知道神經嵴誘導機制時，就知道了脊椎動物骨骼系統和神經系統的演化方向。

（1）背側部途徑：

脊椎動物的神經嵴細胞，在胚胎期會不斷從背側向腹側移行。其中一部分移行于外胚層下方，將來會分化為色素細胞。

（2）腹側部途徑：

遷移行走稍深一點的細胞，會形成后來交感神經的神經節細胞，腎上腺髓質。而頸部和骶部的神經嵴細胞遷移到腸壁。就是日后的組織腸神經叢，神經節神經元，腎上腺的嗜鉻細胞。

在神經嵴細胞遷移過程中，間充質中胚層首先發育形成肌肉組織，隨后間介中胚層，臟壁中胚層開始分化形成體液循環結構，在胚胎內卷過程中體壁中胚層開始分化將胚胎內卷成中空筒狀模式，體壁中胚層稱為作為體腔內骨骼形成體腔的支撐骨干，原始的脊椎動物形態出現。（見圖4-2-9 ）