Introduction to Embryology ZOOL 100 Lecture #1 PDF
Document Details
Uploaded by LovedOak
University of Sohag
Tags
Summary
This document is an introduction to embryology lecture focused on the processes of animal development. It examines the history, methodology, and foundational concepts of the study of embryos and their development.
Full Transcript
كلــية العـلـوم Faculty of Science An introduction to Embryology ZOOL 100 Lecture #1 Embryology = Embryon = "the unborn, embryo“ -logia = study So, Embryology is a branch of animal biolog...
كلــية العـلـوم Faculty of Science An introduction to Embryology ZOOL 100 Lecture #1 Embryology = Embryon = "the unborn, embryo“ -logia = study So, Embryology is a branch of animal biology which concerned with the study of embryos and their development. What is difference between Embryology and Development Embryology = explains what happens to a fertilized egg during embryo development, and its primary concern is the embryo (unborn). Developmental biology deals with all the developments that occur in organisms from embryo development to adulthood. Notes On The History Of Embryology Hippocrates, Father of Medicine, first recorded embryological studies; bird embryo can be likened to that of man. Aristotle: studied chick and other embryos, which resulted from union of semen with menstrual blood. The History Of Embryology In Renaissance period: Many theories that explain the formation of the embryo (see other sources for more information). But, it failed to explain many of the phenomena of embryonic development. In 1677, the microscope was invented. The History Of Embryology The Noble Qur’an and the Sunnah of the Prophet Muhammed 1426 years ago listed clear evidence about embryology and genetics. Dr. Keith Moore, Professor of Embryology at the University of Toronto, Canada. He authored 16 anatomy and embryology books. The History Of Embryology The History Of Embryology Total life span of an animal can be divided into phases; 1.Prenatal developmental phase The main developmental changes occurring before birth (fertilization, cleavages ……) In most mammals, this phase divided into three periods 2. Embryonic period 1. Pre-Embryonic 3. Fetal period Blastula after implantation (germinal) period divide continuously and Begins once cell Begins after fertilization rapidly through a process differentiation is mostly and continue until called gastrulation to form complete. Include early body three layers called germ systems and structures as formation of blastula stage layers (ecto, meso & and its fully implantation developing brain, sex organs, endoderm) & cell into uterine tissue. lungs ….. differentiation. 2. Postnatal developmental phase: Includes changes occurring after birth reaching to adulthood phase. IMPORTANCE OF EMBRYOLOGY 1. Helps us understand the normal body structure and understand malformation origin and pathological conditions. 2. Drug manufacturers need knowledge of embryology. Fertility and infertility drugs. 3. Pesticides manufacturers also depends on embryonic knowledge (the goal is to stop the reproductive cycle of those organisms). 4. Increase the breeding of endangered species. Introduction to Embryology ZOOL 100 BRANCHES OF EMBRYOLOGY 1- Descriptive embryology: Describe all embryonic stages. 2- Comparative embryology: Comparative study between embryonic stages of different organisms. 3- Experimental embryology: Study of embryos undergo the different experiments trying to understand the developmental mechanism of the different stages of embryos. 4- Chemical embryology: Study the biological, biophysical, biochemical, molecular and physiology changes in the different stages of embryos. Let’s Remember Introduction to Embryology ZOOL 100 المفاهيم األساسية لعملية التكوين Basic concepts of development ويمكن تلخيص المراحل والتغييرات التى يمر بها الحيوان بعد عملية التكاثر الجنسى فى عدة خطوات كاالتى: تكوين األمشاج ( Gametogenesisالذكرية .1 Spermatogenesisواألنثوية . (Oogenesis التلقيح . Fertilization .2 عملية التفلج أو االنقسام . Cleavage or Segmentation .3 تكوين البالستوال .Blastula .4 التبطين .Gastrulation .5 تكوين الطور العصبي و االعضاء & Organization .6 .Neurulation Introduction to Embryology ZOOL 100 Gametogenesis is the process at which the male and female sex cells or gametes are produced (i.e., sperms and ova) in the male and female gonads (testes and ovaries). a. Spermatogenesis b. Oogenesis Produce male Produce female gametes (sperms) gametes (ova) (N) (N) تكوين األمشاج Gametogenesis عملية تكوين االمشاج :gametogenesisهى اولى خطوات تكوين الصغار ،وهى العملية التى تتضمن اختزال عدد الكروموسومات الى النصف فى االمشاج المتكونة ،وتعرف عملية تكوين الخاليا الجرثومية المذكرة بعملية تكوين الحيوانات المنوية ، spermatogenesisبينما يعرف تكوين الخاليا الجرثومية المؤنثة بعملية تكوين البويضات . oogenesis تذكر أنه لمعرفة حدوث عملية تكوين األمشاج يجب أن تراجع ما درسته سابقا عن كيفية حدوث األنقسام الميوزي(األختزالي) ،Meiotic divisionوكذلك التركيب التشريحي والنسيجي للخصيات والمبايض في الحيونات الفقارية. تكوين األمشاج Gametogenesis أهمية عملية تكوين األمشاج: اختزال العدد المعتاد للكروموسومات فى خاليا الجسم العاديةة لنةوم مةا مةةن الحيةةوان مةةن (2ن) لنصةةف العةةدد ليصةةبح (ن) فةةى كةةل مةةن االمشةةاج المةةذكرة أو المؤنثةةة.وعنةةد انةةدماج حيةةوان منةةوع يحتةةوع علةةى (ن) مةةن الكروموسومات مع بويضة بها (ن) أيضا مةن الكروموسةومات ،فةان ذلةك يةةؤدع الةةى اسةةتعادة العةةدد الطبيعةةى المةةزدوج للكروموسةةومات (2ن) فةةى الخاليا الجسمية للنسل الناتج. ) خلية جسدية sperm + Egg zygote (Somatic cell )(n )(n )(2n مثال في حالة األنسان ،الخلية الجسدية تحتوي علي 46كروموسوم.أما الحيوان المنوي للذكر(المشيج المذكر) فيحتوي علي 23كروموسوم، والبويضة (المشيج المؤنث) في األنثي فتحتوي علي 23كرموسوم نقل المعلومات والصفات الوراثية من اآلباء واألمهات لألبناء. Gametogenesis = Includes two processes; * Spermatogenesis which means the formation of sperm (male gametes) *Oogenesis which means the formation of the ovum (female gametes). *Sperm and ovum are highly specialized sex cells. *Both spermatogenesis and oogenesis comprise similar phases of sequential changes as multiplication, growth and maturation phases. a. Spermatogenesis Introduction to Embryology ZOOL 100 *The process of the formation of sperms is called spermatogenesis. *Spermatogenesis includes the formation of spermatids and the formation of spermatozoa through a series of mitotic and meiotic divisions. *Begins in male after puberty, and it is continued throughout life. * Even though sperms are continuously being formed in the testes, not all areas of the testes can form sperm at the same time. Spermatogenesis Includes two processes a. Spermatogenesis Introduction to Embryology ZOOL 100 Tubule lined with germinal epithelium consists largely of cuboidal or primordial germ cells. Also contains certain tall somatic cells called Sertoli cells (= nurse cells). (a) Multiplication Phase: * At sexual maturity, the undifferentiated primordial germ cells (also called stem cells) divide several times by mitosis to produce a large number of spermatogonia. * Half of Spermatogonia (2N) serve as the stem cells which divide to form additional spermatogonia and are called Type A spermatogonia, whereas the rest remain to develop to form sperm cells (are the precursors of sperms) and are called Type B spermatogonia. (b) Growth Phase: *Type B spermatogonia migrate towards Sertoli cells. ** Sertoli cells [=nursing cells] are the cells that are randomly scattered throughout the seminiferous tubules and provide nutrients to the developing spermatogonia. * Each type В spermatogonium actively grows, by obtaining nourishment, to a larger primary spermatocyte, but still contains a diploid number (2N). (c) Maturation Phase: **After a resting period, these primary spermatocytes move towards the lumen of seminiferous tubes and each undergoes two successive divisions, called maturation divisions. ** The first maturation division is reductional and known as meiosis I. Hence, the primary spermatocyte divides into two haploid daughter cells (N) called secondary spermatocytes. **Both secondary spermatocytes rapidly undergo second maturation division [known as meiosis II] which is an ordinary mitotic division to form four haploid spermatids, from a single primary spermatocyte. **The process of forming spermatids from the secondary spermatocyte is called Spermatidogenesis Out of the [2N] of chromosomes in the spermatogonia, one pair is of sex chromosomes and composed of one “X” chromosome, which is the female chromosome, and one “Y” chromosome, which is the male chromosome. During meiotic division, the X chromosome enters one spermatid, and the Y chromosome enters another spermatid. The sex of the zygote is then determined based on which one of these four spermatids fertilizes the ovum a. Spermatogenesis Type B spermatogonia Type A spermatogonia 1 Type B spermatogonia Type A spermatogonia 2 3 التحول النطفي Spermiogenesis مرحلة التمايز النطفي Differentiation Phase: هي تحول الطالئع المنوية ( )Spermatidsمن الشكل الخلوي العادي الكروي الى الشكل المعروف للحيوانات المنوية ذات رأس وعنق وذيل ،وذلك بدون انقسام خلوي للطالئع المنوية وتتم على أربع مراحل : خاليا سيرتولي : خاليا جسدية تحمي وتغذي الخاليا الجنسية في األنيبيبات المنوية طرفها على الغشاء القاعدع لألنيبيبة المنوية وطرفها األخر يمتد الى التجويف الداخلي . Formation of Sperms from Spermatids Introduction to Embryology ZOOL 100 (Spermiogenesis) Transformation of spermatids into spermatozoa is called spermiogenesis or spermateliosis. It is the last stage of spermatogenesis. Spermatids retain the structure of epithelioid cells for a short time. Soon undergo changes in the shape and structure to form a mature spermatozoon which later known as a sperm. Spermiogenesis التحول النطفي Golgi phase: Golgi body enzymes form the acrosome Acrosomal phase: Acrosome condense around the nucleus مرحلة تكوين الجسم القمي ( ) Acrosomesحيث تتحور النواة لتأخذ الشكل النهائي لرأس الحيوان المنوي. للجسم القمي أهمية في عملية االخصاب حيث يحتوي علي مواد محللة. Tail phase: Centriole elongate to form tail Maturation phase: loss excess cytoplasm Structure of Spermatozoon (Sperm) Introduction to Embryology ZOOL 100 Human Sperm i. Head Acrosome and large nucleus. Proximal centriole Acrosome formed from Golgi body. Acrosome contains proteolytic enzymes (hyaluronidase) known as spermlysins. Neck: Very short. Contains two centrioles; Proximal centriole behind the nucleus and enters into the egg during fertilization and plays a role in the first cleavage of the zygote. Distal centriole composes axial filament of the sperm and disappears after axoneme assembly. Introduction to Embryology ZOOL 100 Structure of Spermatozoon (Sperm): ii. Middle piece: Contains the mitochondria coiled around the axial filament and called mitochondrial spiral. Provide energy for the movement of the sperm. At the end of the middle piece there is a ring End centriole (annulus) that form a diffusion peice barrier between the middle piece and the main piece of tail and serve as a stabilizing structure for tail rigidity. iii. Tail (flagellum): capable of swimming and aids in the penetration of the egg. Formed of axoneme (axial filament), microtubules. Main piece= longest part of tail, surrounded by a thin layer of cytoplasm, cell membrane and fibrous sheath. Tail End piece= consists of naked filament alone. Sperm shapes in different animals أشكال الحيوانات المنوية في بعض الحيوانات المختلفة b. Oogenesis Introduction to Embryology ZOOL 100 The process of formation of female gametes (ova). It occurs in the ovaries (female gonads). Begins inside the fetus before birth. The steps in oogenesis up to the production of primary oocytes occur before birth. Primary oocytes do not divide further. They either become secondary oocytes or degenerate. before birth (a) Multiplication phase: ** In fetal development, certain cells in the germinal epithelium of the ovary are larger than others. These cells divide by mitosis, producing a couple of million egg mother cells or oogonia [2N] in each ovary of the fetus. ** No more oogonia are formed or added after birth. ** Oogonia are surrounded by a layer of flat epithelial cells called follicular cells. ** The oogonia multiply by mitotic divisions forming the primary oocytes [2N]. (b) Growth phase: **This phase takes a very long time. It may extend over many years. **The primary ova remain dormant until ovulation and become matured afterward. Some of these cells take as long as 40 years to mature while some reach maturation. **In this phase, the follicular cells, around the primary oocyte, proliferate and form a stratified cuboidal epithelium known as granulosa cells. This structure (primary oocyte+ granulosa cells) is called the primary follicle. **A large number of these follicles degenerate during the period from birth to puberty. So, at puberty, only 60,000- 80,000 primary follicles are left in each ovary. **The area present between granulosa cells and oocyte forms a central fluid-filled space called the antrum. (c) Maturation phase: **Like a primary spermatocyte, each primary oocyte undergoes two maturation divisions, the first meiotic and the second meiotic. ** The results of maturation divisions in oogenesis are, however, very different from those in spermatogenesis. -In the first meiotic division, the primary oocyte divides into two very unequal haploid daughter cells— a large secondary oocyte and a very small first polar body or 1st polocyte. -In the second maturation division, the first polar body may divide to form two second polar bodies. The secondary oocyte again divides into unequal daughter cells, a large ootid and a very small second polar body. **The ootid grows into a functional haploid ovum. Thus, from one oogonium, one ovum and three polar bodies are formed. **The ovum is the actual female gamete. The polar bodies take no part in reproduction and hence, soon degenerate. Oogenesis This is the state of the egg when fertilized Development of Eggs and Sperm b. Oogenesis Introduction to Embryology ZOOL 100 1 2 3 Stages of Development in the Ovary Stages of of ova development in the ovary مراحل تطور البويضة فى المبيض Oogenesis, the developme nt of the egg cell in the ovary (from the Internet) Explain the development of ovium Explain the role of corpus تكوين البويضات Oogenesis يتم تكوين االمشاج المؤنثة (أو البويضات) فى المبيض بعملية تشبه الى حد كبير عملية تكوين الحيوانات المنوية فى الخصية وهى تشتمل على نفس المراحل الثالثة المعتادة: -1مرحلة التكاثر : Multiplication phase تنقسم الخاليا الجرثومية األولية primordial germ cellsالتى توجد على حافة المبيض بعدة إنقسامات غير مباشرة متتالية ينتج عن ذلك عدد كبير من الخاليا الصغيرة التى تعرف بأمهات البيض Oogoniaالتى توجد عادة فى مجموعات أو أعشاش تعرف بعشائش أمهات البيض nests of oogoniaو يحتوع كل منها العدد المضاعف للكروموسومات ). (2n تابع تكوين البويضات Oogenesis -2مرحلة النمو : Growth phase تزداد أمهات البيض فى الحجم جدا على حساب الخاليا األخرع وذلك نتيجة الختزان بعض المواد الغذائية من الدم وتعرف الخاليا الناتجة بالخاليا البيضية االبتدائية Primary oocytesالتى اليزال كل منها يحمل العدد المضاعف للكروموسومات ). (2n تدخل البويضات االبتدائية في مرحلة كمون وهي في المرحلة التمهيدية (الطور الضام) لإلنقسام االختزالى األول . -3مرحلة النضج :Maturation phase تتم هذه المرحلة فى الحيوانات الفقارية بعد خروج الخاليا البيضية االبتدائية من المبيض.وتحدث غالبا تحت تأثير دخول الحيوانات المنوية فى أثناء عملية اإلخصاب. فى مرحلة بلوغ األنثي تنقسم الخلية البيضية االبتدائية إنقساما اختزاليا بمرحلتيه األولى والثانية. فى اإلنقسام األختزالى األول تنقسم الخلية البيضية االبتدائية الى خليتين غير متساويين فى الحجم ،إحداهما كبيرة وتعرف بالخلية البيضية الثانوية Secondary oocytesو األخري صغيرة وتعرف بالجسم القطبى األول first polar bodyأو الخلية القطبية األولى polocyteو يحتوع كل منهما على العدد النصفى للكروموسومات ). (n بعد عملية التبويض ونزول البويضة إلى قناة البيض(واثناء اإلخصاب في معظم اإلناث) تكمل البويضة الثانوية األنقسام اإلختزالى الثاني فى األنقسام األختزالى الثاني تنشطر الخلية البيضية الثانوية بشكل غير متساو إلى طليعة بيضية ootidكبيرة ،وخلية قطبية ثانية secondary polar bodyأصغر منها فى الحجم بكثير.وفى نفس الوقت تنقسم الخلية القطبية األولى إلى خليتين قطبيتين ثانيتين صغيرتين تجدر اإلشارة إلى أن كال من الطالئع البيضية والخاليا القطبية الثانية تحتوع على العدد النصفى ) (nمن الكروموسومات. يلى ذلك تحلل الخاليا القطبية الثانية ،فى حين تنمو كل طليعة بيضة لتكون بويضة ناضجة mature ovumأو بيضة eggوعلى ذلك فإن كل خلية بيضية ابتدائية تعطى فى النهاية بويضة ناضجة واحدة ،وذلك على النقيض من الخاليا المنوية اإلبتدائية التى يكون كل منها أربعة حيوانات منوية. الحظ أن نضوج البويضة يأخذ وقت اطول General structure of an ovum Ovum structure is varied in different animal groups. Ovum in Invertebrates differs from plasmalemma vertebrates, as well as they show variation in-between. Vitelline memb. A nucleus surrounded by cytoplasm and both enveloped with cell membrane. 1. Primary membranes: theses include two membranes. Plasmalemma = membrane of female sex cell. Vitelline membrane = found in most animals; absent in mammals. It is thin and transparent lying close to the plasmalemma. It forms the fertilization membrane after penetration of sperm. Introduction to Embryology ZOOL 100 2. Secondary egg membranes = membranes secreted by the follicle cells in ovary which only found in mammals. Corona radiata – consists of the follicle cells that surround the secondary oocyte after ovulation. These cells gradually disperse after fertilization and before implantation. Zona pellucida = clear, thick membrane secreted and surrounded by the follicle cells (granulosa cells). It develops as a jelly coat around the primary oocyte. Finally, it is transformed into the fertilization membrane. 3. Tertiary egg membranes = secreted by the oviduct glands. They are absent in mammals. Jelly coat = around amphibian eggs. Albumin and leathery or hard shells = found in reptile and birds تركيب البويضة Structure of Ovum الخلية البيضية ( ) Ovumهي التي تكونت في المبيض وهي جزء من البيضة (Egg ) والتى تتحول الى بيضة في قناة البيض نتيجة إلضافة األغشية حول البويضة. فبيضة الدجاجة مثال تحتوى على الخلية البيضية (صفار البيضة ) وبقية اجزاء البيضة من الزالل والقشرة الكلسية وغيرها بما فيها البويضة تسمى بالبيضة. تحتوى البويضة كأى خلية اخرى على غشاء خلوي كثير الخمالت والسيتوبالزم والنواة وهي تعتبر من الخاليا الكبير في األنثى ،فحجم البويضة في المبيض ( قي الثدييات 200ميكرون) مقارنة بالحيوان المنوي(~ 5ميكرون ). من أهم الخصائص التركيبية للبويضة وجود ما يعرف بحبيبات القشرة Cortical granulesوتشكل تلك الحبيبات تراكيب غشائية تتراكم في قشرة البويضة تحت غشاء األخصاب مباشرة.تؤدي هذه الحبيبات وظيفة هامة أثناء األخصاب.وتعتبر هذه الحبيبات تركيب متناظر للجسم القمي في الحيوان المنوي تحاط بويضة أغلب الثدييات بغالف من مواد كربوهيدراتية بروتينية تعرف بالمنطقة الرائقة . Zona Pellucid تركيب البويضة Structure of Ovum األغشية التي تحيط بالبويضة (األغشية الثانوية) :وهي األغشية التي يتم إضافتها من غدد قنويه لقناة البيض وتحيط بالبويضة في كل من الزواحف والطيور فتعطيها وصف البيضة ) )Eggوهي تختلف بإختالف األنواع : ففي الطيور يتم افراز الزالل بياض البيض األلبيومين ( )Albuminالذي يحيط بصفار البيضة (البويضة) تمتد بينهم الكالزا ،ثم غشاء القشرة المزدوج ثم تحاط بالقشرة الكلسية ()Egg shell في البرمائيات تحاط البويضة بغشاء جالتيني اما في الثدييات فتخرج البويضة الى قناة البيض وهي محاطة ببقايا الخاليا الحويصلية والتي تعرف بالخاليا الركامية ( Cumulus .)Oopharus في معظم الفقاريات تحاط البويضة بمنطقة شعاعية Zona radiataمن خاليا حويصلية Follicular cells تركيب البويضة البويضة غالبا كروية الشكل تحتوى على: نواة دائرية الشكل. كتلة من السيتوبالزم يحيط بالنواة. مح منتشرفى السيتوبالزم بكميات مختلفة. تحاط البويضة بعدة أغشية هى: غشاء المح ...تفرزه البويضة و يسمى أيضا بالغشاء األبتدائى. غشاء ثانوى ...تفرزه الخاليا الحويصلية التى تحيط بالبويضة فى المبيض. غشاء ثالث...فى حالة وجود قشرة صلبة كمافى الطيور(قشرة البويضة). تتميز البويضة بوجود قطبين ..قطب حيواني (النصف العلوي) و قطب خضري (النصف السفلي). Structure of Ovum تركيب البويضة الفرق بين تركيب كل من البويضة والبيضة Types of Ova انواع البويضات أ -تنقسم البويضات تبعا الى كمية المح Alecithal بويضات ال تحتوى على مح .1 Oligolecithal eggs قليلة المح .2 Mesolecithal eggs متوسطة المح .3 Polylecithal eggs كثيرة المح .4 ب -تنقسم البويضات تبعا لتوزيع المادة المحية .1بويضات متجانسة المح (Homolecithal) Isolecithal eggs Telolecithal egg .2بويضات طرفية المح Centrolecithal eggs .3مركزية المح Introduction to Embryology ZOOL 100 Types of Ova 1. On the Basis of the Amount of yolk (=the proportion of the yolk to the cytoplasm of the ovum) there are three types of egg: a) Alecithal Egg: There are no yolk. E.g., … eggs of eutherian mammals (horse, rat) b) In microlecithal eggs: The amount of yolk is much less than the amount of cytoplasm. These eggs are very small in size. E.g., Amphioxus Introduction to Embryology ZOOL 100 Types of Ova c) Mesolecithal Egg: Yolk is moderate in amount and such eggs are called mesolecithal or medialecithal. The distribution of yolk is distinctly unequal. E.g., eggs of sharks, ganoid fishes, and many amphibians are of this type. d) Macrolecithal or Megalecithal or Polylecithal Egg Contain Enormous amount of yolk and here yolk is several times greater than cytoplasm. These eggs may be small or big. Example ….. eggs of teleost fishes, reptiles, birds and monotremates (egg laying mammals). Introduction to Embryology ZOOL 100a Types of Ova 2. According to distribution of yolk granules or platelets in the cytoplasm of the ova: a] Isolecithal or Homolecithal Egg: The yolk is uniformly distributed through the cytoplasma. E.g., Amphioxus, many invertebrates and mammals including man. b] Telolecithal Egg: Yolk more abundant (moderate or large quantity of yolk). Tends to concentrate in one hemisphere of the egg. Uneven distribution of yolk (i.e., not uniformly distributed), yolk is concentrated & greatest at vegetal pole. Introduction to Embryology ZOOL 100a Types of Ova C] Centrolecithal Egg Egg of many arthropods and some coelenterates are described as centrolecithal. They are relatively large and elongate and have a very great amount of yolk. The nucleus lies at the centre of the yolk mass. The yolk is surrounded (=covered) by a small amount of cytoplasm Introduction to Embryology ZOOL 100 Functions (importance) of Yolk: 1. Supply energy and synthesis of the products required for elaboration of the embryonic body. 2. Affect the size of the ovum, 3. Influence differentiation of ooplasm, 4. Patterns of cleavage, 5. Affect morphogenetic movements of blastomeres during gastrulation, and 6. Affect the type of development whether direct or indirect.