Зачаття - це не момент. Це послідовність подій, які розгортаються протягом годин і днів, кожен крок залежить від точного молекулярного часу. Процес починається з двох клітин — сперматозоїда та яйцеклітини — кожна з яких містить половину генетичного матеріалу, необхідного для побудови людини. Їхня зустріч запускає каскад, який перетворює одну запліднену клітину на структуру, яка протягом тижня починає вбудовуватися в стінку матки та посилати хімічні сигнали в організм матері.
Подорож сперми: відбір до запліднення
Зі 100-300 мільйонів сперматозоїдів, що відкладаються під час еякуляції, лише кілька сотень досягають місця запліднення в ампулі маткової труби. Решта усувається вагінальною кислотністю, цервікальним слизом і імунними клітинами, які патрулюють жіночий репродуктивний тракт. Шийка матки виконує роль першого фільтра. За межами фертильного вікна цервікальний слиз утворює щільну сітку, через яку сперматозоїди не можуть проникнути. Під час овуляції естроген змінює структуру слизу — він стає водянистим і складається з мікроскопічних каналів, які спрямовують сперму вгору.
Сперматозоїди, які проходять через шийку матки, піддаються капацитації, біохімічному процесу, який видаляє білки та холестерин з мембрани головки сперматозоїда. Набір ємності займає від 6 до 8 годин. Без нього сперматозоїди не можуть проникнути крізь зовнішні шари яйцеклітини. Цей процес також готує сперматозоїди до акросомної реакції — вивільнення ферментів, які перетравлюють захисне покриття яйцеклітини.
Підготовка яйцеклітини: клітина в очікуванні
Яйцеклітина, або овоцит, — це найбільша клітина в організмі людини — приблизно 0,1 міліметра в діаметрі, яку можна побачити неозброєним оком. Він зупиняється в метафазі II мейозу, стані призупиненого поділу, який він зберігав ще до народження. Яйце оточене двома бар’єрами: cumulus oophorus, хмара поживних клітин, і zona pellucida, міцна глікопротеїнова оболонка.
Під час овуляції фімбрії фаллопієвої труби забирають яйце всередину. Вії, що вистилають трубу, створюють легкий струм, який переміщує яйцеклітину до матки. Яйцеклітина життєздатна приблизно від 12 до 24 годин. Запліднення має відбутися в цьому вікні.
Запліднення: момент злиття
Коли сперматозоїди досягають яйцеклітини, вони першими стикаються з кумулюсними клітинами. Ферменти гіалуронідази, що вивільняються з акросоми сперми, розчиняють матрикс, що утримує ці клітини разом. Сперматозоїди проштовхуються, досягаючи оболонкової оболонки. Один сперматозоїд вступає в контакт. Її акросома повністю розривається, вивільняючи ферменти, які створюють шлях через зону. Головка сперматозоїда зливається з оболонкою яйцеклітини.
Fusion запускає дві миттєві зміни. Спочатку яйцеклітина завершує мейоз II, відкидаючи половину своїх хромосом у маленьке полярне тільце. По-друге, кортикальні гранули всередині яйця вивільняють свій вміст у простір між мембраною та зоною. Це блокує надходження додаткових сперматозоїдів — зональна реакція. Поліспермія або запліднення кількома сперматозоїдами призводить до утворення нежиттєздатного ембріона з аномальною кількістю хромосом.
Усередині яйцеклітини хвостик сперматозоїда розчиняється. Набухає ядро сперматозоїда. Обидва ядра — тепер звані пронуклеусами — мігрують назустріч одне одному. Їх мембрани руйнуються. Материнська і батьківська хромосоми змішуються. Це сингамія, утворення зиготи. Подія відбувається приблизно через 18-24 години після надходження сперми. Тепер клітина містить 46 хромосом у новій унікальній комбінації. Половина від матері, половина від тата. Генетичний план встановлено.
Розщеплення: перші поділки
Приблизно через 24 години після запліднення зигота ділиться вперше. Це розщеплення — мітоз без росту клітини. Одна клітина стає двома, потім чотирма, потім восьми. Кожна дочірня клітина, яка називається бластомером, менша за батьківську. Ембріон залишається тим самим загальним розміром, що й зигота, все ще укладений у оболонку оболонки.
На стадії 8 клітин, приблизно на 3-й день, відбувається критична зміна: ущільнення. Бластомери сплющуються один проти одного і утворюють щільні з’єднання. Ембріон перетворюється на морулу, що латиною означає «шовковиця». Зовнішні клітини пізніше сформують плаценту. Клітини всередині стануть власне ембріоном. Це перша подія диференціації в розвитку людини — перше рішення про те, які клітини будуватимуть тіло, а які підтримуватимуть його.
Бластоциста: структура з метою
На 5-й день рідина починає накопичуватися всередині морули. Клітини утворюють порожнисту кулю, яка називається бластоцистою. Він містить дві популяції клітин:
- Трофектодерма. Один шар клітин, що утворює зовнішню оболонку. Це дасть початок плаценті та плодовим оболонкам.
- Внутрішня клітинна маса. Скупчення клітин, прикріплених до однієї сторони порожнини. Це плюрипотентні стовбурові клітини, здатні формувати будь-які тканини в організмі людини. Вони породять ембріон і, зрештою, весь організм.
Зона pellucida тоншає та розривається. Вилуплюється бластоциста. Тепер він може безпосередньо взаємодіяти з ендометрієм, слизовою оболонкою матки, підготовленою прогестероном під час лютеїнової фази. Вилуплення відбувається приблизно на 6-й день. Імплантація відбувається протягом 24–48 годин.
Імплантація: ембріон сам себе вбудовує
Імплантація – це активний, інвазивний процес. Бластоциста не плаває пасивно в стінці матки. Його клітини трофектодерми розширюють виступи, які захоплюють поверхню ендометрію. Вони виділяють ферменти, які розчиняють позаклітинний матрикс, проникаючи в тканини. Ембріон буквально закопується всередину. На 9 день він повністю занурений під поверхню ендометрію.
«Перші сім днів розвитку людини залишаються одним із найскладніших біологічних процесів для вивчення — не тому, що вони непізнані, а тому, що вони відбуваються в місці, до якого дослідники не можуть легко отримати доступ, не порушуючи те саме, що вони хочуть спостерігати». — Магдалена Зерничка-Гетц, біолог розвитку, Кембриджський університет
Після впровадження клітини трофектодерми далі диференціюються в синцитіотрофобласт — багатоядерну масу, яка проникає глибше в ендометрій і руйнує материнські капіляри. Кров із цих судин заповнює простори, які називаються лакунами, омиваючи ембріональні тканини. Це початок плацентарного кровообігу. Синцитіотрофобласт також виробляє хоріонічний гонадотропін людини (ХГЧ), гормон, який виявляють тести на вагітність. ХГЧ сигналізує жовтому тілу в яєчнику продовжувати виробляти прогестерон, запобігаючи менструації. Це перша хімічна розмова між ембріоном і матір’ю.
Гаструляція: з’являється план тіла
Приблизно на 14-й день внутрішня клітинна маса піддається гаструляції — визначальній події раннього ембріогенезу. Клітини мігрують і організовуються в три зародкові листки:
- Ектодерма. Зовнішній шар. З неї сформується шкіра, волосся, нігті та вся нервова система — мозок, спинний мозок, нерви.
- Мезодерма. Середній шар. Він будує м’язи, кістки, кров, нирки, статеві залози та серцево-судинну систему.
- Ентодерма. Внутрішній шар. Він стає слизовою оболонкою кишечника, легенів, печінки, підшлункової залози та щитовидної залози.
На цьому етапі з’являється структура, яка називається примітивною смугою — лінія клітин, яка визначає вісь голови до хвоста майбутнього тіла. Гаструляція завершується до кінця третього тижня. Зараз ембріон має приблизно 2 міліметри в довжину, але вже організований уздовж основних осей, які збережуться на все життя.
Від ембріона до плоду: органогенез
Тижні з 3 по 8 становлять ембріональний період, під час якого формується кожна система органів. Це найбільш вразлива фаза розвитку. На 22 день трубка з клітин починає згортатися в серце, і починаються спонтанні скорочення. На 28 день закривається нервова трубка — попередник головного і спинного мозку. Порушення закриття спричиняє дефекти нервової трубки, такі як розщелина хребта, тому прийом фолієвої кислоти є критичним у перші тижні вагітності, часто до того, як людина дізнається, що вагітна.
На 6-му тижні з’являються зачатки кінцівок. До 8 тижня всі основні органи присутні в рудиментарній формі. Ембріон має довжину близько 3 сантиметрів. Після 10 тижня термін змінюється з ембріона на плід. Розрізнення знаменує кінець органогенезу. Залишок вагітності — приблизно 30 тижнів — присвячений росту, вдосконаленню функцій органів і накопиченню жирової тканини.
Хронологія перших 28 днів
Найперші етапи людського життя рідко обговорюються в конкретних термінах, але вони дотримуються відтворюваної послідовності, яку підручники з ембріології документували протягом десятиліть. Наведена нижче хронологія підсумовує те, що відбувається від запліднення до настання вагітності:
- День 0. Запліднення. Сперма зливається з яйцеклітиною. Формуються пронуклеуси.
- День 1. Перше розщеплення. Зигота ділиться на дві клітини.
- День 3. Стадія Морула. 8–16 клітин. Починається ущільнення.
- День 5. Утворюється бластоциста. Розрізняють внутрішню клітинну масу та трофектодерма.
- 6–7 день. Починається вилуплення та імплантація.
- День 9–10. Імплантація завершена. ХГЛ потрапляє в кров матері.
- День 14. З'являється примітивна смуга. Починається гаструляція.
- День 21. Серце починає битися.
- День 28. Нервова трубка закривається. Створено основний план тіла.
Кожна жива людина пройшла через цю послідовність. Процес давній, спільний для ссавців лише з незначними варіаціями. Молекули, які керують цим, — гени, що формують вісь тіла, білки, що керують міграцією клітин — є висококонсервативними в ході еволюції. Ембріон миші та ембріон людини виглядають майже однаково під час гаструляції, розкриваючи спільну спадщину, записану в генетичному коді.
Розвиток не перестає проявлятися. Щороку з’являються нові дані з ембріологічних лабораторій і сповільненої зйомки процедур екстракорпорального запліднення. Чим більше ми спостерігаємо, тим ясніше стає, що початок життя — це не окрема подія, а поступ — низка ретельно витриманих рішень, прийнятих клітинами, які не мають ні мозку, ні плану, лише хімію та фізику, сформовані мільярдом років еволюції.