第一章生殖及生殖生物學“天地之大德曰生”。生命永遠是宇宙中最寶貴的，生命具有無可爭辯的意義，是第一本位的。“種”的繁衍生殖自然就具有無與倫比的重要意義。生命的承傳、沿襲是人類賴以永恒存在的源泉。宇宙中的一切事物，因為有了生命的存在才顯示了自身的價值和意義。每個有生命的個體總會以某種方式繁衍與自己性狀相似的后代以延續生命，這就是生殖（reproduction）。從生理學的角度來看，生殖是一切生物體的基本特征之一，一個個體可以沒有生殖而生存，但一個物種的延續則必需依賴于生殖。生物通過生殖實現親代與后代個體之間生命的延續。盡管遺傳信息決定了后代延承親代的特征，但遺傳是通過生殖而實現的。親代遺傳信息在傳遞過程中會發生變化，從而使物種在維持穩定的基礎上不斷進化成為可能。生命的延續本質上是遺傳信息的傳遞。在生物代代繁衍的過程中，遺傳和變異與環境的選擇相互作用，導致生物的進化。因此，生殖過程本身除了是生物由一代延續到下一代的重要生命現象外，與遺傳、進化，甚至生命起源的問題緊密相關。一、生殖現象的研究歷史MacedonianAristotle（公元前384-322）是最早系統從事動物生殖與發育方面研究的學者，首先提出了胚胎是由簡單到復雜逐漸形成的觀點。1683年AntonivanLeeuwenhoek首次在精液中發現了精子，并提出“精源說”，認為在精子中存在人的雛形，發育只是這個雛形的放大而已。以后MarcelloMalpighi（1628-1694）和JanSwamerdam（1637-1680）等又提出了“卵源說”，認為在卵子中存在一個人的雛形。此后，CharlesBonnet（1720-1793）在蚜蟲中首次發現了孤雌生殖現象。LazzaroSpallanzani（1729-1799）首次成功地進行了青蛙的人工授精，并發現在缺乏精子穿入時，則卵子發生退化。在進行狗的實驗時，他提出只有當卵子和精液共同存在時，才能產生一個新的個體。CasparFriedrichWolff（1738-1794）觀察到，從受精卵的卵黃中形成了有形態結構的胚胎。CarlErnstvonBaer（1792-1876）對幾種哺乳動物的卵子進行了比較研究。以后，Ernsthaeckel（1834-1919）提出了個體發育是系統發育簡要重演的觀點。OscarHertwig（1849-1922）和RichardHertwig（1850-1937）兄弟在OttoButschli的研究基礎上，進一步對受精現象進行了研究，提出受精的本質是雌雄配子細胞核的融合。并且，OscarHertwig在海膽的卵子中觀察到極體以及極體中的細胞核。1883年，vanBeneden在蛔蟲受精卵的第一次有絲分裂紡錘體上看到四條染色體，其中兩條來自父方，兩條來自母方，提出父母的染色體通過精卵的融合傳給子代。此后，TheodorBoveri（1862-1915）通過對蛔蟲卵的進一步觀察，提出了染色體理論，并通過實驗證實了染色體對發育的重要性。上個世紀初，美國生物學家McClung（1902）第一次將X染色體和昆蟲的性別決定聯系起來。Stevens（1905）及EdmundBeecherWilson（1905）同時將XX性染色體與雌性對應，而XY及XO與雄性相聯系，并提出一種特異的核成分在性別表型決定中起作用，即性別由遺傳而非環境決定。雖然，自1921年以來，就已知道男性中具有X和Y染色體，而女性中具有兩條X染色體，但這些染色體在人性別決定中的作用在1959年以前一直不清楚。Jacobs和Strong（1959）以及Ford等（1959）首次證明，Y染色體在小鼠和人類的性別決定中起關鍵作用。二、生殖過程生殖是指所有的生物能夠產生與它們自己相同或相似的、新的生物的能力，也指單細胞或多細胞的動物或植物自我復制的能力。在各種情況下，生殖都包括一個基本的過程，親本的原材料或轉變為后代，或變成將發育成后代的細胞。生殖過程中也總是發生遺傳物質從親本到后代的傳遞，從而使得后代也能復制它們自己。在不同生物中，盡管生殖過程所采取的方式和復雜性變化很大，但都可分為兩種基本的生殖方式，即無性生殖（asexualreproduction）和有性生殖（sexualreproduction）。在無性生殖中，一個個體可分成兩個或兩個以上相同或不同的部分，僅有一個親本的參與，生殖過程中沒有配子的形成。在有性生殖過程中，特化的雄性生殖細胞和雌性生殖細胞發生融合，形成的合子同時攜帶有兩個親本的遺傳信息。1.無性生殖無性生殖的優點在于可使有益的性狀組合持續保持，而不發生改變，并且不需要經過易受環境因素影響的早期胚胎發育的生長期，常見于大多數的植物、細菌、原生生物及低等的無脊椎動物中。單細胞生物常以分裂方式（fission）或有絲分裂（mitosis）方式，分成兩個新的、相同的個體。所形成的細胞可能聚集在一起形成絲狀（如真菌），也可能成群生長（如葡萄球菌）。斷裂或裂片生殖（fragmentation）是指在絲狀的生物中，身體的一部分斷裂后，發育形成一個新的個體。孢子生殖或孢子形成（sporulation）為原生動物及許多植物中的一種無性生殖方式。一個孢子是一個生殖細胞，不需要受精就能形成一個新的個體。在水螅等一些低等動物和酵母中，出芽為一種常見的生殖方式。在身體表面長出一個小突起后，逐漸長大，并與身體分離后形成一個新的個體。在海綿的內部也可長出小芽，稱為芽球（gemmule）。再生是無性生殖的一種特化形式，海星和蠑螈等動物可通過再生替代受傷或丟失的部分。很多植物通過再生可產生一個完整的個體。分類上越低等的動物，其完全再生的能力也就越強。到現在為止，還未見到脊椎動物具有再生完整個體的能力。但通過實驗的手段，已在魚類、兩棲類和哺乳類等脊椎動物中獲得了無性生殖的個體。特別需要提到的是，1997年首次通過體細胞核移植手段，獲得了無性生殖的哺乳動物—克隆綿羊。自然條件下的無性生殖包括孤雌生殖和孤雄生殖等。人工輔助無性生殖指在物理或化學因子作用于卵子后的單性生殖，以及利用細胞核移植技術而進行的動物克隆。2.有性生殖在有性生殖的生物體（高等生物）中含有兩大類細胞，一是構成組織和器官并執行各種功能的體細胞（somaticcell），二是攜帶有特定的遺傳信息并具有受精后形成合子能力的生殖細胞（germcell）。生殖細胞又包括卵子和精子兩類。有性生殖周期是體細胞與生殖細胞相互轉變的過程。在高等生物的機體中，只有一小部分細胞為生殖細胞，然而它們卻是正常生命周期中的一個關鍵環節。有性生殖發生在很多的單細胞生物和所有的動物和植物中。除在個別動物中可進行孤雌生殖外，有性生殖是高等的無脊椎動物和所有的脊椎動物自然情況下唯一的一種生殖方式。有性生殖過程中，一種性別的細胞（配子）被另一種性別的細胞（配子）受精后，產生一個新的細胞（合子或受精卵），以后受精卵發育形成一個新的個體。兩個結構相同但生理上不同的同形配子（isogamy）的結合，稱為同配生殖（isogamy），僅見于低等的水棉屬的綠藻(spirogyra)和一些原生動物等。異配生殖（heterogamy）是指兩種明顯不同的配子的結合，即精子和卵子的結合。許多生物具有特殊的生殖機制來保證受精的進行。在陸生動物中，通過交配進行體內受精，從而提供了一個受精必須的液體環境。有性生殖的優越性在于來自兩個親本的細胞核融合后，子代可源源不斷地繼承各種各樣的性狀組合，從而具有很大的發生變異的空間，對于改進物種本身以及物種的生存具有重要的意義。精卵結合形成的子代在遺傳學上互不相同，也不同于各自的親代，從而保證了物種的多樣性。有性生殖產生的后代中隨機組合的基因對物種可能有利，也可能不利，但至少會增加少數個體在難以預料和不斷變化的環境中存活的機會，從而對物種的延續提供有利的條件。此外，在進行有性生殖的物種中，生命周期中都具有二倍體和單倍體交替的特征。二倍體的物種每一基因都有兩份，其中一份在功能上處于備用狀態，對各種突變等具有一定的抵御作用。這也可能是高等生物以有性生殖為主的原因。因為即使在細菌等進行無性生殖的生物中，也發生遺傳物質的交換。在蚯蚓等雌雄同體（hermaphrodite）的動物中，由于解剖結構的特化或雌雄配子的成熟時間不同，總是避免自體受精的發生。生殖過程不是一個連續的活動，受一些型式和周期的約束。通常，這些型式和周期與環境條件有關，從而使得生殖過程能有效地進行。例如，一些有發情周期的動物僅在一年的一段時間內發情，使得后代能在適宜的環境條件下出生。同樣，這些型式和周期也受激素和季節因素的控制，使得生殖過程中的能量消耗得到很好地控制，從而最大限度地提高了后代的生存能力。二、生殖生物學生殖是親代與后代個體之間生命延續的過程。生殖生物學（reproductivebiology）是研究整個生殖過程的一門學科，既是發育生物學的一個分支，又是生理學的一個分支，屬于一門新的充滿活力的、融合了現代生物化學、細胞生物學、內分泌學和分子生物學等學科的交叉學科。過去的幾十年中，在生殖生物學研究領域取得了許多世人矚目的重大突破。例如，對下丘腦-垂體-性腺內分泌軸系這一重大理論問題的揭示，導致了口服避孕藥的誕生；從精子獲能和卵子體外成熟等基礎研究著手而創立的“試管嬰兒”技術，使國內外成千上萬的不育夫婦獲得了后代；1997年克隆綿羊“多莉”的誕生，將無疑會對未來人類社會產生深遠的影響。生殖生物學已成為生物學中一個活躍的、充滿機遇和挑戰的重要研究領域。生殖生物學主要研究性腺發育、配子發生、受精、胚胎發育及著床、性別決定、妊娠維持、胎盤發育和分娩等過程的調控，以及生殖道的惡性腫瘤、異常妊娠、生殖道感染、環境和職業性危害等對生殖的影響等問題。此外，生殖生物學也研究在青春期、泌乳、衰老和妊娠等過程中與生殖相關的內分泌變化，以及性行為的形成和影響因素等。隨著人工授精、體外受精、胞漿內單精子注射（ICSI）、胚胎移植、細胞核移植，以及很多輔助生殖技術的廣泛應用，這門學科在生物學、醫學及農業中的地位越來越重要。例如，自1978年英國科學家首次成功地獲得世界首例試管嬰兒至今，全世界已有約100萬試管嬰兒誕生，體外受精和胞漿內單精子注射技術已成為臨床上不育癥治療的最主要手段，為許多不育夫婦帶來了福音。最近二十年來，細胞生物學、分子生物學、生物化學、生理學等學科飛速發展，各種現代生物學技術已廣泛滲透到生殖生物學的研究過程中，使得人們對生殖過程中的各種現象及其分子機制的了解有了長足的進步。三、生殖生物學的相關學科隨著生殖生物學的迅速發展，生殖生物學的研究范圍也在逐步擴大，與很多學科間的交叉也變得越來越明顯，這里僅簡單介紹與生殖生物學相關性很強的一些學科。1.動物胚胎學（Embryology）是研究動物個體發育過程中形態結構及其生理功能變化的一門科學，實際上是對受精和出生之間動物發育過程的研究。個體發育包括生殖細胞的起源、發生、成熟、受精、卵裂、胚層分化、器官發生，直至發育為新個體，以及幼體的生長、發育、成熟、衰老和死亡。通常也將個體發育的整個過程分為胚前發育、胚胎發育和胚后發育。胚前發育主要研究生殖細胞的起源、單倍體的精子和卵子的發生、形成和成熟。胚胎發育是指從受精到分娩或孵出前的發育過程。胚后發育包括出生或孵出的幼體的生長發育、性成熟、體成熟，以及以后的衰老和死亡。胚胎學一般只研究胚前發育和胚胎發育。2.發育生物學（Developmentalbiology）是在動物胚胎學的基礎上，結合細胞生物學、遺傳學和分子生物學等學科的發展，而逐漸形成的一門新興學科，是應用現代生物學的技術，來研究生物發育本質的科學，主要研究生殖細胞的發生、受精、胚胎發育、生長、衰老和死亡等過程，分析從受精一直到主要胚胎器官形成時動物發育的基本現象及型式，偏重于研究細胞決定及分化的機制，以及形態發生過程中的細胞間相互作用等問題。3.動物繁殖學（Animalreproductionortheriogenology）主要研究家畜和家禽生殖過程中的形態、生理和功能的變化，以及調節和控制生殖過程的相關技術，是畜牧科學的一個重要組成部分，主要包括家畜和家禽的生殖生理、繁殖技術以及家畜繁殖力的評價和家畜生產的影響因素和管理等。4.生殖醫學(Reproductivemedicine)生殖醫學是一門綜合性的新興學科，包括范圍很廣，涉及生育、不育、節育和出生缺陷等。生殖醫學的主要任務是通過常規的診斷和治療措施，將現在的各種生殖技術應用于不育病人，使其產生后代。自1978年，世界上第一例試管嬰兒誕生以來，輔助生殖技術已得到了突飛猛進的發展。在國外及國內，大量的生殖醫學中心或輔助生殖中心相繼建立，為越來越多的不孕癥患者解除了痛苦。在提供的服務方面，也由簡單的人工授精及體外受精，逐漸向胞漿內單精子注射、卵細胞質互換、著床前胚胎的遺傳診斷等多方位發展。5.產科學(Obstetrics)主要是研究妊娠、分娩、胎兒出生及出生后事件的一門臨床科學，它的任務是既要保證產生一個健康的后代，又要確保母體的健康不受損害。可通過超聲等手段來判斷子宮內的情況，對母體子宮的大小、妊娠期的長短、胎兒的大小和位置等進行分析，從而使胎兒順利產出。在異常情況下，通過剖腹產手術等來保證胎兒的分娩。6.婦科學（Gynecology）主要研究雌性生殖系統各種失調的一門科學，現代婦科學涉及到月經失調、絕經、生殖器官的感染性疾病和異常發育、性激素紊亂、良性和惡性腫瘤，以及各種與避孕相關的問題。由婦科學產生的一門分支學科為生殖醫學。與婦科學相應，也產生了男科學或男性學（Andrology），主要研究男性生殖器官的各種異常或病變，以及男性的不孕癥等問題。事實上，與生殖生物學相關的學科還有很多，特別是內分泌學、細胞生物學和分子生物學的進展對于闡明生殖過程的機理起了巨大的推動作用。四、生殖生物學的發展前景據報道，不孕癥在國外的發病率約為15%～20%。自從世界上第一例試管嬰兒路易斯布朗（LouiseBrown）1978年7月25日在英國誕生以來，體外受精、促排卵技術、顯微受精、胚胎培養、胚胎冷凍等輔助生殖技術迅速發展，并不斷完善，已為很多不孕患者解除了痛苦。據估計，全世界每年大約有100,000例試管嬰兒出生。我國的第一例試管嬰兒自1988年出生以來，輔助生殖技術已在全國的絕大多數地區得到推廣。性和生殖健康是人們生活和幸福的核心內容。生殖健康的主要內容是保證妊娠的正常及安全進行、使用更安全可靠的避孕措施，以及防治生殖道的感染等。由于世界人口及中國人口的猛增，直接危及人的生活環境和生活質量，而且對自然環境的破壞也在逐年增加。控制人口數量及提高人口質量也是當今世界亟待解決的問題。在生育調節方面，上世紀90年代以前的生殖研究主要是圍繞下丘腦-垂體-性腺所構成的生殖軸系，作為發展避孕藥的出發點，即通過干擾激素和生殖軸系之間的相互作用。這些避孕方法的主要缺陷是有不良反應。隨著社會的發展和生活水平的提高，人們對避孕措施的安全性、可靠性、多樣性的要求也越來越高，而且在達到避孕效果的同時也要兼具預防生殖道感染的功能。人們開始認識到，最理想的抗生育靶點應當是在生殖過程中起直接作用的細胞和因子。因此，加強以生育控制為目的的基礎研究，尋找生殖細胞的發生、成熟、受精和胚胎著床等生殖過程中可控制的關鍵環節，以此發展新一代避孕技術，已成為21世紀生殖生物學研究與發展的主要目標。隨著生殖生物學基礎研究的深入和對生殖相關的重要基因和分子的認識，通過干擾基因表達或表達產物的功能，最終可以有望發展出對其它正常生理功能沒有影響或影響很小的避孕藥或避孕方法。另外，由于愛滋病等傳染病的廣泛流行，對于預防生殖道感染的要求也越來越高。現在迫切需要普及生育方面的知識，提供安全及高效的避孕措施，控制生殖相關疾病的傳播。近年來，隨著我國國民經濟及畜牧業方面的迅速發展，對于提高家畜的繁殖力及加速家畜的品種改良方面提出了更高的要求。在奶牛、肉牛、奶羊和肉羊的繁殖方面，逐漸發展了超數排卵、卵母細胞體外成熟、體外受精、性別鑒定、胚胎分割、克隆、轉基因及基因敲除等方面的一系列技術。隨著人們對肉、蛋和奶的需求逐年增加，迫切需要增加奶牛、肉牛、肉羊、豬等的數量，并提高其質量。近年來，各種輔助生殖技術已在畜牧業中得到廣泛應用，人工輸精、體外受精、超數排卵、胚胎移植、性別鑒定及轉基因等在逐步完善和推廣。特別是最近，隨著克隆牛、克隆羊、克隆豬的問世，以及基因敲除家畜的獲得，也極大地促進了對家畜生殖機理的研究，并加速了各種輔助生殖技術在家畜中的應用，將對促進家畜的品種改良及提高繁殖力方面具有重要的意義。在野生動物的保護方面，提高野生動物的繁殖力也迫在眉睫。目前，需要了解這些動物的基本生殖過程，通過激素處理、人工授精、體外受精、胚胎分割、性別鑒定、克隆等技術手段，有望在短時間內增加瀕危物種的種群數量。在寵物的飼養方面，了解基本的生殖過程，利用現代生殖技術來提高繁殖力及加速品種改良等方面也具有重要的意義。隨著社會和經濟的不斷發展，人類對大自然的干預日益加劇。廢水、廢氣、廢渣、農藥、化肥等大量的化學物質通過各種途徑排入環境，造成了嚴重的環境污染。噪聲、農藥殘留、射線等各種環境因素對生殖過程的影響也越來越受到人們的重視。凡是能夠影響機體內外環境改變的因素，都將會對生殖健康產生一定程度的影響。目前越來越多的證據表明，許多人工合成的化學物質可干擾人類及野生動物的生長發育，導致人類的不孕不育率、畸胎率和自然流產率上升。而且，隨著社會工業化和現代化的不斷發展，人類對野生動物的生存環境不斷蠶食，導致大量的野生動物滅絕和瀕臨滅絕。而由于這些動物的數量有限以及難以接近等原因，對于野生動物基本生殖過程的了解仍很有限。現在也迫切需要利用現有的生殖生物學知識和技術，來促進對野生動物生殖過程的了解，并將現有的輔助生殖技術應用于野生動物，從而延緩或防止野生動物的滅絕，并使一些具有食用和藥用價值的動物得到迅速繁殖。五、本書的特色近年來隨著多聚酶鏈反應、基因敲除、轉基因、基因芯片、RNA干