Doc. Václav Vančata Antropologický ústav PřF MU Evoluce kostry Prenatální ontogeneze Ontogeneze člověka • Proces kvalitativního i kvantitativního vývoje organismu v čase, který zahrnuje jak změny biologické (vývoj orgánů i organismu jako celku), tak změny psychické. – Proces kvalitativních změn je obvykle označován jako vývoj, proces kvantitativních změn jako růst. Oba procesy jsou velmi úzce propojeny. – V určitých částech ontogeneze výrazně převládají kvalitativní změny, v jiných změny kvantitativní. • Skelet se vyvíjí jako součást embrya, plodu a samostatného jedince v úzké souvislosti s vývojem nervového a svalového systému. • Kostra ve zralém stavu představuje de facto orgánový systém a vyvíjí se nejprve ve vodném prostředí potom ve vzdušném – v poloze horizontálně a pak vertikálně. Obratlovci nejsou přímými potomky bezlebečných mají pouze společného předka Vznikli na počátku prvohor – cca 550 milionů let obratlovcikopinatci Evoluce Home BOX genů Hox geny a para-Hox geny odpovídají za „předozadní“ vývoj organismu NK geny za segmentaci organismu Pitx geny odpovídají mimo jiné za vývoj pánve T-box geny determinují vznik základů předních a zadních končetin, jejich identifikaci. Ontogeneze a fylogeneze v evoluci primátů – význam HOX genů Diferenciace zárodečných vrstev Zárodečný terčík a vývoj prvosegmentů, primitivní proužek, primitivní brázda a primitivní uzlík Neurální lišta a neurální ploténka Bone morphogenetic protein – BMP4 Neurální ploténka Diferenciace zárodečných vrstev prvotní formování embrya Deriváty ektodermu • - neuroektoderm (nervový systém, sítnice, čichové buňky, deriváty crista neuralis) – neurální lišta - splanchnocranium, část neurocrania, odontoblasty • - epidermis a adnexa kožní (žlázy potní, mazové, mléčná, vlas, nehet) • - vnitřní ucho (výstelka blanitého labyrintu) • - čočka oční, epitel rohovky • - část výstelky a žláz dutiny ústní • - sklovina zubu • - adenohypofýza Deriváty mezodermu • - svalová tkáň příčně pruhovaná kosterní a srdeční • - močové a pohlavní ústrojí (nefrony, folikulární buňky v ovariu, Sertoliho buňky ve varleti, výstelka části vývodních cest pohlavních) • - kůra nadledviny • - výstelka tělních dutin (hrudní, břišní, perikardové) Deriváty mezenchymu • - pojivové tkáně (vazivo, chrupavka, kost) • - hladká svalová tkáň • - krevní a lymfatické cévy • - slezina a lymfatické uzliny (lymfatická tkáň) Deriváty entodermu • - trávicí trubice (výstelka a žlázy) • - dýchací systém (výstelka a žlázy dýchacích cest, výstelka alveolů plicních) • - vývodní cesty močové • - výstelka středoušní dutiny a Eustachovy trubice • -štítná žláza a příštítná tělíska • - epitelové retikulum brzlíku Embryonální fáze – 1. měsíc • V prvém měsíci roste zárodek nejrychleji. Po zahnízdění se zakládá takzvaná embryonální placenta (vcestné lůžko - placenta praevia), hlavní výživnou funkci má zatím žloutkový vak, který vylučuje – progesteron a choriongonadotropní hormon. Vytvářejí základy trávicí, nervové a oběhové soustavy, srdce, játra, ledviny, žaberní rýhy a základy lebky, nosu, očí, uší a úst. • Vznikají základy končetin. • Na přelomu prvého a druhého měsíce je embryo dlouhé okolo 2,5 cm. Hlava tvoří asi jednu polovinu celkové délky těla. Zřetelně se vyvíjí jazyk a zárodky zubů. • Na horní končetině je vyvinut loket, prsty a palec, na dolní koleno, kotník a prsty, tedy struktura končetin se začíná diferencovat. • Embryo se pokrývá kůží, zřetelné jsou i papilární linie. Začínají se vyvíjet gonády (pohlavní žlázy), které produkují nezralé pohlavní buňky. Embryonální fáze – 2. měsíc • Ve 2. měsíci již mozek embrya koordinuje svými impulsy funkci orgánových systémů, srdeční činnost nabývá na pravidelnosti. V této době zárodek - plod váží asi 30 g a měří 7 - 8 cm. • Hlava je stále velká, měří asi jednu třetinu délky těla, čelo je velmi vysoké. • Vyvíjejí se vnější pohlavní orgány a na konci druhého měsíce začínají být zřetelné rozdíly mezi jedinci mužského a ženského pohlaví. • Kůže se počíná diferencovat a začíná být dostatečně senzitivní, aby mohla reagovat přiměřeně na taktilní podněty. Osmitýdenní embryo reaguje při doteku otočením trupu, hlavy a pohybem paží vzad. • Na přelomu druhého a třetího měsíce se začíná vytvářet a fungovat fetální placenta, která nabývá plné funkčnosti až na počátku čtvrtého měsíce. • Končetiny se dále strukturálně diferencují, na konci druhého měsíce se objevují první osifikační centra na lebce, obratlech a dlouhých kostech skeletu Jsou vyvinuty základy nehtů na prstech ruky i nohy. Přechodová fáze – 3. a 4. měsíc –první fáze fetální • Ve 3. měsíci jsou orgánové systémy zčásti funkční • Vzniká fetální placenta • Začíná se postupně diferencovat kostra, objevují se další osifikační centra. Žebra a obratle jsou chrupavčitá. • Fétus v amnionovém obalu se vznáší v plodové vodě vnějšího zárodečného obalu chorionu. Celý systém pak výrazně chrání plod před otřesy a nárazy. • Ve 4. měsíci růst těla dostihuje tempo růstu hlavy, která měří asi 1/4 tělesné délky. Fétus měří 15 až 25 cm, váží asi 200 g • Pupeční šňůra je dlouhá nejméně jako fétus a její růst bude dále pokračovat. Placenta je již plně funkční a orgány jsou plně zformovány, stejně jako krevní oběh. Formuje se fetální a placentární krevní oběh. • Začínají fungovat smyslové orgány, nejprve zrak a potom i sluch. Plod je schopný reagovat na zrakové i sluchové podněty. • Fétus se začíná intenzívně pohybovat. • Urychluje se vývoj svalstva, začíná osifikace kostry. Fetální období – formování plodu • V 5. měsíci má fétus má hmotnost od 350 do 600 gramů a měří okolo 30 cm a začínají se objevovat rysy jeho osobnosti. – Objevuje se jasná fáze spánek – bdění a dítě v děloze zaujímá oblíbenou pozici („leží"). – Fétus se stává mnohem aktivnější. Pokračuje osifikace a vývoj pohybově opěrného aparátu. Vznikají první sekundární osifikační centra na dlouhých kostech, pánvi a obratlech • V 6. měsíci se rychlost růstu fétu se mírně zpomaluje, fétus měří nyní asi 35 – 40 cm a váží asi 500 – 600 gramů. – Dále pokračuje osifikace skeletu, rozvíjejí se sekundární osifikační centra na dlouhých kostech, pánvi a obratlech – Znatelný vývoj pohybově opěrného aparátu, ruka je schopná silového uchopení všemi prsty. Fetální období - vývoj plodu • V 7. měsíci váží do 2000 gramů, měří přes 40 cm a má plně vyvinuty reflexy. • Pokračuje osifikace páteře, pánve a velkých kostí nohy, dále se rozvíjí pohybově opěrný aparát. • Epidermis začíná rohovatět. Orgány jsou funkční • V 8. měsíci je dlouhý až 50 cm a váží do3000 gramů. Jeho pohyby jsou omezené. • Pokračuje osifikace lebky a pánve, dokončuje se osifikace páteře, a spolu s rozvoje vývoje svalů a nervového systému se dále se rozvíjí pohybově opěrný aparát. • V 9. měsíci přestává fétus růst a váží více než 3000 gramů a měří okolo 50 cm. Placenta přestává plnit svoje funkce. Krevní oběh se připravuje na přestavbu na novorozenecký oběh. Po porodu se odděluje oběh okysličené a odkysličené krve. • V zásadě se dokončuje osifikace fetálního skeletu před porodem, a to zejména lebky, páteře a pánve Osifikace kostí - tkáňový původ Mechanismy osifikace a růstu kostí Cévní zásobení při růstu kostí Typy osifikace – kostra lebky Způsob osifikace – sekundární centra • Kloubní spongiosa • Kloubní destička a další kloubní elementy • Nekloubní vazy/svaly Molekulární mechanismy osifikace Genetická regulace endochondrální osifikace dlouhých kostí Bone morphogenetic protein BMP-4 – 14 chromosom HOX geny Vývoj skeletu končetin a páteře Pitx 1 geny vývoj pánve a čelistí Geny pro vývoj končetin a pánve Pitx 1 geny odpovídají za iniciaci vývoje pletence pánevního. Gen i pletenec byl identifikován již některých u ryb. Klastr T-box genů, konkrétně se jedná o geny Tbx 4 a Tbx 5 determinují vznik základů předních a zadních končetin, jejich identifikaci. Konkrétně Tbx 4 gen řídí u člověka vývoj pánve a dolní končetiny, Tbx 5 idendtifikaci končetin v rámci diferenciace příčně pruhovaných svalů z mezodermu a základů kostry a kloubů v mesenchymu. Sonic Ježek (Hedgehog) (SHH) geny • SHH gen obsahuje instrukce pro syntézu proteinu Sonic Ježek, který funguje jako chemický signál nezbytný pro embryonální vývoj. Sonic Ježek hraje důležitou roli v růstu buněk, specializaci buněk a normální tvarování těla. Tento protein je důležitý pro vývoj mozku a míchy, očí, končetin a mnoha dalších částí těla. • Sonic Ježek gen je nezbytný pro rozvoj předních částí mozku, tedy i pro řízení pohybu končetin. Tento signální protein pomáhá vytvořit linii, která odděluje pravou a levou stranu předního mozku. Konkrétně Sonic Ježek ovlivňuje formování ventrální části předního mozku. Sonic Ježek a další signální proteiny jsou potřebné pro formování pravé a levé poloviny (hemisféry) koncového mozku. • Sonic Ježek gen má také důležitou roli při formování očí. • SHH gen je velmi významný pro formování končetin suchozemských obratlovců, ovlivňuje charakteristickou stavbu kostry suchozemských obratlovců, tedy specifický vývoj kostry předních a zadních končetin SHH protein Ontogeneze lebky Lebka vzniká převážně z neurální lišty Růst a vývoj kostry hlavy Je vývoj patra to nejdůležitější na vývoji lebky? Homologie žaberních oblouků na lidské lebce Os occipitale Os temporale Není nejdůležitější osifikace kosti spánkové? Os temporale ossification Os sphenoidale Os sphenoidale Osifikace kosti klínové je dost komplikovaná, protože dost nezávisle osifikují křídla a tělo Os frontale Maxilla Mandibula HOX geny řídící vznik míšních segmentů Osifikace a dozrávání páteře jsou klíčové pro prenatální i postnatální vývoj organismu. Proto je vývoj celého systému, míchy, páteře, svalů a meziobratlových disků, řízen složitým systémem HOX genů a dalších strukturálních genů. Columna vertebralis Columna vertebralis Columna vertebralis Os sacrum Columna vertebralis Sternum Embryonální vývoj přední části thoraxu Clavicula Scapula Vývoj končetin embrya Humerus Radius Ulna Vývoj horní končetiny - ruka Kostra ruky Pelvis Pánevní kosti a „končetiny“ ryby Pitx 1 geny ovlivňují vznik „pánve“ už u některých ryb Femur Tibia Fibula Ontogeneze a osifikace nohy