Entwicklung des Embryos bei Säugetieren: Eine Reise von der Eizelle bis zur Geburt

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Immunbiologie haben in Versuchen an Mäusen nachgewiesen, dass die spätere Form des Embryos in Eizellen von Säugetieren noch nicht festgelegt ist. Mit Ausnahme der Säugetiere sind bei den meisten Tieren die Körperachsen, wie Vorder- und Rückseite, Kopf und Schwanz, rechts und links, bereits in der Eizelle vorbestimmt. Neuere Untersuchungen hatten allerdings ergeben, dass gewisse morphologische Eigenschaften der Säugetier-Eizelle die zukünftige embryonale Achse beeinflussen könnten.

Im Rahmen der aktuellen Untersuchung am Max-Planck-Institut in Freiburg wurde mit Hilfe von Zeitrafferaufnahmen beobachtet, dass sich die Ebene der ersten Zellteilung unabhängig von morphologischen Strukturen in der Eizelle entwickelt. Vielmehr ist die zufällige Topologie der beiden Vorkerne der Ei- und Samenzelle entscheidend. Demnach besitzen Säugetiereizellen keine Marker, die die Form des späteren Embryos beeinflussen. Diese Erkenntnis gewinnt angesichts von über einer Million Babys, die bis heute durch künstliche Befruchtung gezeugt wurden, an Bedeutung.

Methodik der Forschung

Für ihre Untersuchungen hatten die Forscher eine spezielle Aufnahmetechnik (Time-Lapse-Imaging) verwendet, mit der die Entwicklung der Eizelle dynamisch verfolgt werden kann. So wurde nachgewiesen, dass die Eizelle der Maus keine prädeterminierte Polarität besitzt. Die Studie verfolgte die Entwicklung zahlreicher Mäuse-Embryonen von der Eizelle bis zum Zweizellen-Stadium quasi im Zeitraffer.

Bei etwa der Hälfte der Embryonen passiert die erste Furchung getrennt von der A-V-Achse der Eizelle, und der zweite Polkörper nähert sich vor und nach der Teilung der Teilungsfurche an. Der zweite Polkörper markiert wahrscheinlich keinen stationären “Nordpol” (A-Pol), und so muss auch die These einer vordeterminierten A-V-Achse in der Eizelle von Säugetieren zurückgewiesen werden.

Der Prozess der frühen Embryonalentwicklung

Nach der Befruchtung entstanden zwei Vorkerne mit jeweils den männlichen und weiblichen Chromosomen in der Peripherie der Eizelle. In den folgenden 20 Stunden trafen sich die Vorkerne im Zentrum der Eizelle, aber ohne zu fusionieren. Anschließend teilen sich die Kerne (Mitose), und zwar so, dass die erste Furchungsebene mit der Ebene, welche die beiden gegenüberliegenden Kerne trennt, zusammentrifft. Dabei werden die elterlichen Chromosomensätze ins Zentrum der Zelle gebracht, bevor sie diese gleichmäßig in zwei Tochterzellen teilt.

Dabei beobachteten die Forscher, dass die erste Furchungsebene nicht in der frühen Interphase beginnt, sondern durch die neu gebildete Topologie der beiden Vorkerne festgelegt wird. Die Frage, wann und wie sich die Polarität im Säugetier-Embryo entwickelt, blieb jedoch offen.

Vielfalt der Fortpflanzung und Geburt bei Säugetieren

Säugetiere gebären ihre Nachkommen auf vielfältigste Weise. Sie pausieren mit der Schwangerschaft, tragen Junge in doppelten Gebärmüttern aus oder leisten Hebammendienste. Die Lebendgeburt machte es möglich.

Im Tierreich gibt es die schillerndsten Varianten der Vermehrung, eine sagenhafte Vielfalt hat sich im Lauf der Evolution herausgebildet. Die Tragezeit eines Pandaweibchens ist so wenig vorhersagbar wie ein Lottogewinn. Ein Elefantenjunges entwickelt sich nahezu zwei Jahre lang im Leib seiner Mutter. Sumpfwallabys hören niemals auf, schwanger zu sein, und das Neunbinden-Gürteltier bringt fast immer Vierlinge zur Welt.

Die Evolution der Lebendgeburt (Viviparie)

Für all das musste die Evolution aber erst eine neue Methode des Gebärens entwickeln: weg vom Eierlegen, hin zur Lebendgeburt. Die Viviparie, so der Fachbegriff für das Lebendgebären, ist kein Gegenentwurf, sondern vielmehr eine Erweiterung der Eiablage. Auch bei der Lebendgeburt entsteht das neue Wesen ja zunächst aus einem Ei. Der Unterschied liegt in der Frage: Werden die Eier im Leib behalten und wachsen dort heran - oder schlüpfen die Jungen außerhalb des Körpers aus einem Gelege?

Wann genau die Entwicklung hin zur Lebendgeburt eingesetzt hat, ist unklar. Den bislang frühesten Nachweis fanden Forscherïnnen im Fossil eines fischähnlichen Wirbeltiers, das vor rund 380 Millionen Jahren gelebt hatte und einen Embryo im Leib trug, samt Nabelschnur. Damit tauchte die Viviparie schon lange vor dem Ursprung der Säugetiere auf, also vor mehr als 230 Millionen Jahren. Das heißt: Lebend zu gebären ist typisch für Säugetiere, aber kein Alleinstellungsmerkmal. Auch bringen nicht alle Säuger lebende Jungen zur Welt: Schnabeltiere und Ameisenigel legen Eier und sind damit dem evolutiven Weg ihrer Wirbeltierklasse nicht gefolgt. Dafür schlugen andere diesen Pfad ein: Die Lebendgeburt hat sich unabhängig in verschiedenen Tiergruppen entwickelt. Es gibt sie bei den Riesenschlangen und den Haien, aber auch bei den wirbellosen Schnecken oder Skorpionen.

"Wenn sich eine Strategie in so vielen unterschiedlichen Spezies festsetzt, muss sie einen mächtigen evolutiven Vorteil bedeuten." - Mathias Glaubrecht, Evolutionsexperte

Ein Junges auszutragen ist für das Muttertier Kraft raubend, es kann weniger schnell fliehen oder weniger schnell jagen. Der Vorteil liegt darin, dass der Nachwuchs im Körper ungestört heranreifen kann, auch über eine sehr lange Zeit. Er kann ein großes Hirn entwickeln und ein Abbild seiner Elterntiere werden, so dass Nestflüchter nur Stunden nach der Geburt im Stande sind, ihren Müttern zu folgen.

Besondere Fortpflanzungsstrategien

• Elefanten: Sie tragen ihre Jungen rund 22 Monate im Leib, unterstützt durch mehrere Gelbkörper, die das Hormon Progesteron zur Aufrechterhaltung der Trächtigkeit produzieren. Neugeborene Elefanten sind praktisch voll entwickelt und beherrschen bereits den Einsatz ihres Rüssels.
• Pandas: Sie bringen hilflose Frühchen zur Welt, die gerade mal so viel wiegen wie eine Tafel Schokolade. Die Tragezeit kann zwischen 90 und 300 Tagen variieren, beeinflusst durch Faktoren wie die Verfügbarkeit von Bambus (cryptic female choice) und Keimruhe.
• Bonobos und Schwarze Stumpfnasen: Bei diesen Primaten können Geburtshilfen durch andere Weibchen beobachtet werden, die das Neugeborene unterstützen oder die Nabelschnur durchtrennen. Auch Väter können assistieren.
• Tüpfelhyänen: Die Geburt kann äußerst schmerzhaft und lebensgefährlich sein, da die Jungtiere durch eine enge, penisähnliche Klitorisröhre gepresst werden müssen.
• Neunbinden-Gürteltier: Bringt fast nur Vierlinge zur Welt, die genetisch identisch sind, was die genetische Vielfalt der Art einschränkt.
• Beuteltiere (Kängurus, Wallabys, Tasmanische Teufel, Opossums): Gebären lebende Junge, die außerhalb des Körpers in einem Tragebeutel heranreifen. Der Tasmanische Teufel bringt winzige Junge zur Welt, die um die wenigen Zitzen im Beutel kämpfen.
• Sumpfwallabys: Können parallel in beiden Gebärmüttern trächtig sein (Superfötation), wobei ein Fötus heranreift, während ein neues befruchtetes Ei sich einnistet.

Embryonale Diapause: Eine Strategie der Verzögerung

Bei vielen Säugetieren, wie beispielsweise Rehen, tritt die embryonale Diapause auf. Dies ist eine Periode der embryonalen Suspendierung im Blastozystenstadium, bei der die Entwicklung auf Eis gelegt wird. Diese Strategie, die bei über 130 Säugetierarten vorkommt, beinhaltet minimale Zellteilung und einen stark reduzierten Stoffwechsel.

Das Potenzial, die Mechanismen der embryonalen Diapause bei Säugetieren zu verstehen, könnte bei der Entwicklung medizinischer Therapien für Menschen helfen, insbesondere im Bereich der assistierten Reproduktionstechnologien. Eine bessere Erfolgsquote bei künstlicher Befruchtung könnte durch ein tieferes Verständnis dieser embryonalen Verzögerungsmechanismen erreicht werden.

Grundlegende Merkmale von Säugetieren

Säugetiere gehören zu den Wirbeltieren und zeichnen sich durch eine innere Befruchtung aus. Nach der Geburt werden die Jungen von der Mutter gesäugt. Ihr Skelett besteht aus Schädel, Wirbelsäule, Schulter- und Beckengürtel sowie Knochen der Vorder- und Hinterbeine, wobei dieser Grundbau bei allen Säugetieren übereinstimmt. Das Gliedmaßenskelett ist an die jeweilige Fortbewegungsart angepasst. Säugetiere haben eine trockene Haut mit Haaren (Fell) und besiedeln verschiedenste Lebensräume, von der Erde über das Wasser bis hin zur Luft.

Fortpflanzungsorgane und der Prozess der Befruchtung

Männchen und Weibchen der Säugetiere unterscheiden sich in ihren Fortpflanzungsorganen. Bei der Paarung (Begattung) werden männliche Samenzellen mit dem Glied des Männchens in die Scheide des Weibchens übertragen. Die Samenzellen bewegen sich über die Gebärmutter in die Eileiter, wo sie auf die Eizelle des Weibchens treffen. Nach der Verschmelzung einer Samenzelle und einer Eizelle findet die innere Befruchtung statt.

Die befruchtete Eizelle wandert in die Gebärmutter, wo sich aus ihr ein Embryo entwickelt. Die Embryonen sind über die Gebärmutterschleimhaut mit dem Muttertier verbunden und erhalten Sauerstoff und Nährstoffe für Wachstum und Entwicklung, geschützt im Mutterleib.

Nachgeburtliche Entwicklung und Aufzucht der Jungen

Nach der Geburt zeigen die Jungen typisch angeborenes Verhalten. Die weiblichen Säugetiere besitzen Milchdrüsen, die nach außen in Zitzen münden, aus denen die Jungen die lebensnotwendige Milch saugen.

Die Entwicklungsdauer im Mutterleib variiert stark zwischen den Säugetierarten, was zu unterschiedlich weit entwickelten Jungtieren bei der Geburt führt.

• Nesthocker (z. B. Igel, Wüstenrennmaus, Kaninchen, Hamster, Eichhörnchen, Katzen, Hunde, Mäuse): Nach der Geburt blind, nackt und hilflos, benötigen sie längere Betreuung durch die Eltern in einem sicheren Nest.
• Nestflüchter (z. B. Schweine, Pferde, Schafe, Rinder, Antilopen, Rehe): Können kurz nach der Geburt laufen, sich orientieren und finden selbstständig die Zitzen der Mutter.

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