Fosterutvikling

Fosterutvikling eller embryogenese er tilblivelsen av en flercellet diploid organisme fra unnfangelsen (befruktningen) fram til den begynner på den frie delen av sin tilværelse (fødsel, klekking). Prosessen starter med at en sædcelle smelter sammen med en eggcelle og danner en zygote. Fosterutvikling finner alltid sted i et avgrenset område, et frø, egg eller mors liv. Både sopp, dyr og planter har fosterutvikling, selv om uttrykket oftest brukes om dyr. Studiet av fosterutviklingen kalles embryologi, og er en  viktig del av fagfeltet evolusjonær utviklingsbiologi.

Fosterutviklingen hos mennesket skjer i kvinnens livmor som et svangerskap og er blant de lengste, normalt ni måneder. Fosterets grunnleggende bygning foregår i de første to og en halv månedene, etter dette fortsetter forsteret først og fremst å vokse og klargjøre organene for et liv utenfor livmoren.

Fosterutvikling hos dyr

Fosterutviklingen hos dyr er vanligvis mye mer kompleks enn hos planter, siden de fleste dyr har klarere differensierte organer og flere organsystemer enn det planter har. All fosterutvikling hos dyr starter med et befruktet egg (en zygote) som splittes opp gjennom cellekløyving. Oppkløyvingen av det befruktede egget har forskjellige mønstre i forskjellige dyregrupper, både basert på mengden plomme i egget og på nedarvede bygningstrekk hos de forskjellige gruppene. Hos egg med mye plomme («macrolecitale egg») vil kløyvingen ikke kunne skjære gjennom den plommerike nedre (vegetative) delen av zygoten, og dannelsen av de første stadiene vil være begrenset til et lite felt på toppen.

Fosterets grunnleggende anatomi
Allerede før befruktningen er egget delt inn i en øvre og en nedre halvdel. Sædcellen kan bare befrukte egget gjennom den øvre animalske delen av egget. De forskjellige typene deling ender alle i en ball av celler, kalt en morula. Når morulaen når en viss størrelse, vanligvis ved 7. deling (128 celler), vil det dannes et væskefylt hulrom i midten og fosteret går over til å være en hul ball av celler, en blastula. Hos svamper og placozoer er dette slutten på fosterutviklingen, og egget klekker til en larve som består av en ball av celler, med et enkelt flimmerhår på hver celle. Hos glassvamper skjer dette allerede på 32-cellers stadiet Nesledyr og kammaneter klekker også på morula-stadiet, og gir opphav til en avflatet larve som likner svampenes, og kalles en planula.

Hos alle dyr mer avansert enn svamper og placozoer vil blastulaen vokse til et par tusen celler. Når den er tilstrekkelig stor, vil det dannes en forsenkning i overflaten på den nedere vegetative delen av fosteret. De plommerike cellene i denne delen av fosteret klemmes inn i fosteret og opp mot ytterveggen på den andre siden, slik at hele fosteret ender opp som en skål av et dobbelt lag med celler. Kanten på skålen snøres sammen, slik at fosteret nå danner en hul ball med et dobbelt cellelag og en åpning. Dette stadiet kalles en gastrula og prosessen kalles gastrulasjon. Åpningen mellom det indre og det ytre laget kalles blastocoel eller urmunnen. Det indre cellelaget utgjør urmagen, og blir fordøyelsessystemet i det voksne dyrete. 

Utviklingen så langt har i all hovedsak gått på fosterets form, men ved dette trinnet begynner også celledifferensieringen til de forskjellige kimlagene som gir opphav til forskjellige celletyper. Det indre laget gir blir endoderm (slimhinner). Hos grupper der eggene har mye plomme vil de mest plommerike cellene bli til endodermen under gastrulasjonen. Det ytre cellelaget tilsvarer ektoderm (først og fremst hud, men også nerveceller) hos det ferdige dyret. Hos nesledyr og kammaneter skjer gastrulasjonen etter klekking. Disse gruppene har bare en enkel åpning inn til tarmen som fungerer som både munn og anus, og hos disse er det voksne dyrets grunnleggende anatomi i prinsippet ferdig når gastrulasjonen har funnet sted.

Hos høyere dyr blir rommet mellom det ectoderm og endoderm fylt med celler via forskjellige mekanismer. Dette mellomlaget gir opphav til mesoderm, som hos de fleste høyere dyr utgjør hoveddelen av kroppens vev, slik som muskler og bindevev.

Protostome og deutrostome dyr

Hos dyr med tosidig symetri, vil fosteret nå organiseres på en av to måter:

 Protostomier vil ha urmunnen som munn i det ferdige dyret. Nerveceller vil danne et par (noen ganger fler) ganglier som strekker seg fra framenden av dyret, på hver side rundt svelget og videre bakover langs buksiden av dyret. Hos de fleste protostomier er tarmen åpen i begge ender, slik at dyret har både en munn og en anus. Protostomiene omfatter mesteparten av dyreriket, blant annet bløtdyr, leddormer, rundormer, flatormer og leddyr.
 Deuterostomier har en mer komplisert utvikling. Urmunnen lukkes, og et nerverør dannes ved innbuktning av ektoderm (primitivfuren), fra urmunnen og over ryggen på dyret. Den nye munnen oppstår nær slutten av nerverøret, og en ny anus dannes i motsatt ende, slik at det voksne dyret er «bak-fram» i forhold til protostomier. Deuterostomiene omfatter bare en liten del av dyreriket: Pigghuder, hemichordater og chordater, den rekken vi selv tilhører.

Hos begge gruppene vil resten av fosterdannelsen bestå av at kroppen forlenges og gir plass til fordøyelsessystemet og andre organsystemer. Hos de fleste dyr dannes et hulrom i mesodermen som gir opphav til en sekundær kroppshule (buk- og brysthulen hos oss), som tillater tarmen å bukte seg og derved gro til å bli mye lengre kroppen. Forplantningsorganer dannes gjerne i forbindelse med tarmen, mens sanseorganer står i forbindelse med nervesystemet, ofte med flertallet av sanser samlet foran i dyret slik at det får et distinkt hode.

Hos krypdyr, fugler, eggleggende pattedyr og pungdyr er plommemassen svært stor, og mye av fosterutviklingen foregår på en liten skive på toppen av plommemassen. Etterhvert vil fosteret gro rundt plommen og kroppen lukker seg langs buken. Hos slike dyr vil det ofte være en tydelig søm langs buken hos unge dyr. Hos både skilpadder og krokodiller er sømmen åpen og ungene klekkes med plommesekken hengende ut. Det samme fenomenet finner vi hos mange fiskeyngel. Pattedyr med morkake mangler derimot plommemasse og fosteret lukkes på et tidlig stadium, men navlestrengen etterlater et tydelig arr på buken (navlen).

Direkte og indirekte utvikling

Fosterutviklingen avsluttes ved at fosteret fødes eller bryter ut av egget og tar opp tilværelsen som en fri organisme. Vanligvis vil den frie organismen ta til seg næring selv, men i noen tilfeller vil den leve av plommemassen den første tiden etter fødsel/klekking, slik at det ikke alltid er noen klar grense for når fosterutviklingen er over og når dyrets frie liv begynner.

Hos mange dyr vil de første stadiene av de frie dyrets liv likne på fosterstadiet hos andre arter, slik som fiskeyngel likner tidlige forsterstadier av firbeinte virveldyr. Et slikt fosteraktig fritt stadium kalles et larvestadium, og dyr med slike livsstadier sies å gjennomgå indirkete utvikling. Der dyrene gjennomgår en utvikling til de likner det voksne dyret slik at det ikke er noe larvestadium, kalles direkte utvikling. Alle vivipare dyr har direkte utvikling, mens utviklingen hos ovovovipare og eggleggende dyr varierer.

Næring i fosterperioden

Dannelsen av de forskjellige strukturene i fosteret krever både byggematerialer og energi. Alle fostere må derfor ha tilgang til næringstoffer under fosterutviklingen. Mengden næring tilgjengelig for fosteret avgjør hvor lange fosterutviklingen kan være.

Plomme

Hos de aller fleste dyr er egget utstyrt med plomme. Mengden plommemasse i egget avjør hvor langt fosterutviklingen kan gå før næringen er brukt opp og egget klekke. Hos dyr med komplisert bygning og små egg eller egg med lite plomme, vil dyret bare kunne danne deler av de voksne dyrets organsystemer før plommen er brukt opp. Forplantningsystemer modnes vanligvis først lenge etter at dyret er klekket. Hos dyr der fosteret må avslutte utviklingen lenge før den voksne anatomien er ferdig, vil det nyklekkede dyret være en larve. Dette er tilfelle i det aller meste av dyreriket, for eksempel alle krepsdyr, holometabole insekter, rundormer, beinfisker og amfibier. Hos grupper der de voksne dyrene beveger seg lite, vil larvene ha som formål å spre individer til nye voksesteder, og derfor ha spesielle strukturer for å svømme, slik vi finner det hos pigghuder, sekkdyr, muslinger og mange flerbørstemarker.

Hos dyr med stor plommerike egg kan fosteret gjennomføre en fullstendig utvikling og det nyklekkede dyret likne den voksne organismen. Slike egg finner vi i noen grad hos fløyelsormer, leddormer, hos blekkspruter og hos krypdyr. Eggene til fugler og eggleggende pattedyr har også stor plomme, men disse dyrene har en varmblodig metabolisme som krever mye energi og har en komplisert bygning og derved relativt lang fostertid. Selv med den store plommen vil den nyklekkede dyret være lite utviklet. Ingen fugler kan fly ved klekking, og de nyklekkede ungene til kloakkdyr (maurpiggsvin og nebbdyr) og pungdyr er larveaktige og uten evne til å klare seg utenfor morens pung. I begge tilfeller er det nødvendig med en ganske utstrakt yngelpleie den første tiden etter klekking.

Næring fra livmorveggen
Både hos morkakedyr og pungdyr skiller moren ut en fett- og proteinrik substans i livmoren (såkalt «livmormelk») som gi næring til det befruktede egget før implantering hos morkakedyrene, og som supplement til plommen gjennom hele fostertiden hos pungdyrene. Tilsvarende systemer finnes hos tsetsefluer og i alle fall en art av kakkerlakker.

Noen dyregrupper har utviklet systemer der deler av fosteret vokser sammen med livmorveggen, og tar opp næring direkte fra morens blod. Denne måten å organisere ernæringen av fosteret har en del fordeler, blant annet slipper hunnen å legge opp store mengder opplagsnæring til egg, og kan fordele byrden med å skaffe nok næring til en lang fosterutvikling over hele utviklingsperioden. Hos mange skjellkrypdyr er det utviklet strukturer som tillater plommesekken å feste seg til livmoren og i varierende grad ta opp næring. Det finnes også en del haier med tilsvarende systemer der moren «etterfyller» plommesekken.

Hos noen får dyregrupper vil fosteret få all eller nesten all sin næring fra direkte fra moren. Dette gjelder de placentale pattedyrene, noen haier og skinkene i slekten Mabuya. Her gir moren fosteret næring gjennom en modifisert plommesekk. Hos noen trefrosker tar fosteret opp næring gjennom spsialiserte gjeller. Fosteret vil her kunne utvikle nesten alle sine organsystemer fullt ut, og slike dyr omtales gjerne som «levendefødende». Levendefødsel har utviklet seg separat i disse gruppene.

Alternative næringskilder
Flere haiarter, blant annet hvithai og tigerhai har fostre som i livmoren lever av ubefruktede egg moren produserer, og hos sandtigerhai vil de større fostrene spise sine mindre søsken, et fenomen som kalles livmorkannibalisme. Hos enkelte jomfrufødende gallmygg finnes en underlig avart av livmorkanibalisme. Denne arten formerer seg ved partenogenese. Eggene klekkes inne i morens kroppe allerede mens hun er en larve. I stedet for å leve av plomme lever de av morens vev. Når larvene blir store nok, spiser de moren levende innefra og bryter ut gjennom skinnet hennes. På dette stadier er de allerede selv verter for neste generasjon.

Hos de fleste pattedyr er fosteret ferdig utviklet i god tid før selve fødselen inntreffer, med mindre det er snakk om en meget for tidlig fødsel. Den siste tiden av fostertilværelsen regnes som en ren vekstperiode, hvor barnet vokser og tar til seg næring for å bli bedre rustet til å takle tilværelsen utenfor livmoren.

Fosterutvikling hos planter

Hos mange grønnalger slik som sjøsalat veksler livssyklusen mellom et diploid stadium og et haploid stadium, som ellers er like. Hos mose og karsporeplanter er denne todelingen av livssyklusen beholdt, selv om de to fasene er ganske forskjellige både av bygning og størrelse. Virkelige plantefostere finnes bare hos frøplanter, der et befruktet frø gjennomgår forvandlinger før det spirer.

Selve frøet hos frøplanter vil etter befruktning begynne å danne forløpere for vevet i blader, stengel, rot og et, to eller fler frøblad. Så snart frøplanten begynner å gro ut av frøet (spire), vil rota komme ut først, og de øvrige delene utvilke seg etter hvert. I den første fasen suger rota opp vann, mens planten henter energi og byggemateriale fra frøet. Først når spiren kommer opp i dagslys vil fotosyntesen ta til og spiren blir mindre avhengig av næringen fra frøet. Hos de fleste frøplanter vil stengelen gro ut av frøet mens frøbladene enda dannes, slik at frøskallet sitter fast på spiren helt til frøbladene er ferdig dannet. Denne formen for spiring kalles epigeal spiring, og er vanlig hos hurtigvoksende planter med mange frø, slik som karse. Hos planter med større og færre frø, særlig der spirene er utsatt for frost eller beiting, vil frøet begynne å sende ut en spirespiss så snart rota er etablert, slik at spirespissen, men ikke selve frøet, gror opp av bakken. Denne formen for utvikling kalles hypogeal spiring.

Fosterutvikling hos sopp
Reproduksjon hos sopp skiller seg en god del fra reproduksjonen hos andre flercellede organismer. Sopp er normalt haploid, og det er ikke vanlig å bruke begrepet «fosterutvikling» om dem.

Kjønnet formering hos sopp skjer ved at to celler fra to forskjellige hyfer smelter sammen, og danner en diploid celle. Hos det store flertall av sopper representerer denne cellen hele den diploide delen av livssyklusen. Den vil igjen gjennomgå meiose og fortsette å gro som en ny myceltråd, nå med en blanding av genene i mycelet til foreldrene. Hos stilksporesopper kan de haploide kjernene i de sammensmeltede hyfene dele celle i mange generasjoner (noen ganger år) uten å smelte sammen. Til slutt vil de danne en sopp. Sammensmeltningen av de to cellekjernene skjer i skivene/porene, og følges av meiose og påfølgende dannelse av hapliode sporer.

Fosterutvikling hos menneske

Fosterutviklingen hos menneske varer i gjennomsnitt 38 uker (266 dager) fra befruktning til fødsel.

 Ved befruktningen dannes en zygote
 Zygoten begynner å dele seg og lager en morula
 1–2 dager etter unnfangelsen vil morulaen ha utviklet seg til en blastula. Som hos andre placentale pattedyr fester den seg i livmoren.
 Gastrulasjon og dannelsen av ryggmargen, dette foregår i tredje uke hos menneske .
 Hjertet begynner å pulsere, før det er ferdig utviklet, mens det ennå er formet som et rør. Fra dette øyeblikk slutter ikke hjertet å slå før døden inntreffer. Hos mennesker med et normalt langt liv (70-80 år) innebærer det at hjertet fra nå av kommer til å slå mer enn 2 milliarder hjerteslag. Hos de fleste virveldyr er dette tallet langt lavere, rundt en halv milliard.
 Etter ca. 8 uker er alle organsystemer anlagt
 Etter 11. uker handler fosterets utvikling vesentlig om vekst.

Referanser

Medisin
Anatomi