高中生物人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》3.1 体内受精和早期胚胎发育学案及答案

体内受精和早期胚胎发育

一、胚胎工程的解读

1.操作对象:动物早期胚胎或配子。

2.处理技术:如体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。

二、精子、卵子的发生

1.精子的发生:

(1)场所:睾丸的曲细精管内。

(2)时期:从初情期开始,直到生殖机能衰退。

(3)过程:

 (4)精子细胞变形过程(连线):

2.卵子的发生:

(1)场所:雌性动物的卵巢内。

(2)时期:在动物胚胎性别分化以后。

(3)过程:

说明:减数分裂两次分裂完成的时间:

第一次:在雌性动物排卵前后完成;

第二次:在精子和卵子结合的过程中完成。

三、受精

1.含义:受精是精子与卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。

2.场所:在雌性动物的输卵管内完成。

3.过程:

(1)受精前的准备阶段。

①精子获能:刚排出的精子,正常情况下必须在雌性动物的生殖道内发生相应的生理变化后,才能获得受精能力。

②卵子的准备:发育到减Ⅱ中期,才具备与精子受精的能力。

(2)受精过程中的“三大反应”与防止多精入卵受精的“两道屏障”。

①顶体反应:精子的质膜和顶体外膜发生一系列改变并释放顶体酶的过程即为顶体反应。顶体反应的主要作用是形成精子穿越放射冠的通路,是精子和卵子结合必不可少的条件。

②透明带反应:精子触及卵细胞膜的瞬间,会产生阻止后来的精子进入透明带的生理反应,称做透明带反应,它是防止多精入卵受精的第一道屏障。

③卵细胞膜反应:精子入卵后,卵细胞膜会立即发生一种生理反应,拒绝其他精子再进入卵内,称为卵细胞膜反应,这是防止多精入卵受精的第二道屏障。

(3)原核形成及融合。

①雄原核形成:精子入卵后,尾部脱离,原有的核膜破裂,随后形成新的核膜,最后形成雄原核。

②雌原核形成:被激活的卵子完成减数第二次分裂,排出第二极体后,形成雌原核。

(4)融合:两核充分发育后,相向移动,彼此接触,体积缩小、合并,形成一个含二倍染色体的合子(即受精卵)。

四、早期胚胎发育过程

1.场所:输卵管、子宫。

2.细胞分裂方式:有丝分裂。

3.过程:

【易错辨析】

1.成熟的精子并不具有受精能力,必须获能后才具备受精能力。 (√)

2.精子在初情期后开始形成,两次分裂连续进行;卵子在胚胎性别分化以后形成,两次分裂不连续进行。              (√)

3.次级卵母细胞的减数第二次分裂完成于排卵前后,场所是卵巢内。 (×)

【分析】减数第一次分裂是在雌性动物排卵前后完成的;减数第二次分裂是在精子和卵子结合的过程中完成的。减数第二次分裂的场所是输卵管内。

4.受精完成的标志是在透明带和卵细胞膜之间观察到两个极体。 (×)

【分析】受精的标志是在透明带和卵细胞膜之间观察到两个极体,受精完成的标志是雌雄原核的融合。

5.透明带反应和卵细胞膜反应是防止多精入卵的两道屏障。 (√)

6.卵裂阶段细胞中有机物、DNA的含量增多,细胞体积增大。(×)

【分析】卵裂阶段胚胎的总体积不变或略有减小,但细胞数量增多,所以每个细胞体积减小;伴随细胞分裂,细胞数量增多,总DNA含量增多,但每个细胞中DNA含量保持相对稳定;该过程中有机物总量减少,因为一直有呼吸消耗但不从外界吸收。

7.胚胎发育过程中细胞开始分化的阶段是原肠胚期。 (×)

【分析】胚胎发育过程中,细胞从囊胚期开始发生分化,原肠胚期分化程度最大。

8.卵裂期胚胎中细胞数目和有机物总量在不断增加。 (×)

【分析】卵裂期细胞持续有丝分裂,胚胎中细胞数目不断增加,细胞呼吸消耗有机物,细胞中有机物总量在不断减少。

一、精子和卵子的发生

1.精子和卵子发生的四个不同点:

2.精子和卵子发生的三个相同点:

(1)原始生殖细胞的增殖为有丝分裂。

(2)生殖细胞的形成过程为减数分裂。

(3)形成过程均经一次染色体复制和两次分裂,子细胞中染色体数目减半。

【素养案例】

　如图表示高等动物卵子的发生过程,请据图回答下列有关问题:

(1)图中A是__________,B是__________,E是__________,阶段D发生的场所是________。 

(2)精子开始形成的时期是__________,精子形成过程不同于卵子形成过程的最主要特征是__________,该过程保留的主要结构是__________和__________。 

(3)当观察到两个极体时,表明__。 

(4)能发生染色体的着丝点分裂的阶段是__________(填序号)。 

【解题关键】(1)明确减数分裂各过程染色体形态和数目的变化。

(2)掌握雌雄配子产生的异同点及精子的变形特点,了解受精完成的场所和标志。

【解析】(1)图中①为卵原细胞增殖(有丝分裂)的过程;③④为减数分裂,只有在受精时,次级卵母细胞才能最终完成减数第二次分裂,因此E是精子,A是第二极体,B是合子;阶段D为初情期后,发生在输卵管。

(2)精子开始形成的时期是初情期,精原细胞经过减数分裂产生精子细胞,精子细胞需要经过变形过程才能形成精子(卵子形成不需要变形),精子细胞中很多结构会消失,而细胞核和线粒体则会保留下来。

(3)当观察到两个极体时,表明卵子已经完成了受精。

(4)染色体的着丝点分裂可发生在有丝分裂后期和减数第二次分裂后期,即图中的①④。

答案:(1)第一极体　合子　精子　输卵管

(2)初情期　需要变形　细胞核　线粒体

(3)卵子已经完成了受精

(4)①④

　【误区警示】(1)卵子产生的MⅠ和MⅡ是不连续的过程,卵原细胞的形成和在卵巢中的储备是在胎儿时期完成的;减数第一次分裂在排卵前后完成,排出一个次级卵母细胞和一个第一极体,次级卵母细胞的减数第二次分裂是在精子和卵子结合过程中完成的。

(2)次级卵母细胞分裂产生一个成熟卵子和一个第二极体。受精时在卵细胞膜和透明带的间隙可观察到两个极体。

【跟踪小练】

　下列关于高等哺乳动物受精过程的叙述,正确的是 (　　)

A.获能的精子穿越透明带的同时释放顶体酶水解卵细胞膜

B.透明带反应和卵细胞膜反应是阻止多精入卵的两道屏障

C.精子被卵细胞膜表面的微绒毛抱合后立即发生卵细胞膜反应

D.精子入卵后立即与卵细胞核发生融合并马上开始有丝分裂

【解析】选B。在受精作用过程中,获能的精子头部的顶体首先释放顶体酶,发生顶体反应,然后精子穿越放射冠和透明带,A错误;透明带反应和卵细胞膜反应是阻止多精入卵的两道屏障,B正确;精子与卵细胞膜接触后,被其表面大量的微绒毛抱合,随后,精子外膜与卵细胞膜发生融合,精子的尾脱落,细胞核进入卵细胞。精子入卵后,卵细胞随即发生卵细胞膜反应,C错误;精子入卵后,核膜破裂形成雄原核,再与雌原核结合,D错误。

二、受精

1.受精的场所:输卵管。

2.受精前的两个准备:

(1)精子获能:

当交配后精液进入雌性动物的生殖道时,由生殖道分泌产生一种物质解除对精子获能的抑制,才能引起精子获能。

(2)卵子的准备:排出的卵子在输卵管中发育到减数第二次分裂的中期,才具有与精子受精的能力。

3.受精阶段——四部曲:

4.受精的意义:维持每种生物前后代体细胞染色体数目的恒定,对于生物的遗传和变异十分重要。

【易错提醒】明辨体内受精应注意的四个问题

(1)精子获能是指精子获得受精“能力”,而不是获得能量;排卵是指卵子从卵泡中排出,而不是卵泡从卵巢中排出。

(2)动物排出的卵子成熟程度不同,有的可能是次级卵母细胞,如猪、羊等;有的可能是初级卵母细胞,如马、犬等。但它们都要在输卵管内进一步成熟,当达到减数第二次分裂的中期时,才具备与精子受精的能力。

(3)受精的标志≠受精完成的标志:受精的标志是在透明带和卵细胞膜之间观察到两个极体;而受精完成的标志是雌、雄原核的融合。

(4)雌、雄原核不能理解成卵子、精子原来的核,而是在原来细胞核的基础上形成的新核,原核膜已破裂。

　【选修对接必修】　对接必修2:受精过程时父本和母本对受精卵遗传物质的贡献是否相同?

在进行受精作用时,通常是精子的头部进入卵细胞,尾部留在外面。受精卵中的染色体数目恢复到体细胞中的数目,其中有一半的染色体来自精子(父方),另一半来自卵细胞(母方),父本和母本对受精卵细胞核中遗传物质的贡献相同,各占一半,但细胞质中的线粒体来自卵细胞。整体来看,进行受精作用时,母本对受精卵遗传物质的贡献大于父本。

【素养案例】

　如图表示精卵相遇时的卵子示意图。回答下列问题:

(1)写出各部分名称:①________;②________;③________。 

(2)当精子穿越__________,进入透明带,即发生__________反应,这是防止多精入卵受精的第__________道屏障。 

(3)精子入卵细胞膜后,卵细胞膜会立即发生一种生理反应,拒绝其他精子再进入卵内,这种生理反应称为__________反应,这是防止多精入卵受精的第二道屏障。 

(4)精子入卵后,形成一个新的核即________________。与此同时,被激活的卵子完成减数第二次分裂,排出____________后形成__________。 

　【解题关键】解答本题的关键是:

(1)图示信息:题图表示精卵相遇时的卵子示意图。

(2)关键信息:明确受精过程中防止多精入卵受精的屏障有透明带反应、卵细胞膜反应。

【解析】(1)据图分析可知:图中①为放射冠,②为透明带,③为第一极体。

(2)当精子穿越放射冠,进入透明带,即发生透明带反应,这是防止多精入卵受精的第一道屏障。

(3)精子入卵后,卵细胞膜会立即发生一种生理反应,即卵细胞膜反应,这是防止多精入卵受精的第二道屏障。

(4)精子入卵后,形成一个新的核即雄原核。与此同时,被激活的卵子完成减数第二次分裂,排出第二极体后形成雌原核。

答案:(1)放射冠　透明带　第一极体

(2)放射冠　透明带　一

(3)卵细胞膜

(4)雄原核　第二极体　雌原核

　　　　　　【方法规律】区分“顶体反应”“透明带反应”“卵细胞膜反应”的方法

(1)从发生时间看:

①顶体反应发生在精子与卵子相遇时。

②透明带反应发生在精子触及卵细胞膜的瞬间。

③卵细胞膜反应发生在精子入卵后。

(2)从生理作用看:

①顶体反应是顶体内释放的酶直接溶解卵丘细胞间的物质,使精子穿越放射冠。

②透明带反应是防止多个精子穿越透明带,是防止多精入卵受精的第一道屏障。

③卵细胞膜反应也是防止其他精子入卵,是防止多精入卵受精的第二道屏障。

【跟踪小练】

　哺乳动物卵原细胞减数分裂形成成熟卵子的过程,只有在促性腺激素和精子的诱导下才能完成。下面为某哺乳动物卵子及早期胚胎的形成过程示意图(N表示染色体组)。

据图分析,下列叙述错误的是 (　　)

A.减数第一次分裂完成于排卵前后

B.细胞Ⅲ只有在精子的作用下才能形成成熟卵子

C.Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ细胞分裂后期染色体数目相同

D.培育转基因动物应选择细胞Ⅳ作为受体细胞

　【解题关键】由题干信息判断出题图中各个序号所代表的细胞名称,然后分析各时期的特点。

【解析】选C。初级卵母细胞的减数第一次分裂于排卵前后在卵巢内完成,次级卵母细胞要在精子的刺激下才能完成减数第二次分裂形成成熟的卵子,故A、B两项正确;Ⅱ细胞的分裂后期为减数第一次分裂后期,Ⅲ细胞的分裂后期为减数第二次分裂后期,二者的染色体数均为2N,Ⅳ细胞的分裂后期为有丝分裂后期,染色体数为4N,C项错误。卵裂期细胞分化程度低,可以作为培育转基因动物的受体细胞,故D项正确。

三、早期胚胎发育

1.发育场所:输卵管、子宫。

2.过程:

【易错提醒】

细胞全能性与早期胚胎发育各阶段的关系

(1)桑椹胚期以前的细胞具有全能性,即每一个细胞都有发育成完整胚胎的潜能。

(2)囊胚开始出现细胞分化,其中内细胞团细胞具有全能性,而滋养层细胞不具有全能性。

(3)原肠胚中出现胚层分化,细胞不再具有全能性。

　【选修对接必修】　对接必修1:多细胞生物早期胚胎发育与细胞生命历程的联系。

(1)多细胞生物从受精卵开始,要经过细胞的增殖和分化逐渐发育为成体。

(2)有丝分裂将亲代细胞的染色体经过复制(实质为DNA的复制)之后,精确地平均分配到两个子细胞中。在细胞的亲代和子代之间保持了遗传性状的稳定性。

(3)在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程,叫做细胞分化。细胞分化的实质是基因的选择性表达。细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化,有利于提高各种生理功能的效率。

【素养案例】

　如图表示哺乳动物精子和卵子相遇以及动物胚胎发育过程的两个阶段,请据图回答问题:

(1)精细胞变形为精子的过程中,细胞中的很多结构会消失,而细胞核和线粒体都保留下来,为什么? ___________________________________________。 

(2)精子与卵子相遇,__________内的某些酶类释放出来,可直接溶解________之间的物质,形成精子穿越__________的通道。_________________,标志着受精作用完成。 

(3)A时期的细胞具有发育上的____________性,B时期开始出现_________,B时期的[1]将来发育成______________,[2]将来发育成________________。 

【解析】(1)精细胞变形阶段只保留细胞核、线粒体,是因为细胞核是精子遗传物质储存的场所,也是精卵结合后的后代遗传特性和代谢活动的控制中心;而线粒体则是精子进行有氧呼吸分解有机物产生能量的场所。

(2)受精过程中,精子与卵子相遇,首先发生顶体反应,即顶体内的酶会释放出来,溶解卵丘细胞之间的物质,形成精子穿越放射冠的通路。雌雄原核充分发育后,彼此接触,形成一个含有二倍染色体的合子,即受精卵,受精作用至此结束。

(3)A桑椹胚时期细胞具有发育的全能性,B囊胚期细胞开始出现细胞分化。B囊胚期的1滋养层会发育成胎膜胎盘,2内细胞团会发育成胎儿的各种组织。

答案:(1)细胞核是精子遗传物质储存的场所,也是精卵结合后的后代遗传特性和代谢活动的控制中心;而线粒体则是精子进行有氧呼吸分解有机物产生能量的场所

(2)顶体　卵丘细胞　放射冠 　雌、雄原核彼此融合(核融合)

(3)全能　细胞分化　胎盘和胎膜　胎儿的各种组织

　【误区警示】(1)精子与卵细胞结合,首先发生顶体反应,释放顶体酶,水解卵丘细胞之间的物质,形成精子穿越放射冠的通道,并溶解透明带(或溶解放射冠和透明带)。

(2)防止多精入卵的两道屏障是透明带反应和卵细胞膜反应。

(3)卵裂期在透明带内进行。

【跟踪小练】

　胚胎工程的许多技术,实际是在体外条件下,对动物自然受精和早期胚胎发育条件进行的模拟操作。请根据动物受精和早期胚胎发育过程回答下列问题:

(1)在哺乳动物体内卵子的发生过程中,减数第一次分裂完成的时间是在雌性个体____________,当次级卵母细胞发育到____________(时期)时才具备与精子受精的能力,受精的场所是____________,判断卵子是否受精的重要标志是____________。 

(2)受精过程中防止多精入卵的两道屏障是__________和__________。 

(3)胚胎发育过程首先是卵裂,所得每个子细胞的体积比受精卵____________,胚胎发育到____________期会导致透明带破裂,胚胎从中伸展出来,这一过程叫做孵化。 

【解析】哺乳动物的卵细胞形成过程中的减数第一次分裂发生在雌性动物排卵前后,次级卵母细胞发育到减数第二次分裂中期才具备受精能力。受精的场所是输卵管。判断卵子是否受精的标志是在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。受精过程中防止多精入卵的两道屏障是透明带反应和卵细胞膜反应。

答案:(1)排卵前后　MⅡ中期　输卵管　在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体

(2)透明带反应　卵细胞膜反应(顺序可颠倒)

(3)小　囊胚

　　　　【补偿训练】

　胚胎干细胞培养的基本过程如图所示,下列叙述正确的是 (　　)

A.①过程的培养液与动物细胞培养的培养液成分不同之处是不含有动物血清
B.②过程采用酶处理的方式使内细胞团细胞分散开
C.③过程培养基中需加入经紫外线照射后的成纤维细胞,以促进胚胎干细胞分化
D.早期胚胎继续发育会在外层形成滋养层细胞,最终这部分细胞发育为成体的一部分

【解析】选B。胰蛋白酶具有水解蛋白质的作用,胚胎细胞间含有大量的蛋白质,用胰蛋白酶处理内细胞团细胞可以使其分散,故B项正确。①过程的实质为细胞培养,需要向培养基中加入动物血清,故A项错误。③过程培养基中需加入经紫外线照射后的成纤维细胞,以抑制细胞分化,保持只分裂的状态,故C项错误。滋养层细胞发育成胎膜和胎盘,为胚胎发育提供营养物质,故D项错误。