Von der Befruchtung bis zur Geburt: Wie ein Mensch entsteht

An einem Winternachmittag des Jahres 1827 schob Karl Ernst von Baer in einem Labor der Universität Königsberg den Eierstock einer Hündin unter sein Mikroskop und sah etwas, das vor ihm noch niemand zweifelsfrei hatte bestätigen können. Eingebettet in einen der kleinen, mit Flüssigkeit gefüllten Follikel lag eine einzelne blasse Kugel, die Eizelle der Säugetiere. Ihre Existenz hatte man seit etwa hundertfünfzig Jahren vermutet, seit Anatomen erstmals spekuliert hatten, dass Säugetiere, ähnlich wie Vögel, aus irgendeiner Art von Ei hervorgehen müssten, doch tatsächlich gesehen hatte sie noch niemand. Von Baer sah sie, und im selben Jahr veröffentlichte er das Ergebnis in einer schmalen lateinischen Schrift mit großem Titel, De Ovi Mammalium et Hominis Genesi, „Über die Entstehung des Eies der Säugetiere und des Menschen".

Diese eine Beobachtung markierte den eigentlichen Anfang der modernen Embryologie, denn sie bestimmte den Ausgangspunkt jedes menschlichen Lebens als eine einzige Zelle. Alles, was folgt, die Billionen Zellen eines erwachsenen Körpers, jedes Organ, jeder Nerv, jeder Knochen, lässt sich auf die Verschmelzung dieser Eizelle mit einem Spermium zurückführen. Die Frage, die dieser Artikel beantwortet, ist trügerisch einfach: Wie schafft es eine einzelne Zelle, ohne einen an die Wand gehefteten Bauplan und ohne einen Polier, der den Verkehr regelt, sich im Laufe von vierzig Wochen zu einem vollständigen Menschen zu falten?

Ein Treffen, das fast nie zustande kommt

Die Befruchtung ist weit seltener und örtlich weit genauer festgelegt, als ihr Ruf vermuten lässt. Bei der Ejakulation gibt ein Mann etwa zweihundert Millionen Spermien ab, eine ungeheure Zahl, die gerade deshalb existiert, weil die bevorstehende Reise brutal ist. Die Spermien müssen die gesamte Länge der Gebärmutter und weiter in den Eileiter zurücklegen, gegen Strömungen, durch ein feindliches chemisches Milieu, und die allermeisten von ihnen schaffen es nicht. Von diesen zweihundert Millionen erreichen nur ein paar Hundert tatsächlich die Ampulle, den weiten äußeren Abschnitt des Eileiters, in dem die Befruchtung normalerweise stattfindet.

Das Timing macht die Begegnung noch unwahrscheinlicher. Nach dem Eisprung bleibt die Eizelle nur etwa zwölf bis vierundzwanzig Stunden lang befruchtungsfähig. Wenn die Spermien nicht bereits im Eileiter warten oder nicht innerhalb dieses kurzen Zeitfensters eintreffen, zerfällt die Eizelle und geht verloren. Die Befruchtung ist also selten, kurz und an einen ganz bestimmten Ort im Körper gebunden. Das gängige Bild eines hektischen Wettrennens, das in einem triumphalen Zieleinlauf endet, ist nicht falsch, doch es spielt herunter, auf wie viele Arten das Treffen überhaupt scheitern kann.

Die Chemie der Begegnung von Spermium und Eizelle

Wenn ein Spermium die Eizelle endlich erreicht, ist die Vereinigung kein bloßer Zusammenstoß, sondern eine Abfolge molekularer Schritte, die in einer bestimmten Reihenfolge ablaufen müssen. Die Eizelle ist von einer dicken äußeren Hülle umgeben, der Zona pellucida, einer Schale aus Glykoproteinen. Ein Spermium bindet zunächst an ein bestimmtes Glykoprotein in dieser Hülle, ein Erkennungsvorgang, der unter normalen Bedingungen sicherstellt, dass Eizelle und Spermium derselben Art angehören.

Die Bindung löst den nächsten Schritt aus. Der Kopf des Spermiums trägt eine Kappe namens Akrosom, vollgepackt mit Enzymen. Bei Kontakt entlässt die Akrosomkappe diese Enzyme, die einen Weg durch die Zona pellucida verdauen, sodass das Spermium die eigene Membran der Eizelle erreichen kann. Die beiden Membranen verschmelzen daraufhin, und der Inhalt des Spermiums, einschließlich seines Zellkerns, gelangt in die Eizelle. In diesem Moment vereinen sich zwei haploide Zellkerne, von denen jeder einen einfachen Satz von dreiundzwanzig Chromosomen trägt, zu einem diploiden Zellkern mit dem vollständigen Satz von sechsundvierzig. Diese eine zusammengeführte Zelle ist die Zygote, die erste Zelle eines neuen Individuums und die genetische Startlinie für alles, was danach kommt.

Die Tür vor einem zweiten Spermium zuschlagen

In dem Augenblick, in dem das erste Spermium mit der Eizelle verschmilzt, taucht ein neues Problem auf. Würde ein zweites Spermium eindringen, trüge die entstehende Zelle drei statt zwei Chromosomensätze, einen triploiden Zustand, und ein solcher Embryo kann sich nicht normal entwickeln. Die Lösung der Evolution besteht darin, die Eizelle in dem Moment zu verriegeln, in dem die Befruchtung beginnt, und sie tut dies mit zwei voneinander getrennten Mechanismen, die auf unterschiedlichen Zeitskalen arbeiten.

Der erste verläuft nahezu augenblicklich. Innerhalb von Sekundenbruchteilen nach der Verschmelzung verändert die Membran der Eizelle rasch ihre elektrische Ladung, eine Depolarisation, die als schnelle Sperre wirkt und es einem weiteren Spermium für einen Moment unmöglich macht, zu verschmelzen. Diese elektrische Barriere ist schnell, aber vorübergehend, ein Notbehelf. Der zweite Mechanismus ist langsamer und dauerhaft. In den folgenden Sekunden und Minuten setzt die Eizelle Enzyme frei, die die Zona pellucida chemisch verhärten und die einst aufnahmebereite Hülle in eine undurchdringliche Schale verwandeln. Gemeinsam stellen diese beiden Reaktionen, die schnelle elektrische Sperre und die langsame chemische Sperre, sicher, dass nur ein einziges Spermium sein Genom beisteuert. Ohne sie wäre das übliche Ergebnis der Befruchtung eine zum Scheitern verurteilte triploide Zelle, und eine erfolgreiche Schwangerschaft wäre die Ausnahme statt die Regel.

Von einer Zelle zu einer hohlen Zellkugel

Einmal befruchtet, tut die Zygote etwas, das auf den ersten Blick fast wie Schummeln wirkt. Sie teilt sich, und teilt sich erneut, doch sie wächst nicht. Das Gesamtvolumen bleibt annähernd konstant, während die Zellzahl steigt, sodass jede nachfolgende Zelle kleiner ist als die vorherige. Diese frühe Phase des Teilens ohne Wachsen heißt Furchung, und sie verläuft nach einem bemerkenswert regelmäßigen Takt, wobei sich die Zellzahl etwa alle zwanzig Stunden ungefähr verdoppelt.

Dem Zeitplan lässt sich leicht folgen. Nach etwa anderthalb Tagen sind es zwei Zellen, am vierten Tag eine kompakte Kugel aus rund sechzehn Zellen, die Morula genannt wird, und am fünften oder sechsten Tag eine hohle Kugel namens Blastozyste, mit einer inneren Zellansammlung (der inneren Zellmasse, aus der der eigentliche Embryo hervorgeht) auf einer Seite eines mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraums. Während all dessen ist die wachsende Zellansammlung noch immer von der ursprünglichen, unveränderten Zona pellucida umhüllt und treibt langsam durch den Eileiter Richtung Gebärmutter. Erst wenn sie die Gebärmutter erreicht, schlüpft die Blastozyste aus dieser Hülle und gräbt sich in die Gebärmutterwand ein, ein Vorgang, der Einnistung genannt wird, der die Schwangerschaft verankert und die lange Zusammenarbeit zwischen Embryo und Mutter beginnt.

Drei Blätter, die einen ganzen Körper werden

In der dritten Woche nach der Befruchtung vollführt der Embryo das Manöver, das aus einer Zellkugel die Anfänge eines geordneten Lebewesens macht. Die innere Zellmasse ordnet sich neu zu drei flachen Blättern, die übereinandergeschichtet sind, den drei Keimblättern: Ektoderm außen, Mesoderm in der Mitte und Entoderm innen. Diese trügerisch einfache Anordnung ist der Bauplan für den gesamten Körper, denn jedes Gewebe eines Menschen lässt sich auf eines dieser drei Blätter zurückführen.

Die Zuordnungen sind beständig und wurden, passenderweise, von von Baer selbst im Jahr 1828 herausgearbeitet. Aus dem Ektoderm entstehen die äußeren Oberflächen und das Nervensystem, einschließlich der Haut, der Haare sowie des gesamten Gehirns und Rückenmarks. Das Mesoderm bringt die strukturellen Gewebe und das Kreislaufsystem hervor, die Muskeln, Knochen, das Blut, das Herz und die Nieren. Das Entoderm bildet die inneren Auskleidungen, das Darmrohr und die Organe, die daraus aussprossen, darunter die Lunge, die Leber und die Bauchspeicheldrüse. Sind diese drei Blätter erst einmal angelegt, wird die Entwicklung zu einer Sache des Faltens, Wanderns und Signalisierens, während sich die Blätter biegen und miteinander wechselwirken, um Organe zu formen. Der Hauptteil dieses Organaufbaus, die Organogenese genannt, läuft etwa von der dritten bis zur achten Woche und ist der heikelste und verletzlichste Abschnitt des gesamten Vorgangs.

Das vorübergehende Organ, das zwei Menschen bauen

Während der Embryo seine Organe anlegt, fügt sich parallel dazu ein weiteres Organ zusammen, und es gehört keinem einzelnen Individuum. Die Plazenta ist ein echtes Organ, aber ein eigenartiges, gebaut aus einer Mischung von fetalem Gewebe (dem Trophoblast, den äußeren Zellen der Blastozyste) und mütterlichem Gewebe (dem Endometrium, der Auskleidung der Gebärmutter). Sie ist in der Biologie der Wirbeltiere in mehrfacher Hinsicht einzigartig: Sie wird für jede Schwangerschaft von Grund auf neu gebildet, sie hält die vollen vierzig Wochen und keinen Tag länger, sie erfüllt mehrere Aufgaben zugleich, und sie wird zusammen mit dem Baby ausgestoßen und danach verworfen.

Die Aufgaben der Plazenta lohnt es sich aufzuzählen, denn sie verrichtet die Arbeit gleich mehrerer erwachsener Organe auf einmal. Sie übernimmt den Gasaustausch, versorgt mit Sauerstoff und entfernt Kohlendioxid an der Stelle der Lunge, die der Fötus noch nicht nutzen kann. Sie regelt die Ernährung und die Entsorgung, indem sie Glukose, Aminosäuren und andere Nährstoffe an den Fötus weitergibt und zugleich Stoffwechselabfälle abtransportiert. Und sie wirkt als endokrine Drüse, die Hormone produziert, welche die Schwangerschaft aufrechterhalten und den Körper der Mutter auf Geburt und Stillen vorbereiten. Es gibt hier ein hartnäckiges Missverständnis, das es richtigzustellen lohnt, denn es zählt zu den häufigsten Fehlern von Lernenden im ganzen Fachgebiet: Das Blut der Mutter und das Blut des Fötus vermischen sich nicht. Die beiden Kreisläufe bleiben vollständig getrennt. Jeglicher Austausch erfolgt durch Diffusion über die dünne Membran der Chorionzotten, der fingerförmigen fetalen Ausstülpungen, die in Lachen mütterlichen Blutes gebadet liegen. Sauerstoff, Nährstoffe und Abfallstoffe überqueren diese Membran, doch die beiden Blutbahnen vereinigen sich niemals.

Vierzig Wochen in drei Akten

Die menschliche Schwangerschaft dauert etwa vierzig Wochen, herkömmlich aufgeteilt in drei Trimester von jeweils rund dreizehn Wochen, und jedes Trimester hat seine eigenen Entwicklungsprioritäten, seine eigenen charakteristischen Risiken und seine eigenen klinischen Meilensteine. Das erste Trimester ist die Ära des Aufbaus. In dieser Zeit finden Befruchtung, Furchung, Einnistung, die drei Keimblätter und die Organogenese allesamt statt, und weil der grundlegende Bauplan des Körpers angelegt wird, ist es zugleich die Phase der größten Anfälligkeit für Störungen. Im zweiten Trimester geht es weitgehend um Wachstum und Verfeinerung, während die bereits gebildeten Organe heranreifen und größer werden und Bewegungen spürbar werden. Im dritten Trimester geht es um Vollendung und Zunehmen, während der Fötus an Gewicht gewinnt, die Lunge bis zu dem Punkt heranreift, an dem sie Luft atmen kann, und der Körper sich auf das Leben draußen vorbereitet.

Die Embryologie zieht eine besonders scharfe Linie durch diesen Zeitstrahl, am Ende der achten Woche. Vor diesem Punkt wird der sich entwickelnde Organismus Embryo genannt; danach Fötus. Diese Unterscheidung ist keine willkürliche Wortwahl. Sie markiert den Moment, in dem die Organogenese im Wesentlichen abgeschlossen ist, in dem die wichtigsten Organe grob angelegt sind und sich die Arbeit vom Aufbau neuer Strukturen hin zum bloßen Wachsen der vorhandenen verlagert. Ein Embryo befindet sich im Bau; ein Fötus wächst, größtenteils, heran.

Bemerkenswert an der gesamten vierzigwöchigen Abfolge ist, wie präzise sie sich heute verfolgen lässt. Die moderne Geburtshilfe kann eine Schwangerschaft auf etwa eine Woche genau datieren, ein schlagendes Herz um die sechste Woche herum darstellen und das Geschlecht des Fötus etwa ab der sechzehnten Woche bestimmen. Dies ist einer der am besten kartierten Vorgänge der gesamten menschlichen Biologie, und sein Zeitplan wird nicht durch irgendeine äußere Anweisung festgelegt, sondern durch das Genom selbst, denselben Satz von Genen, der sich in einer festen Reihenfolge ein- und ausschaltet und der jeden Menschen gebaut hat, der je gelebt hat.

Das Wichtigste in Kürze

Die menschliche Entwicklung beginnt, wenn eines von ein paar Hundert überlebenden Spermien, aus zweihundert Millionen, die Ampulle des Eileiters innerhalb des kurzen Zeitfensters der Eizelle von zwölf bis vierundzwanzig Stunden erreicht, an die Zona pellucida bindet, seine akrosomalen Enzyme freisetzt und zu einer diploiden Zygote verschmilzt, woraufhin eine schnelle elektrische Sperre und eine langsame chemische Sperre die Eizelle gegen jedes zweite Spermium abdichten, das andernfalls eine nicht lebensfähige triploide Zelle schaffen würde. Die Zygote furcht sich daraufhin ohne zu wachsen, verdoppelt sich etwa alle zwanzig Stunden von zwei Zellen über eine sechzehnzellige Morula am vierten Tag bis zu einer hohlen Blastozyste am fünften oder sechsten Tag, all dies innerhalb der ursprünglichen Zona pellucida, bevor sie sich in die Gebärmutterwand einnistet und sich in der dritten Woche zu drei Keimblättern (Ektoderm, Mesoderm, Entoderm) neu ordnet, aus denen sich jedes Gewebe ableitet, eine Zuordnung, die von Baer selbst 1828 begründete. Die Organogenese läuft bis zur achten Woche, der Trennlinie, an der aus dem Embryo ein Fötus wird, während die Plazenta, ein vorübergehendes Organ, das gemeinsam aus fetalem Trophoblast und mütterlichem Endometrium gebaut wird, für die vollen vierzig Wochen den Gasaustausch, die Ernährung, die Abfallentsorgung und die Hormonproduktion übernimmt, ohne jemals die beiden getrennten Blutbahnen zu vermischen. Die Schwangerschaft entfaltet sich über drei Trimester von jeweils rund dreizehn Wochen, jedes mit eigenen Prioritäten, in einer Abfolge, die so gut kartiert ist, dass die moderne Geburtshilfe sie auf die Woche genau datieren kann, deren gesamter Zeitplan jedoch vom Genom geschrieben und gesteuert wird.