受精から誕生まで：ヒトはどのように形づくられるのか

1827年のある冬の午後、ケーニヒスベルク大学の実験室で、カール・エルンスト・フォン・ベーアは一匹の犬の卵巣を顕微鏡の下に滑り込ませ、それまで誰も確認しえなかったものを目にした。液体に満たされた小さな卵胞の一つの内側に、淡い色をした一つの球体、すなわち哺乳類の卵子が収まっていたのである。その存在は、解剖学者たちが哺乳類も鳥と同じように何らかの卵から始まるにちがいないと初めて推測して以来、およそ百五十年にわたって疑われてはいたが、実際にそれを目にした者は誰もいなかった。フォン・ベーアはそれを見たのであり、同じ年に彼はその成果を、堂々たる表題を冠した薄いラテン語の論文として発表した。De Ovi Mammalium et Hominis Genesi、すなわち「哺乳類とヒトの卵の発生について」である。

このたった一つの観察こそが、近代発生学の真の出発点を画するものだった。なぜならそれは、あらゆるヒトの生命の起点を一つの細胞として特定したからである。その後に続くすべて、成人の体を構成する数兆もの細胞、あらゆる器官、あらゆる神経、あらゆる骨は、その卵子と精子の融合へとさかのぼる。この記事が答えようとする問いは、一見すると単純である。壁に貼られた設計図もなく、交通整理をする現場監督もないなかで、たった一つの細胞は、いかにして四十週間をかけて自らを折りたたみ、一人の完全な人間へと作り上げていくのか。

ほとんど起こりえない出会い

受精は、その評判が示すよりもはるかに稀であり、はるかに場所を選ぶ出来事である。射精のとき、男性は二億個ほどの精子を放出する。これほど膨大な数になるのは、まさにこの先に待ち受ける道のりが過酷だからである。精子は子宮の端から端まで進み、卵管へと入っていかなければならない。流れに逆らい、過酷な化学的環境をくぐり抜けながら、そのほとんどはたどり着けない。その二億個のうち、通常受精が起こる卵管の外側の広い区間である膨大部に実際に到達するのは、わずか数百個にすぎない。

タイミングはこの出会いをさらに狭いものにする。排卵の後、卵子はおよそ十二時間から二十四時間しか受精能力を保たない。精子がすでに卵管の中で待ち構えているか、あるいはこの短い猶予の中に到着しなければ、卵子は変性して失われてしまう。つまり受精は、稀で、束の間で、体の中の特定の一箇所に縛りつけられた出来事なのである。必死の競走が勝利の到達で締めくくられるという通俗的なイメージは間違ってはいないが、そもそもこの出会いがどれほど多くの形で成立しそこないうるかを、過小に見積もっている。

精子と卵子が出会うときの化学

精子がついに卵子に到達したとき、その結びつきは単純な衝突ではなく、決まった順序で起こらなければならない分子レベルの一連の段階である。卵子は、糖タンパク質でできた殻である透明帯と呼ばれる厚い外側の被膜に包まれている。精子はまず、その被膜の中の特定の糖タンパク質に結合する。この認識の出来事は、通常の条件下では卵子と精子が同じ種に属することを保証する助けとなる。

結合は次の段階の引き金を引く。精子の頭部には先体と呼ばれる帽子状の構造があり、その中には酵素が詰め込まれている。接触すると、先体の帽子はそれらの酵素を放出し、それが透明帯を消化して通り道を作り、精子は卵子自身の膜にたどり着けるようになる。続いて二つの膜が融合し、精子の中身は、その核も含めて卵子の中へと入っていく。その瞬間、それぞれ二十三本の染色体一組を担う二つの半数体の核が、四十六本という完全な数を担う一つの二倍体の核へと結合する。この結合した一つの細胞こそが接合子、すなわち新しい一個体の最初の細胞であり、その後に続くすべてのものの遺伝的な出発線である。

二つ目の精子に扉を閉ざす

最初の精子が卵子と融合したまさにその瞬間、新たな問題が立ち現れる。もし二つ目の精子が入り込めば、生じる細胞は二組ではなく三組の染色体を担うことになり、これは三倍体という状態であって、そのような胚は正常に発生することができない。進化が用意した解決策は、受精が始まったその瞬間に卵子に錠をかけることであり、それは異なる時間尺度で働く二つの別々の仕組みによってなされる。

一つ目はほとんど瞬時に起こる。融合からほんの一瞬のうちに、卵子の膜はその電荷の急速な変化、すなわち脱分極を起こす。これは速い遮断として働き、別の精子が融合することを一時的に不可能にする。この電気的な障壁は速いが、一時的なものであり、応急処置にすぎない。二つ目の仕組みはより遅く、そして恒久的である。続く数秒から数分のあいだに、卵子は酵素を放出して透明帯を化学的に硬化させ、かつては受け入れる態勢にあった被膜を、貫くことのできない殻へと変えてしまう。この二つの反応、すなわち速い電気的遮断と遅い化学的遮断が相まって、ただ一つの精子だけがそのゲノムを提供することを保証する。これらがなければ、受精のごく普通の帰結は破滅の運命にある三倍体の細胞となり、妊娠の成立は通例ではなく例外となってしまうだろう。

一つの細胞から細胞の中空の球へ

受精すると、接合子はまず一見するとほとんど反則のように見えることをする。それは分裂し、そしてまた分裂するが、大きくはならないのである。全体の体積はおおむね一定のままで細胞の数だけが増えていくので、生まれてくる細胞は前のものより小さくなっていく。この成長を伴わずに分裂するだけの初期の段階は卵割と呼ばれ、驚くほど規則正しい時計に従って進み、細胞数はおよそ二十時間ごとにほぼ倍増していく。

そのスケジュールはたどりやすい。一日半ほどで二つの細胞になり、四日目には桑実胚と呼ばれる約十六個の細胞からなる詰まった球になり、五日目か六日目には胞胚と呼ばれる中空の球になる。胞胚では、内側の細胞の塊(内部細胞塊、これが本来の胚になる)が、液体で満たされた腔の一方の側に位置している。このすべての過程を通じて、成長しつつある細胞の塊は、もとのままの変わらない透明帯の内側に包まれたまま、卵管をゆっくりと下って子宮へと漂っていく。子宮に到達して初めて、胞胚はその被膜から孵化し、子宮壁の中へともぐり込む。これが着床と呼ばれる出来事であり、妊娠を固定し、胚と母体との長い協働を開始させる。

全身となる三枚のシート

受精後の三週目に、胚は細胞の球を秩序ある動物の始まりへと変える手際を見せる。内部細胞塊は、上下に重ね合わされた三枚の平たいシート、すなわち三つの胚葉へと自らを再編成する。外側の外胚葉、中間の中胚葉、内側の内胚葉である。この一見単純な配置こそが全身の基本設計図であり、というのもヒトのあらゆる組織は、この三つの層のどれか一つへとさかのぼることができるからである。

その割り当ては一貫しており、しかもふさわしいことに、1828年にフォン・ベーア自身によって解き明かされたものである。外胚葉は外側の表面と神経系を生み出し、皮膚や毛、そして脳と脊髄の全体を含む。中胚葉は構造と循環の組織、すなわち筋肉、骨、血液、心臓、腎臓を作り出す。内胚葉は内側の裏打ち、すなわち消化管と、そこから芽のように生え出る肺、肝臓、膵臓などの器官を形づくる。この三つの層がいったん整うと、発生は折りたたみ、移動、そしてシグナル伝達の問題となり、層が曲がり、互いに作用しあって器官を彫り出していく。器官形成と呼ばれるこの器官づくりの大部分は、おおよそ三週目から八週目にかけて進行し、それは全過程の中でもっとも繊細で、もっとも傷つきやすい区間である。

二人の人間によって作られる一時的な器官

胚が自らの器官を据えつけている間、もう一つの器官が並行して組み立てられていくが、それはどの一個人にも属していない。胎盤は紛れもない一つの器官だが、奇妙な器官である。胎児の組織(栄養膜、すなわち胞胚の外側の細胞)と母体の組織(子宮内膜、すなわち子宮の裏打ち)の混合物から作られているのである。それは脊椎動物の生物学においていくつもの点で類を見ない。それは妊娠のたびにゼロから育てられ、四十週間をきっちり保ち一日たりとも長くは続かず、いくつもの仕事を同時にこなし、そして赤ん坊とともに排出されたのちに捨てられる。

胎盤の仕事は一つひとつ書き出しておく価値がある。なぜならそれは、いくつもの成人の器官の仕事を同時にこなしているからである。それはガス交換を担い、胎児がまだ使えない肺の代わりに酸素を供給し二酸化炭素を取り除く。それは栄養と老廃物を管理し、ブドウ糖、アミノ酸、その他の栄養素を胎児へと送り届けながら、代謝の老廃物を運び去る。そしてそれは内分泌腺としても働き、妊娠を維持し、出産と授乳に向けて母体を準備させるホルモンを作り出す。ここで正しておくべき根強い誤解が一つある。それはこの分野全体の中でも学生がもっともよく犯す間違いに数えられるものだからである。母体の血液と胎児の血液は混ざり合わない。二つの循環は完全に別々のままである。すべての交換は、絨毛膜絨毛、すなわち母体の血だまりに浸された指のような胎児側の突起の、薄い膜を介した拡散によって起こる。酸素、栄養素、老廃物はその膜を越えるが、二つの血流が一つになることは決してない。

三幕で描かれる四十週間

ヒトの妊娠はおよそ四十週間続き、慣例的にそれぞれおよそ十三週間ずつの三つの三半期に分けられ、各三半期はそれぞれ固有の発生上の優先事項、固有の特徴的なリスク、そして固有の臨床上の節目を持っている。第一三半期は建設の時代である。受精、卵割、着床、三つの胚葉、そして器官形成がすべてここで起こり、体の基本設計が据えつけられている時期であるがゆえに、混乱に対してもっとも傷つきやすい時期でもある。第二三半期はおおむね成長と洗練に関わる時期であり、すでに形づくられた器官が成熟し大きくなり、運動が感じ取れるようになる。第三三半期は仕上げと肉づけの時期であり、胎児は体重を増やし、肺は空気を呼吸できる段階に向けて成熟し、体は外の世界での生に備える。

発生学は、この時間軸の中に特に一本の鋭い線を引く。八週目の終わりである。その時点より前、発生しつつある生体は胚と呼ばれ、その後は胎児と呼ばれる。この区別は恣意的な言葉づかいではない。それは器官形成が本質的に終わる瞬間、主要な器官の大まかな形ができあがり、仕事が新しい構造を作ることからすでに存在するものをただ成長させることへと移る瞬間を画している。胚は建設中であり、胎児はおおかた育ちつつあるのである。

この四十週間の全行程について驚くべきことは、それが今やどれほど精密に追跡できるかということである。現代の産科学は、妊娠の時期を約一週間の精度で割り出し、六週目あたりには拍動する心臓を画像でとらえ、おおよそ十六週目には胎児の性別を特定することができる。これは人体生物学全体の中でももっともよく地図化された過程の一つであり、そのスケジュールは何らかの外部からの指示によってではなく、ゲノムそれ自身によって設定されている。決まった順序でオンとオフを切り替えていく、これまで生きてきたあらゆる人間を作り上げてきたのと同じ遺伝子の一式によって設定されているのである。

要点のまとめ

ヒトの発生は、二億のうち生き残ったわずか数百の精子の一つが、卵子のわずか十二時間から二十四時間の猶予の中で卵管の膨大部に到達し、透明帯に結合し、その先体酵素を放出し、融合して二倍体の接合子を形成したときに始まる。そしてそこで、速い電気的遮断と遅い化学的遮断が、本来なら生存不能の三倍体細胞を作り出してしまう二つ目の精子に対して卵子を封じる。次いで接合子は成長を伴わずに卵割し、およそ二十時間ごとに倍増しながら、二つの細胞から四日目には十六個の細胞の桑実胚へ、五日目か六日目には中空の胞胚へと、すべてもとの透明帯の内側で進んでいき、やがて子宮壁に着床して三週目に三つの胚葉(外胚葉、中胚葉、内胚葉)へと再編成される。あらゆる組織がそこから派生するこの割り当ては、1828年にフォン・ベーア自身が確立したものである。器官形成は八週目まで続き、それが胚が胎児になる境界線となる。その一方で胎盤は、胎児の栄養膜と母体の子宮内膜から共同で作られる一時的な器官であり、二つの別々の血流をけっして混ぜ合わせることなく、四十週間のあいだガス交換、栄養、老廃物の除去、そしてホルモンの産生を引き受ける。妊娠は、それぞれ固有の優先事項を持つおよそ十三週間ずつの三つの三半期にわたって展開し、その過程は、現代の産科学が週単位で時期を割り出せるほどによく地図化されているが、その全スケジュールを書き、そして動かしているのはゲノムなのである。