Een kiemlaag is een groep cellen in een embryo die met elkaar interageren terwijl het embryo zich ontwikkelt en bijdragen aan de vorming van alle organen en weefsels. Alle dieren, behalve misschien sponzen, vormen twee of drie kiemlagen. De kiemlagen ontwikkelen zich vroeg in het embryonale leven, door het proces van gastrulatie. Tijdens gastrulatie reorganiseert een hol cluster van cellen, een blastula genaamd, zich in twee primaire kiemlagen: een binnenste laag, endoderm genaamd, en een buitenste laag, ectoderm genaamd. Diploblastische organismen hebben alleen de twee primaire kiemlagen; deze organismen hebben kenmerkend meerdere symmetrische lichaamsassen (radiale symmetrie), zoals geldt voor kwallen, zeeanemonen en de rest van de phylum Cnidaria. Alle andere dieren zijn triploblastisch, omdat endoderm en ectoderm een interactie aangaan om een derde kiemlaag te produceren, mesoderm genaamd. Samen zullen de drie kiemlagen elk orgaan in het lichaam doen ontstaan, van huid en haar tot het spijsverteringskanaal.

Gastrulatie verschilt van soort tot soort, maar het algemene proces is hetzelfde: de holle bal van cellen die de blastula vormt, differentieert in lagen. De eerste fase van gastrulatie produceert een tweelaags organisme dat bestaat uit ectoderm en endoderm. Het ectoderm vormt de buitenste componenten van het lichaam, zoals huid, haar en borstklieren, evenals een deel van het zenuwstelsel. Na gastrulatie vouwt een deel van het ectoderm naar binnen, waardoor een groef ontstaat die sluit en een geïsoleerde buis vormt langs het dorsale middengedeelte van het embryo. Dit proces van neurulatie vormt de neurale buis, die aanleiding geeft tot het centrale zenuwstelsel. Tijdens neurulatie vormt ectoderm ook een type weefsel dat de neurale top wordt genoemd en dat helpt bij het vormen van structuren van het gezicht en de hersenen. Het endoderm dat tijdens gastrulatie wordt geproduceerd, vormt de bekleding van het spijsverteringskanaal, evenals dat van de longen en de schildklier. Bij dieren met drie kiemlagen, nadat het endoderm en het ectoderm zijn gevormd, veroorzaken interacties tussen de twee kiemlagen de ontwikkeling van mesoderm. Het mesoderm vormt skeletspieren, botten, bindweefsel, het hart en het urogenitale systeem. Door de evolutie van het mesoderm ontwikkelen triploblastische dieren viscerale organen zoals magen en darmen, in plaats van de open spijsverteringsholte te behouden die kenmerkend is voor diploblastische dieren.

Christian Pander, een doctoraalstudent van Ignaz Döllinger aan de universiteit uit Würzburg, in Würzburg, Duitsland, erkende voor het eerst het bestaan van kiemlagen bij kuikens (Gallus gallus) in 1817. In de publicaties die zijn afgeleid van zijn proefschrift beschreef Pander hoe twee cellagen, die hij sereus en slijm noemde, aanleiding gaven tot een tussenlaag, die hij vasculair noemde. Pander schreef over de onderlinge afhankelijkheid van deze drie lagen en over de noodzaak van hun interactie om organen te vormen.

In 1825, acht jaar na Pander’s eerste beschrijvingen, Martin Rathke, een arts en embryoloog uit Pruisen ( nu Polen), ontdekte cellagen in een zich ontwikkelende ongewervelde rivierkreeft, Astacus astacus, die overeenkwamen met die welke Pander had beschreven bij kuikens. Rathke toonde aan dat de embryonale lagen die Pander beschreef, bestonden bij dieren buiten de clade van gewervelde dieren. Karl Ernst von Baer, een hoogleraar anatomie aan de universiteit van Königsberg, in Königsberg, Duitsland, paste het concept van de kiemlaag van Pander toe op alle gewervelde dieren in zijn Über Entwicklungsgeschichte der Thiere uit 1828. Beobachtung und Reflexion (On the Developmental History of the Animals. Observations and Reflections).

De discussie over de kiemlagen nam in de loop van de volgende eenentwintig jaar af, maar ze kwamen weer boven water toen Thomas Henry Huxley, een natuurhistoricus in Engeland , gepubliceerd “On the Anatomy and Affinities of the Family of the Medusae.” In die tekst uit 1849 suggereerde Huxley dat volwassen kwallen (Medusae) twee weefsellagen bezaten, die hij funderingsmembranen noemde, die op dezelfde manier met elkaar verband houden als Pander had waargenomen van de sereuze en slijmachtige lagen in het kippenembryo. Huxley realiseerde zich dat er een verband bestond tussen de lichaamsarchitectuur van de volwassen kwal en het gewervelde embryo. Op basis van die associatie probeerde Huxley de studie van gewervelde dieren te integreren met die van ongewervelde dieren, en studies van ontwikkeling, of ontogenie, te verenigen met studies naar relaties tussen organismen, of fylogenie. De relatie tussen ontogenie en fylogenie, later recapitulatie genoemd, zou worden overgenomen en uitgebreid door voorstanders van evolutie, waaronder Charles Darwin in Engeland, en Ernst Haeckel, een professor in vergelijkende anatomie aan de Universiteit van Jena, in Jena, Duitsland.

In de zes jaar na Huxley’s publicatie over Medusae, verfijnde embryoloog Robert Remak, in Duitsland, de theorie van de kiemlaag op twee manieren in zijn verhandeling Untersuchungen über die Bildung und Entwickelung der Wirbelthiere (Studies on the Formation and Ontwikkeling van gewervelde dieren.) Ten eerste, terwijl hij als microscopist werkte, merkte Remak dat alle kiemlaagcellen van het kippenembryo afkomstig waren van de oorspronkelijke enkele cel van het bevruchte ei. Remak concludeerde dus dat alle cellen afkomstig zijn van deling van pre- bestaande cellen, een conclusie die centraal kwam te staan in de celtheorie. Ten tweede leverde Remak histologisch bewijs voor het bestaan van drie verschillende kiemlagen en traceerde de afgeleiden van elk tijdens de ontwikkeling van het kuiken. Weinigen merkten Remaks bijdragen aan celtheorie en onderzoek naar kiemlagen op. .

In 1867 publiceerde Aleksandr Kovalevsky, hoogleraar embryologie aan de Universiteit van St. Petersburg, in St. Petersburg, Rusland, een reeks studies die de aanwezigheid van o f kiemlagen bij ongewervelde dieren. Het werk van Kovalevsky bevestigde de universaliteit en homologe aard van de kiemlagen in het dierenrijk.

Volgens Jane Oppenheimer, een bioloog en wetenschapshistoricus die in de twintigste eeuw aan het Bryn Mawr College in Philadelphia, Pennsylvania werkte. eeuw, zette Kovalevski’s onderzoek enkele van de meest vooraanstaande wetenschappers van de negentiende eeuw ertoe aan onderzoek te doen naar de kiemlagen. Het concept van de kiembladen als onveranderlijk tussen soorten raakte al snel verankerd en vormde de basis van de kiemlaagtheorie. De kiemlaagtheorie stelde dat elk van de kiemlagen, ongeacht de soort, aanleiding gaf tot een vaste reeks organen. In 1872 combineerde Ernst Haeckel waarnemingen van kiembladen met evolutietheorie om te veronderstellen dat een onbekend tweelaags organisme, dat hij een gastraea noemde, de voorouder was van alle andere dieren; dit werd bekend als de Gastraea-theorie. Een jaar later publiceerde Edwin Ray Lankester, hoogleraar Zoölogie aan het University College, Londen, in Londen, Engeland, een theorie die vergelijkbaar is met die van Haeckel, samen met een classificatie van alle dieren op basis van hun samenstelling van kiemlagen: homoblastisch, diploblastisch en triploblastisch. Onderzoekers gebruiken nog steeds de classificatie van Lankester.

Aan het eind van de jaren 1870, enkele jaren na de publicaties van Haeckel en Lankester, trokken veel embryologen de kiemlaagtheorie en de Gastraea-theorie van Haeckel in twijfel. Rudolf Albert von Kölliker en Oscar en Richard Hertwig, die destijds allen in Duitsland woonden, maakten bezwaar tegen de kiemlaagtheorie. In een reeks publicaties van 1878 tot 1881 leverden de gebroeders Hertwig het bewijs dat de kiemlagen een grotere differentiatiecapaciteit hadden dan de meeste wetenschappers erkenden. In 1881 formuleerden de Hertwigs hun Coelom-theorie, die zich concentreerde op de rol van mesoderm en ook de term en het concept van mesenchym introduceerde, een soort van dierlijk weefsel afgeleid stly van mesoderm.

Te midden van de verschillende argumenten die de theorie van de kiemlaag ondersteunen of ontkennen, begonnen sommige embryologen in de jaren 1890 hun inspanningen opnieuw te concentreren op methoden die hen konden helpen om beter te begrijpen hoe dieren zich ontwikkelen, en ze pasten fysieke manipulaties toe van embryo’s in plaats van puur observationele of beschrijvende embryologie. In 1901 voorspelde Charles Sedgwick Minot, een professor aan de Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, dat de transplantatie van cellen van de ene kiemlaag naar de andere ertoe leidde dat die cellen het lot van hun nieuwe omgeving overnamen.

Meer dan twintig jaar later, in 1924, vonden Hilde Proescholdt Mangold en haar doctoraal adviseur aan het Zoölogisch Instituut in Freiburg, Duitsland, Hans Spemann, bewijs voor de voorspelling van Minot en ontmantelden ze de basis van de kiemlaagtheorie. Mangold oogstte vermoedelijk ectoderm van de rugvin lip, een weefsel dat het gastrulastadium van een embryonale salamander organiseert en dit weefsel transplanteerde naar een andere kiemlaag van de gastrula van een tweede soort salamander. Het getransplanteerde ectoderm reageerde op de lokale omgeving op de zich ontwikkelende gastheersalamander en veroorzaakte de vorming van een extra hoofd, structuur van het zenuwstelsel of extra lichaam. Dat experiment toonde aan dat het lot van kiemlaagcellen niet geheel vooraf bepaald kunst van ontwikkeling.

In de vijftien jaar die volgden op het werk van Mangold, bleven embryologen het potentieel onderzoeken van de drie kiemlagen om langs verschillende routes te differentiëren en ze leverden bewijs dat de theorie van de kiemlaag verder verzwakte. Sven Hörstadius, professor aan de Universiteit van Uppsala in Uppsala, Zweden, gebruikte stekelhuidigen, zoals zee-egels, om te bestuderen hoe kiemlagen differentiëren. Hij gebruikte transplantatie-, recombinatie- en lot-mapping-experimenten om het vermogen van de kiemlagen om te transformeren in weefsels die atypisch zijn voor normale differentiatie, te onderzoeken.

Gedurende de rest van de twintigste eeuw bleven onderzoekers bewijs verzamelen dat de theorie ongeldig maakte dat kiembladen vooraf gedefinieerde of zeer gedoemde weefsels zijn. In navolging van het werk van Spemann, Mangold en Hörstadius, onderzochten wetenschappers het potentieel van kiembladen voor gevarieerde ontwikkeling verder. In de vroege jaren 1950 transplanteerden Robert Briggs van de Indiana University in Bloomington, Indiana, en Thomas King, van het Institute for Cancer Research in Philadelphia, Pennsylvania, kernen van het vermoedelijke endoderm van de noordelijke luipaardkikker, Rana pipiens, tot eieren waaruit ze had de kernen verwijderd. Briggs en King volgden de ontwikkeling van deze getransplanteerde kernen om de timing van celdifferentiatie te onderzoeken, en met die experimenten legden ze de basis voor toekomstig onderzoek naar klonen. Eind jaren zestig ontdekte Pieter D. Nieuwkoop van het Hubrecht Laboratorium van de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen in Utrecht, Holland, dat endoderm aangrenzend ectoderm induceert om mesoderm te vormen. In de jaren tachtig verlegden wetenschappers hun focus naar het identificeren van de genen die structurele differentiatie van de kiemlagen induceren. Onderzoekers in het begin van de eenentwintigste eeuw onderzochten de regulerende netwerken waardoor individuele genen op elkaar inwerken om kiemlaagdifferentiatie te veroorzaken.