Пространственная организация дробления.

За редким исключением бластомеры дробящихся яиц располагаются в строгом порядке как относительно друг друга, так и относительно полярной оси яйца.

Пространственная организация дробящегося зародыша определяется следующими процессами:

1. закономерным расположением интерфазных ядер в бластомерах,

2. закономерной ориентацией веретен последовательных делений дробления,

3. движением бластомеров на различных фазах клеточного цикла.

На первые две закономерности сильное влияние оказывает расположение желтка в яйцеклетках.

Правила зависимости между расположением желтка и положением ядер и веретен деления были сформулированы в конце 19 века эмбриологом О.Гертвигом на основе правил, предложенных ранее ботаником Саксом для растительных клеток.

Правила Гертвига-Сакса

1. - клеточное ядро стремится расположиться в центре чистой свободной от желтка цитоплазмы.

2. - Веретено клеточного деления стремится расположиться по направлению наибольшего протяжения свободной от желтка цитоплазмы.

Яйцеклетка может делиться на дочерние клетки, бластомеры, полностью, целиком, или частично. В связи с этим дробление различается на полное, когда весь состав яйцеклетки полностью распределяется между бластомерами, и неполное (частичное), когда дробится свободная от питательных веществ часть яйцеклетки. Другая часть обособляется от дробящейся части. Полное дробление называется голобластическим, а неполное меробластическим. Они различаются по способу питания зародыша. При голобластическом дроблении расщепление желтка идет в самом бластомере; при меробластическом – запасной желток используется для питания специальными клетками.

Равномерное полное дробление (голобластическое)

При малом количестве желтка и его равномерном распределении яйцеклетки делятся синхронно и равномерно. Примером могут служить яйца некоторых иглокожих (морской огурец – Synapta digita) и ланцетника.После соединения пронуклеусов ось первого митотического веретена ориентируется перпендикулярно А-В оси яйца. Следовательно, 1ая борозда начинается с анимального полюса и распространяется к вегетативному. Это борозда меридиональная. При этом образуются два бластомера. Митотические веретена 2го деления дробления располагаются под прямыми углами к первому веретену и так же, как и 1ая, ориентированы перпендикулярно к А-В оси. Таким образом 2ая борозда тоже меридиональная, но расположена она в плоскости перпендикулярной к плоскости 1ой борозды. При 2 делении дробления образуется четыре бластомера. Затем следует 3ья борозда – экваториальная. Митотические веретена в каждом бластомере располагаются параллельно А-В оси и возникающие борозды делят зародыш на два полушария- анимальное и вегетативное. Получается восемь бластомеров. Таким образом каждый этап дробления приводит к умножению количества бластомеров вдвое. Затем следует чередование меридиональных и экваториальных делений.

Бластомеры делятся синхронно и располагаются горизонтальными рядами. Бластомеры имеют форму шариков и не имеют тесных контактов. При каждом делении между ними происходит отталкивание, так как они стремятся расположиться так, чтобы между ними был как можно меньший контакт , а это приводит к формированию сферы. В результате образуется зародыш в форме шара, у которого между бластомерами появляется большая полость. Это происходит к стадии 16 бластомеров, когда образуется полость дробления, а к концу дробления полость увеличивается и зародыш принимает форму шара, стенка которого состоит из одного слоя бластомеров, меняющих свою форму. Они становятся вытянутыми, как говорится, эпителизуются. На этой стадии между бластомерами возникают плотные контакты. Эти контакты объединяют ранее слабо связанные между собой клетки в ткань и изолируют бластоцель от окружающей среды.

Теперь стенка зародыша называется бластодермой, а на этой стадии зародыш называется бластулой, или точнее целобластулой. Её характерными чертами является однослойная бластодерма и большая полость – бластоцель.

2. Неравномерное полное дробление (голобластическое).

При среднем содержании желтка борозды тоже полностью разделяют содержимое яйца, но характер дробления будет иным, чем при равномерном дроблении.

Такой способ дробления наблюдается у амфибий и осетровых рыб. В их яйцеклетках запас питательных веществ скапливается ближе к вегетатив-ному полюсу, а ядро расположено ближе к анимальному. 1ая борозда начинается на А полюсе и распространяется к В полюсу, но скорость её распространения неодинаковая: чем ближе к В полюсу, тем скорость меньше. Это происходит потому, что желток замедляет распространение борозды. Он как-бы мешает, препятствует ей. И не успевает 1ая борозда полностью разделить яйцеклетку, как на А полюсе возникает 2ая борозда, которая также распространяется к В полюсу. Первые две борозды – меридиональные.

3ья борозда закладывается тогда, когда 2ая борозда не успела ещё закончится, и расположена ближе к А полюсу. 3ья борозда – широтная, она параллельна экваториальной. Её называют ещё латитудинальной.

Борозды в дальнейшем образуются неодновременно и очень скоро деления бластомеров становится полностью асинхронным. Анимальные бластомеры дробятся гораздо быстрее, чем вегетативные из-за того, что в последних гораздо больше желтка, а он замедляет образование борозд, их замыкание. Если считать возраст зародыша по числу клеточных делений, то А район получается старше вегетативного.

В результате дробления возникает бластула с сдвинутой бластоцелью в сторону анимального полюса. Бластула многослойная – из-за того, что прибавляются тангенциальные борозды, идущие параллельно поверхности яйца. Многослойная бластула с полостью сдвинутой к А полюсу, называется амфибластула. Многослойные её стенки построены из бластомеров разной величины. Анимальные бластомеры гораздо мельче вегетативных.

Неполное дробление (меробластическое)

Его испытывают многожелтковые тело- или центролецитальные яйцеклетки. На ход дробления оказывает влияние расположение желтка.

Дискоидальный тип дробления характеризует телолецитальные полилецитальные яйца. Рассмотрим это на примере костистых рыб.

Цитоплазма в таких яйцах сосредоточена в А части в виде небольшой шапочки или диска. Дробление захватывает только А часть яйца и не затрагивает желток. Следуя правилам Гертвига-Сакса, 1ая борозда – мериодиональная, делит цитоплазму на два «холмика» и «упирается» в желток. Затем идет 2ая меридиональная борозда – получается четыре «холмика», и затем ещё две меридиональных борозды – получается 16 «холмиков». Это всё бластомеры, не отделенные от желтка. Таким образом первые четыре борозды – мериодиональные. Затем проходит танген-циальная борозда, которая отделяет цитоплазматическую часть от желтка. Постепенно зародыш становится - многослойным бугорком. Бластоцеля (в прямом смысле этого слова – зародышевая полость) нет, но есть подзародышевая полость, а на поверхности желтка есть слой «клеток», вернее симпласт, так как клетки неполностью отделены друг от друга и от желтка. Такая бластула называется дискобластулой.

Поверхностное неполное дробление (меробластическое).

У насекомых яйца имеют овальную форму, оно всё заполнено желтком. Чистая цитоплазма (периплазма) расположена на поверхности яйца. Ядро, окруженное тонким цитоплазматическим слоем, расположено в центре. Оба цитоплазматических участка соединены тонкими цитоплазматическими тяжами. А-В полярность в этих яйцах не выражена, так как место выделения редукционных телец может быть различным и не связано с осями яйца. Вместо А и В полюсов для этих яиц вводится понятие переднего и заднего полюсов. При оплодотворении в яйцо проникает несколько сперматозоидов, но только один из них дает мужской пронуклеус. Остальные сперматозоиды гибнут. После сингамии мужского и женского пронуклеусов начинается деление ядра зиготы, но клеток не образуется.Деление ядер происходит очень быстро. (У дрозофилы митоз проходит за 9,12 минут). Ядра с окружающими их островками цитоплазмы (энергиды) расходятся от центра. Многочисленные ядра дробления по цитоплазматическим тяжам как по мостикам, перемещаются на периферию, где располагаются в цитоплазме. Цитоплазматические мостики обладают сократительной силой и «дергают» ядра к периферии. Ведущую роль в миграции ядер из центра в периплазму играют центриоли. Если подавить синтез ДНК (афидиколином), то ядер не образуется, а на периферию выходит множество центриолей. Вокруг них также обособляются участки периплазмы.

После того как ядра переместятся на периферию, они еще несколько раз делятся. На этой стадии зародыш называется синцитиальной перибластулой, так как все ядра дробления расположены в единой цитоплазме в один ряд и согласно правилам Г-С оси деления располагаются параллельно поверхности. Проходит ещё одно деление ядер, но их расположение в один ряд сохраняется. В это время несколько ядер (не больше семи), расположенных на заднем полюсе окружаются плазматическими мембранами, превращаются в полярные клетки и выходят на поверхность периплазмы. Это – предшественники половых клеток. После их образования между остальными ядрами возникают одновременно клеточные перегородки и формируется клеточный слой - перидерма. Не все ядра уходят из центра, часть их там остается. Эти ядра окружены тонким слоем цитоплазмы («островки») и называются теперь - «вителлофаги» - пожиратели желтка – они выделяют ферменты, которые расщепляют желток и таким образом помогают его усваивать. Этот тип бластулы называется перибластулой.

Схема дробления

Дробление

Голобластическое Меробластическое

Полное неполное

(маложелтковые, среднежелтковые (многожелтковые яйцеклетки) яйцеклетки)

равномерное неравномерное дискоидальное поверхностное

(изолецитальные (телолецитальные телолецитальные центролецитальные

яйцеклетки ) яйцеклетки) яйцеклетки) яйцеклетки)

Целобластула амфибластула дискобластула перибластула

Закономерности, связанные с формой и движениями бластомеров

В олиголецитальных яйцах образование осей зародыша и закономерности расположения веретен деления не всегда объяснить, исходя из расположения желтка, так как его слишком мало. Морфология дробления зависит от ориентации веретен, что определяется правилами Гертвига-Сакса. В яйцах с малым количеством желтка есть дополнительные правила: 1) взаимные повороты при каждом делении (спиральное дробление), 2) интерфазные движения бластомеров (аскарида, кишечнополостные, млекопитающие).

Известно несколько типов расположения бластомеров, из них главные: радиальный ( например, ланцетник, осетровые, амфибии, иглокожие). При этом типе дробления бластомеры разных ярусов располагаются довольно точно один над другим, так что полярная ось яйца служит переднезадней осью зародыша.

Спиральный тип дробления. В наиболее ясном виде проявляется у моллюсков, кольчатых и ресничных червей. Это название возникло из-за того, что при взгляде с анимального полюса последовательно отделяющиеся четверки бластомеров (квартеты) поворачиваются относительно АВ оси то в правую, то в левую сторону. В одних яйцеклетках повороты будут налево, а в других – направо. Это – генетическое свойство и зависит от матери. Эти повороты происходят во время цитотомии и определяеются изменением положения веретена во время анафазы.

Билатеральный тип дробления. Наблюдается у круглого червя аскариды. В этом случае 1ое деление дробления экваториальное и образуются анимальный и вегетативный бластомеры. Анимальный бластомер определяет головной конец формирующегося организма, а вегетативный – хвостовой. Затем анимальный бластомер делится меридионально, а вегетативный – с помощью широтной борозды. Возникает Т-образная фигура из 4х бластомеров. Путем поворота вегетативных бластомеров образуется ромбическая фигура. Этот поворот бластомеров происходит во время интерфазы.

Анархический тип дробления. Наблюдается у кишечнополостных. Бластомеры слабо связаны между собой и располагаются неправильными цепочками. При наиболее выраженной “анархии” сестринские клетки могут быть различной величины, а под ударами волны могут распадаться и давать начало полноценным зародышам. Затем бластомеры объединяются теснее и дают плотное скопление –морулу. При этом типе дробления интерфазные движения бластомеров играют большую морфогенетическую роль в определении передне-задней оси личинки. (пример Clava multicornis). У гидроидных полипов было найдено такое интересное явление как эквифинальность, связанное с тем что у одного и того же вида может существовать несколько разных типов дробления, что приводит к образованию или морулы, или бластулы или “псевдоперибластулы”, но последующие морфогенетические процессы в конечном счете приведут к формированию однотипной личинки – планулы. Пример – Dynamena pumila.