Тема 8. Процессы гаструляции

После периода дробления и образования бластулы наступает одна из самых важных стадий развития зародыша – гаструляция.

Для гаструляции характерны глубокие, но весьма упорядоченные перераспределения клеток в зародыше. Одно из главных изменений, происходящих в начале гаструляции – это приобретение клетками способности к направленным морфогенетическим перемещениям. Морфогенетические перемещения клеток довольно сильно варьируют в разных классах позвоночных животных, но во всех случаях приводят к глубокой перестройке зародыша. В процессе гаструляции из однослойной бластулы образуется зародыш, состоящий по меньшей мере из двух зародышевых слоёв, но морфогенетические перемещения клеток на этом далеко не заканчиваются, а продолжаются ещё в течении значительного времени. Одной из главных последствий такой реорганизации состоит в том, что группы клеток, которые прежде были сильно удалены друг от друга, настолько сближаются, что между ними становиться возможными индукционные взаимодействия, играющие важную роль в становлении основных систем органов.

Зародыш на этой стадии состоит из ясно отличимых пластов клеток, так называемых зародышевых пластов или листков – наружного, или эктодермы (от греч. Ectos –находится снаружи) и внутреннего, или энтодермы (entos – находится внутри). Возникает и третий зародышевый листок – средний, или мезодерма (mesos –находится посередине). Совокупность процессов приводящих к гаструле, называется гаструляцией.

Несмотря на большое разнообразие процессов гаструляции, можно дать вполне определенную классификацию гаструл и путей возникновения их из предыдущей стадии бластулы. К сожалению ещё не создана классификация, которая исходила бы из принципа эволюции, так как историческое происхождение разных типов гаструляции изучено недостаточно, и эмбриология в этой области имеет больше научных загадок, чем достоверных сведений.

1. Инвагинационная гаструла. Она образуется путем инвагинации (впячивания) части однослойной бластодермы (стенки бластулы) внутрь бластоцеля. Грубое подобие такого типа гаструляции – результат впячивания стенки резинового мячика в результате надавливания на неё. Впячивание можно довести вплотную до внутренней стенки мячика, или давление можно сделать не столь значительным. Образуется двухслойный мешок, наружной стенкой которого является первичная эктодерма, а внутренней – первичная энтодерма. Впячивание образует архентерон (первичный кишечник – гастроцель), а отверстие, при помощи которого он сообщается с наружной средой, называется первичным ртом или бластопором. Судьба бластопора у разных животных неодинакова. У многих животных первичный рот соответственно развиваясь и дифференцируясь превращается в дефинитивный рот взрослого организма. Эти животные называются первичноротыми (Protosromia). К ним относятся черви, моллюски и членистоногие.

Не менее обширна группа вторичноротых (Deuterostomia) животных, у которых бластопор превращается или в анальное отверстие, или (у хордовых) в нервно-кишечный канал, находящийся в заднем конце эмбриона. Рот у таких животных возникает на переднем конце, на брюшной стенке, в результате особых формообразовательных процессов (впячивания эктодермы, прободения стенки средней кишки). К Deuterostomia относятся: щетинкочелюстные, плеченогие, иглокожие, кишечнодышащие и хордовые.

Очень многие вопросы остаются спорными потому, что биология ещё не знает истинных предков современных многоклеточных животных, нет единого мнения и о филогенетическом значении разного типа гаструл. Многие ученые считают исходной в эволюции развития инвагинационную бластулу, некоторые – плакулу. Нет убедительных аргументов в пользу предположений об инвагинации как первичном типе гаструляции. Следует по всей видимости, согласиться с теми учеными, которые считают, что на начальных этапах становления многоклеточности, имели место различные неустоявшиеся способы гаструляции и лишь позднее постепенно выработались и получили распространение определенные способы гаструляции.

2. Иммиграционная гаструла. Многие современные исследователи, присоединяясь к И.И.Мечникову, считают исходной формой гаструлы иммиграционную гаструлу и выводят все способы образования энтодермы из мультиполярной иммиграции и деляминации.

Иммиграционная гаструла характерна для многих кишечнополостных. Она развивается вследствии активного выселения части клеток стенки бластулы внутрь бластоцеля. Это выселение клеток в случае униполярной имммиграции происходит лишь с одного полюса (вегететативного). Выселившиеся клетки образуют позднее внутренний слой гаструлы (энтодерму). Таким образом, как и при инвагинации, зародыш делается двухслойным. Так происходит, например у гидроидного полипа (Glytia) , гидромедузы Aequorea. Униполярная иммиграция свойственна почти всем гидромедузам, особенно тем, для которых характерна плавающая целобластула.

Мультиполярная иммиграция наблюдается, когда клетки бластодермы проникают в бластоцель не в каком-либо одном участке, а по всей поверхности зародыша, причем такая иммиграция может начинаться уже на стадии 16 бластомеров. Это явление наблюдается у зародыша медузы Solmundella, его впервые обнаружил И.И.Мечников, однако, это явление редкое.

У многих видов кишечнополостных, которым свойственна иммиграционная гаструла, происходит столь массовое активное выселение клеток бластодермы, что бластоцель полностью исчезает, т.к. заполняется плотной массой клеток. Как видим, у иммиграционной гаструлы нет бластопора, и значит нет характерного для инвагинационнной гаструлы сообщения гастроцеля с внешней средой. Можно лишь предполагать об участке бластодермы соответствующей бластопору.

3. Деляминационная гаструла. Этот тип гаструлы встречается также у кишечнополостных, впервые его описал И.И.Мечников. Это очень редкий случай гаструляции. После образования бластулы, дальнейшее дробление бластомеров происходит параллельно поверхности зародыша и в результате происходит как бы расщепление (деляминация) одного слоя клеток на два. В результате такой своеобразной гаструляции зародыш оказывается шаром состоящим из слоя плоских клеток – эктодермы, и более высоких клеток внутреннего слоя – энтодермы.

4. Эпиболическая гаструла. Этот тип гаструлы формируется у некоторых животных с резко выраженным телолецитальным строением яиц, например, у Bonellia. При эпиболии значительного размера медленно делящиеся бластомеры (макромеры) с большим содержанием желтка не обнаруживают способности к каким-либо перемещениям. Их обрастают (наползают на них) более быстро делящиеся мелкие, лежащие на поверхности клетки (микромеры). Выходит, что у зародышей таких животных бластопор отсутствует, архентерон не формируется. Только впоследствии, когда макромеры, делясь, становятся меньшего размера, образуется по неясным причинам (биохимическим и физическим) полость, формируется зачаток первичного кишечника.

5. Смешанный тип гаструляции. Типы гаструляции кажутся настолько различными, что их невозможно сравнивать. Несомненно, каждый тип гаструляции требует причинного анализа, но все же в некотором отношении разные способы гаструляции сравнимы. Так, своеобразный процесс эпиболии можно рассматривать как один из особенных вариантов инвагинации. Процессы деляминации можно уподобить процессам иммиграции, конечно с большими оговорками. Важно отметить далее, что гаструляция у многих животных происходит так, что имеют место и явление инвагинации, и явление эпиболии, и другие морфогенетические процессы. Такова, положим, гаструляция у амфибий. Можно поэтому безыскусственно выделить пятый тип гаструляции – смешанный.

У всех животных, за исключением кишечнополостных, в связи с гаструляцией (параллельно с ней или на следующем этапе, обусловленном гаструляцией) возникает и третий зародышевый листок (пласт) – мезодерма. Это совокупность клеточных элементов, залегающих между экто- и энтодермой, т.е. в бластоцеле. Таким образом, зародыш не двухслойным, а трехслойным. У высших позвоночных трехслойное строение зародышей возникает уже в процессе гаструляции, тогда как у низших хордовых и у всех других типов в результате собственно гаструляции образуется двухслойный эмбрион.

Вопросы о путях образования мезодермы у разных животных издавна интересовали и сравнительных анатомов и эмбриологов. В общем они могут считаться решенными, особенно в плоскости формально-морфологических описаний этих процессов, но не в аспекте причин соответствующих морфогенетических процессов. Установлены 2 принципиально разных пути возникновения её: телобластический (Protostomia) и энтероцельный, характерный для Deuterostomia.

У первичноротых во время гаструляции на границе между экто-и энтодермой, по бокам бластопора, уже имеются две большие клетки (или несколько таких клеток – телобластов), отделяющие от себя (вследствие делений) мелкие клетки. Таким образом формируется средний пласт – мезодерма. Телобласты, давая все новые и новые поколения клеток мезодермы, остаются на заднем конце зародыша. По этой причие такой способ образования мезодермы и называется телобластическим (от греч. Telos – конец).

При энтероцельном способе образования, совокупность клеток формирующейся мезодермы появляются в виде карманоподобных выступов первичного кишечника (выпячивания его стенок внутрь бластоцеля). Эти выступы, внутрь которых входят участки первичной кишечной полости, обособляются от кишечника и отделяются от него в виде мешочков. Полость мешочков превращается в целом, т.е. во вторичную полость тела. Целомические мешки могут подразделяться на сегменты.

Такая характеристика способов возникновения среднего зародышевого листка не отражает всего многообразия вариаций и отклонений, строго закономерных для отдельных групп животных.

Процессы дробления у различных представителей хордовых, как мы видим, очень своеобразны и зависят от проморфологии яиц, в особенности от количества и распределения желтка. Процессы гаструляции также варьируют в пределах Chordata. Однако, возникающие в результате гаструляции главные или осевые зачатки группируются в одинаковый для всех хордовых осевой комплекс (хорда, нервная трубка, осевая мезодерма). Дальнейшие процессы органогенеза и связанная с ним дифференциация тканей и клеток приводят снова к большому разнообразию организации разных животных.

Гаструляция у ланцетника была предметом многочисленных исследований и изучена во всех подробностях. В бластуле ланцетника ясно различим энтодермальный материал, находящийся в районе вегетативного полюса; в одном участке краевой зоны находится материал мезодермы, в другой области – материал хорды. Анимальное полушарие занято клетками презумптивного эпидермиса кожи и презумптивной нервной системой.

Одна из особенностей гаструляции у ланцетника в том, что она начинается тогда, когда зародыш (после 10-го дробления) состоит из большого числа (более 1000) клеток, так, что материал каждого осевого зачатка предоставлен большим их количеством. Гаструляция у ланцетника типично инвагинационная, начинается она выпячиванием презумптивной энтодермы. Вслед за энтодермой инвагинирует в бластоцель материал хорды, а через боковые губы в вентральную губу бластопора погружается мезодерма. В районе дорсальной губы бластопора перемещается материал будущей хорды. Гаструла имеет вид двуслойной чаши, бластоцель почти нацело вытесняется инвагинирующим клеточным материалом. Затем изменяется конфигурация зародыша в целом, он удлиняется. Как только энтодермальный пласт приходит в контакт с внутренней стороной эктодермального пласта, начинаются процессы, приводящие к зачатку осевых органов.

Гаструляция у амфибий. У амфибий первый заметный признак начинающейся гаструляции – это появление бластопора, т.е. вдавления или щели в середине серого серпа. Первоначально небольшая щель все более удлиняется по окружности – по границе краевой зоны и вегетативной области. В конце концов окружность замыкается. Ограниченный кольцевидным бластопором клеточный материал вегетативной области имеет вид подушечки и называется желточной пробкой (энтодермальной пробкой). Формирование бластопора происходит благодаря последовательному вовлечению в процессы инвагинации энто- и мезодермального клеточного материала. В полость бластулы перемещаются с поверхности клетки, лежащие на границе пигментированного и светлого полушарий, и около границы оказываются с одной стороны темные (пигментированные) клетки, с другой – светлые клетки. Поэтому желточная пробка выглядит светлой, как бы в темной раме. Гастральное впячивание образуется в области дорсальной губы бластопора, благодаря встречному движению хордо-мезодермального материала со стороны анимального полюса; и энтодермального – со стороны вегетативного. Оно постепенно углубляется и к моменту образования кольцевидного бластопора почти достигает своим дном анимального полюса. Инвагинация и связанные с ней у амфибий процессы эпиболии (нарастание одних клеточных масс на другие), приводит к постепенному закрытию бластопора. Энтодермальная пробка оказывается внутри зародыша. Окончательного закрытия бластопора, впрочем, не происходит.

Гаструляция у амфибий начинается инвагинацией бластомеров не с вегетативного полюса (отягощенного желтком), а в экваториальной зоне, несколько ниже бластоцеля. Впячивание наступает после появления небольшого углубления серповидной формы, или серповидной бороздки, которая выпуклостью направлена в сторону анимального полюса (это спинная губа бластопора). Клетки бластодермы анимального полюса (будущая эктодерма) начинают интенсивно размножаться и наползают на клетки вегетативного полюса, обрастая их с поверхности. Кроме того они же обеспечивают также перемещение клеточного материала с поверхности внутрь зародыша в процессе инвагинации. Через дорсальную губу бластопора (серповидная бороздка) впячивается сначала клеточный материал энтодермы и прехордальной пластинки, т.е. материал будущей хорды. Полость первичной кишки, ограниченная клетками энтодермы увеличивается и резко суживает бластоцель. Он сначала тонкой перегородкой внутреннего зародышевого листка отделен от гастроцеля, затем клетки энтодермы расходятся и обе полости соединяются в единую полость первичной кишки.

По мере инвагинации клеточного материала в бластоцель серповидная щель увеличивается, приобретает подковообразную форму, т.е. образуются боковые губы бластопора. Затем бластопор приобретает кольцевидную форму – возникает вентральная или брюшная губа бластопора. К моменту образования вентральной губы почти вся энтодерма инвагинирует и лишь незначительная её часть находится на поверхности в центре бластопора. Таким образом клеточный материал хорды впячивается через дорсальную губу, через боковые губы инвагинирует материал сегментированной мезодермы – сомитов, а через нижнюю губу – клеточный материал несегментированной мезодермы – спланхнотомы.

Таким образом инвагинация у амфибий резко отличается от таковой у ланцетника.

Гаструляция у костистых рыб. У них дискоидальное дробление приводит к формированию дискобластулы. Между бластодиском и желтком имеется бластоцель, но её может и не быть. Бластодиск соответствует крыше и краевой зоне бластулы амфибий и ланцетника. Дно бластулы – нераздробившийся желток, покрытый перибластом (или парабластом).

Процесс гаструляции у костистых рыб начинается тогда, когда многослойный бластодиск покрывает только небольшую часть желтка яйца, а заканчивается вместе с полным обрастанием всего «желточного шара». Это означает, что гаструляция включает и разрастание бластодиска. Гаструляция начинается с перемещения клеток к заднему краю бластодиска, который утолщается и начинает подворачиваться через собственный край, образуя 2 слоя клеток – внутренний – энтодермальный и наружный – эктодермальный. Край бластодиска, через который осуществляется подворачивание клеточного материала или инвагинация, называется краевой зарубкой. Последняя и является бластопором. Средняя часть краевой зарубки соответствует верхней (спинной) дуге бластопора, а боковые её части – боковым губам бластопора. Полость впячивания, располагающаяся между внутренним листком бластодиска (энтодермы) и нераздробленным желтком, соответствует полости первичной кишки (гастроцель). Энтодерма в центральной части содержит материал хордальной пластинки, а по бокам – материал мезодермы. Таким образом, мезодерма возникает путем инвагинации, к которой присоединяется иммиграция.

В процессе инвагинации (подворачивания) формируется зародышевая энтодерма. Внезародышевая энтодерма, которая обрастает желток возникает путем деляминации внешнего слоя клеток бластодиска или из перибласта. Она называется желточной энтодермой. В дальнейшем кишечная энтодерма соединяется с желточной энтодермой в единый внутренний листок. На этом гаструляция завершается.

Гаструляция у птиц. У птиц яйцевые клетки гигантские с большим количеством желтка, резко выраженного телолецитального типа. Собственно яйцом является желток, покрытый желточной оболочкой. Белковая оболочка, одевающая яйцо по мере движения его по яйцеводу, а также скорлуповая и подскорлуповая – третичные, это результат деятельности желез яйцевода.

Дробление и формирование бластулы у птиц происходит в яйцеводе. Дробится лишь небольшой участок яйца, расположенный на анимальном полюсе. Первичные бластомеры распластаны на желтке. После 2-3го делений бластомеры делятся асинхронно. В центре формирующегося бластодиска появляются борозды, проходящие параллельно поверхности яйца, в результате чего возникают изолированные от желточной массы клетки. Краевые бластомеры продолжают сохранять тесную связь с желтком. По мере увеличения количества клеток в составе бластодиска его поверхностный слой приобретает эпителиоморфную организацию, а под ним появляется подзародышевая полость.

Тело зародыша будет развиваться из части бластодиска – зародышевого щитка. Вся средняя часть бластодиска вместе с зародышевым щитком расположена над зародышевой полостью и не соприкасается с желточной массой яйца. Эта зона, как уже отмечалось, называется area pellucida (прозрачная зона). Она окружена по краям зоной клеток, прилегающих к желтку (area opaca) темная зона. Бластула в виде двойной структуры: 1) эпибласт – верхний слой; 2) первичный гипобласт – нижний слой; между ними – бластоцель.

Итак, гаструляция у птиц начинается в области зародышевого щитка в задней его части на стороне, обращенной к подзародышевой полости, путем деляминации внутреннего слоя клеток - первичного гипобласта (материала внезародышевой энтодермы). Первичный гипобласт образует непрерывный слой клеток, контактирующих с желтком. Позднее на заднем конце гипобласта образуется второе поколение клеток гипобласта – вторичный гипобласт, который постепенно вытесняет первичный гипобласт к периферии бластодиска.

В целом гаструляция у птиц происходит в 2 фазы. Первая фаза – путем деляминации, при этом возникает экто- и энтодерма. Вторая фаза – бластодиск разрастается и в центре возникает зародышевой щиток, клеточный материал которого идет на построение тела. Клеточный материал щитка в связи с интенсивным размножением эктодермы начинает двигаться двумя потоками, слева и справа от средней саггитальной линии к его заднему краю. Это движение клеточного материала приводит к удлинению первоначально круглого зародышевого щитка. На заднем конце его клеточные потоки встречаются, поворачивают и начинают двигаться вперед по средней саггитальной линии, образуя утолщенный слой клеток, называемый первичной полоской. Передняя часть её утолщается и образует гензеновский узелок. Встречные потоки образуют углубление называемое первичной ямкой. Посередине первичной полоски образуется продольное углубление называемое первичной бороздкой. Последняя является продолжением первичной ямки. Первичная ямка представляет спинную губу бластопора, первичная бороздка – боковые губы, а конец первичной бороздки является брюшной губой.

Во второй фазе гаструляции происходит образование мезодермы путем инвагинации клеточного материала эктодермы через первичную ямку и первичную бороздку в пространство между наружным и внутренним зародышевыми листками. Клеточный материал хордальной пластинки, располагающийся впереди от первичной ямки, начинает поворачиваться и инвагинировать через первичную ямку вперед и вниз под эктодерму. Мезодерма же кроме инвагинации, образуется ещё и путем иммиграции клеточного материала из эктодермы. По окончании 2ой фазы гаструляции, зародыш птиц становится трехслойным.

Гаструляция у млекопитающих. Что касается гаструляции млекопитающих, то до тех пор пока не будут выяснены детально вопросы происхождения млекопитающих, вопросы развития будут оставаться спорными.

Предками их вероятно являются яйцекладущие рептилии. Наиболее примитивные современные млекопитающие тоже яйцекладущие. В подклассе первозверей (Prototheria) яйцо утконоса Ornithorynchus развивается во внешней среде, вне организма матери; у ехидны Echidna яйцо развивается в кожной складке на брюшной стороне тела, но питание от матери зародыш не получает. Яйца этих животных содержат большое количество желтка. Дробление частичное, свойственное телолецитальным яйцам рептилий, птиц. Эмбриональное развитие во всех своих чертах сходно с развитием рептилий.

В подклассе сумчатых (Metatheria) зародыш также почти не получает питание от матери. У некоторых развивается примитивная плацента, функционирующая непродолжительное время, зародыш рождается недоразвитым (1-2 см), донашивается в сумке, где устанавливается связь пищевода с соском матери. Их яйца содержат небольшое количества желтка.

У высших млекопитающих, и у человека тоже, яйцо практически не содержит желточных включений и у него нет в достаточном количестве ни органических, ни неорганических веществ даже для начальных этапов развития. Все необходимое зародыш от организма матери. Яйца микроскопического размера, алецитального или изолецитального типа. Как происходила эволюция яиц и каков характер развития млекопитающих по мере прогресса установления связи зародыша с материнским организмом, эмбриология не знает, но есть предположения. Очень интересна и вполне аргументирована смелая гипотеза зоолога В.А.Фаусека, согласно которой эволюцию установления все более тесных связей зародыша с материнским организмом надо рассматривать как явление паразитизма; у зародыша как у паразита развиваются приспособления для использования материнского организма в качестве места обитания и источника питания.

Теперь о дроблении. Казалось, раз яйцо изолецитального типа, дробление должно быть как у низших хордовых, полное и равномерное. На самом деле у многих млекопитающих дробление кажется «неправильным», оно несинхронное, зародыш проходит стадии 3-х, 5-ти бластомеров и т.д. У большинства млекопитающих в результате дробления образуется морула. Внутренняя часть бластомеров морулы отличается от поверхностнолежащих своей дальнейшей судьбой. Внутренняя группа бластомеров – эмбриобласт – это источник развития зародыша, его оболочек, желточного мешка; а поверхностно лежащие бластомеры являются трофобластом («питательным зачатком»). Эти клетки участвуют в установлении связи зародыша с тканями матки.

Морула млекопитающих превращается в бластоцисту – бластодермический пузырек, размеры которого у разных животных неодинаковы (у кролика около 7 мм в диаметре), полость наполнена жидкостью, продукт жизнедеятельности зародыша. К одном из участков однослойной стенки бластоцисты прилегает скопление клеток эмбриобласта – зародышевый узелок.

Участок трофобласта, соприкасающегося с зародышевым узелком, называют рауберовым слоем. В ходе дальнейшего развития, зародышевый узелок превращается в зародышевой щиток. Начинаются процессы гаструляции. В зародышевом щитке обособляется энтодерма путем деляминации, он становится двухслойным, состоящим из эпи- и гипобласта. В зародышевом щитке, как и у птиц, будут происходить процессы формирования первичной полоски и гензеновского узелка, т.е. тех же структур, с которыми связаны образование осевых органов зародыша. Следующий этап гаструляции характеризуется формированием мезодермы, которая проходит так же как и у птиц путем инвагинации и иммиграции; в результате чего зародыш становится трехслойным.

На стадии гаструляции зародыш имплантируется в стенку матки. Это сложный в морфологическом и физиологическом отношении процесс. Зародыш внедряется в стенку слизистой оболочки матки целиком или только отростками трофобласта. Выросты трофобласта называются первичными ворсинками. Впоследствии развиваются вторичные ворсинки с соединительной тканью и сосудами. Так формируется хорион – ворсинчатая оболочка, гомологом которой является серозная оболочка зародышей рептилий и птиц. Но это другой вопрос, к которому мы ещё вернемся.