Тема 9. Нейруляция. Теория зародышевых листков.

Возникает вопрос: какое положение займут различные районы бластулы после завершения гаструляции и какова их окончательная судьба?

Это можно установить, нанося на поверхность бластулы метки красками или другими веществами и прослеживая движения меток в ходе гаструляции. Результаты исследования выражают, отмечая на схеме бластулы или ранней гаструлы судьбу каждой меченной точки. Эти схемы названы картами презумптивных органов (будущих, или точнее с латинского, предполагаемых) зачатков. Первым составил такие карты для зародышей амфибий немецкий эмбриолог В.Фохт (Vogt) в 20-х годах нашего столетия. Он пропитывал кусочки агара-агара красящими веществами, которые поглощались живыми тканями и были для них безвредными (так называемые витальные красители – нильский голубой, нейтральный красный и др.), и прижимал эти кусочки к разным местам поверхности бластулы. Краска диффундировала в зародыш и определенный участок прокрашивался. Прослеживая перемещения прокрашенного участка, можно было точно судить о том, куда он попадает в ходе гаструляции и в какой зачаток превратиться. Позднее методы прижизненного окрашивания были усовершенствованы и в составленные Фохтом карты были внесены некоторые изменения и уточнения, касающиеся главным образом локализации презумптивной мезодермы.

По Фохту карта презумптивных органов выглядит так. Анимальнее щелевидной бороздки бластопора располагается зачаток так называемой прехордальной пластинки, из которой по завершению гаструляции развивается главным образом выстилка ротовой полоски. Анимальнее её располагается зачаток будущей хорды. Дорсоанимальную часть зародыша занимает презумтивная эктодерма нервной пластинки, а вентро-анимальную часть – эктодерма покровов тела. Дорзо- и вентроанимальные части зародыша и по завершении гаструляции остаются на поверхности тела зародыша.

Вегетативнее их располагается последовательно материал осевой мезодермы (идущей на образовании туловищных и хвостовых сомитов, боковой пластинки), несегментированная часть мезодермы и, наконец, энтодермы. Прехордальная пластинка, хорда, мезодерма (осевая и несегментированная) и энтодерма в ходе гаструляции погружается внутрь зародыша.

Но последующие работы российского эмбриолога Т.А.Детлаф, шведа Левтрупа (Lo’vtrup) и американца Келлера (Keller) внесли коррективы в выводы Фохта. В частности, оказалось, что у бесхвостых амфибий материал хорды, осевой мезодермы и боковой пластинки никогда, даже до начала гаструляции, не выходят на поверхность зародыша, а локализован с самого начала в его внутренних слоях. Вместе с тем было подтверждено, что материал мезодермы и хорды бесхвостых амфибий расположен примерно в тех же областях, что и на карте Фохта, хотя как говорилось во внутренних слоях стенки бластулы. Поэтому классические карты Фохта можно считать в основном правильными, если не считать того, что верхний слой клеток хордального зачатка дает начало гипохордальной пластинке.

Однако не следует думать, что зародыш на стадии бластулы дифференцирован с указанной на картах точностью и подробностями. Более того из карт не следует и того, что судьба различных участков однозначно детерминирована и не может быть переопределена. Главное, что утверждают карты презумптивных зачатков – это наличие в нормальном развитии строгой закономерности гаструляционных движений относительно координации яйца.

Морфогенетические перемещения – основное событие, происходящее в период гаструляции – приводит не только к формированию трех зародышевых листков, но и к тесному сближению групп клеток, которые на стадии бластулы находились друг от друга. Дальнейшее развитие зародыша зависит от индукционных взаимодействий между некоторыми из этих недавно ассоциированных групп клеток. Одно из первых индукционных событий – действие хордомезодермы или хорды на лежащую над ней эктодерму, что приводит полоску неспециализированных эктодермальных клеток к превращению в зачаток центральной нервной системы.

Вначале эктодерма отвечает на индукцию образованием пластинки утолщенных клеток, но вскоре эта пластинка превращается в продольный желобок, а в конечном итоге – в трубку. Одновременно с этим другие эктодермальные клетки, локализованные в месте соединения нейральной и общей кожной эктодермы, образуют сегментированные агрегации, известные под названием нервного гребня. Вслед за изменениями, ведущими к образованию нервной трубки, слои мезодермы, лежащие по обе стороны от хорды, расщепляются в продольном направлении, и вскоре начинается формирование сомитов – симметричных парных структур, напоминающие кирпичики. Эти структуры, знаменующие один из знаменательных этапов в раннем развитии зародыша, позднее служат источником мезодермы, имеющих сегментарный характер. Пары сомитов вначале формируются в головной части зародыша. На следующих стадиях развития образуются новые пары сомитов, кзади от уже сформированных. С самих ранних стадий образования нервной системы в дифференцировке осевых структур отчетливо выражены краниокаудальные градиенты. Ввиду наличия таких градиентов, некоторые процессы, уже завершившиеся в головной части зародыша, в хвостовой части только начинаются.

Обычно стадией нейруляции считается период развития, начинающийся с появления первых признаков формирования нервной пластинки и заканчивающийся замыканием нервной трубки. Зародыш позвоночных в период нейруляции называется нейрула.

Нейруляция у амфибий. На стадии поздней гаструлы у амфибий главными событиями являются завершение клеточных перемещений, приводящих к образованию первичной кишки. Одновременно происходит уменьшение бластопора. В этот же период подходит к концу процесс первичной индукции и эктодерма, лежащая над хордой, начинает утолщаться, образуя нервную пластинку. Внутри зародыша первичная кишка (гастроцель) полностью окружена энтодермальными клетками. Вокруг энтодермы располагается слой мезодермы. По средней линии на дорсальной стороне расположена хорда в виде вполне обособленного стержня. По обе стороны хорды дорсальная часть мезодермы (эпимер) начинает утолщаться и одновременно сегментируется. Образующиеся при этом парные мезодермальные сегменты впоследствии превращаются в сомиты. Обширная масса ранней мезодермы (гипомер), из которой происходят тонкие слои клеток, заполняющие боковые и брюшную части зародыша, называются боковой пластинкой.

В конце концов боковая пластинка расщепляется на два слоя: наружный, соединенный с эктодермой (париентальная, или соматическая мезодерма), и внутренний, соединенный с энтодермой (висцеральная, или спланхническая мезодерма). Соматическую мезодерму вместе с лежащей над ней эктодермой называют соматоплеврой, а спланхническую мезодерму с лежащей под ней энтодермой – спланхноплеврой. Полость, образующаяся между этими двумя листками мезодермальных клеток называют целомом. Сомиты соединены с мезодермой боковой пластинки тонким связующим звеном из мезодермальных клеток (мезомер), который называется промежуточной мезодермой. Из этих клеток в конечном итоге возникают структуры мочеполовой системы.

В эктодермальном листке клетки будущей нервной системы вступают на путь морфологического развития, отличный от того, по которому следует остальная эктодерма. Вначале все эктодермальные клетки образуют один слой низких цилиндрических клеток. После нейральной индукции клетки овальной области, лежащие над хордой и сомитами, заметно вытягиваются в длину и образуют нервную пластинку, а в то же самое время презумптивные эпидермальные клетки, покрывающие остальной зародыш, уплощаются.

Вскоре края нервной пластинки приподнимаются, образуя нервные валики по обе стороны неглубокой продольной нервной бороздки. При этом форма нервной пластинки заметно изменяется; она сужается к заднему концу, где в конечном итоге разовьётся спинной мозг, оставаясь более широкой на переднем конце, где впоследствии образуется головной мозг. Края нервных валиков в конечном итоге смыкаются по средней линии дорсальной поверхности, образуя замкнутую нервную трубку. Замыкание нервной трубки происходит сначала на уровне верхней части спинного мозга, а затем распространяется как в головном, так и хвостовом направлении. Дольше всего остаются незамкнутыми небольшие участки нервной трубки, называемые передним и задним нейропорами. Оба нейропора в конце концов исчезают, не оставляя после себя никаких заметных следов.

К моменту образования нервной трубки, между нейральной и ненейральной эктодермой, образуются группы эктодермальных клеток рыхло соединенные между собой, первоначально расположенные в виде продольных рядов по обе стороны от дорсальной средней линии между нервной трубкой и поверхностной эктодермой, образуют нервный гребень – один из самых замечательных зачатков в теле зародыша.

Со времени своего первого появления клетки нервного гребня уже наделены способностью к обширным, но строго регулируемым миграциям по всему телу. В головной части зародыша клетки мигрируют единый массой, в туловище - эти миграции единичны. В туловище они мигрируют двумя потоками. Один из них поверхностный, а другой направлен с брюшной стороны, проходя через мезенхиму сомитов и огибая её. Клетки, мигрирующие в поверхностном слое, включаются в эктодерму, где они дифференцируются в пигментные клетки (меланофоры, ксантофоры и иридофоры), которые в конечном итоге оседают в эпидермисе, либо в дерме, в зависимости от вида.

Первые из клеток, мигрирующих в брюшном направлении, образуют парасимпатические ганглии и мозговое вещество надпочечников. Шванновские клетки, связанные с образованием периферических нервов, также являются производными клеток нервного гребня. Кроме того они, по-видимому, принимают участие в образовании глии (олигодендроглии), мозговых оболочек, а у амфибий – мезенхимы хвостового плавника.

Клетки из черепного отдела нервного гребня обладают широкими возможностями в отношении дифференцировки, в частности, они дают начало клеткам чувствительных корешков черепно-мозговых нервов (5,7, 9 и 10), клеткам их шванновских оболочек, клеткам краниальных парасимпатических ганглиев, а также ряду тканей, которые прежде считали производными мезодермы. К этим тканям относятся жаберные хрящи, некоторые кроющие кости черепа, зубные сосочки, одонтобласты (образующие дентин) и головная мезенхима.

Теория зародышевых листков. Итак, формирование трех первичных зародышевых – событие, характеризующее раннее развитие всех позвоночных. Представление о роли и важности зародышевых листков с течением времени постепенно менялись. Многие из первых эмбриологов рассматривали формирование зародышевых листков как необратимое разделение зародыша на жесткие компартоменты с очень незначительной взаимопревращаемостью между разными листками. Однако, данные, накопленные на протяжении многих лет, свидетельствуют, что клетки данного фенотипа не обязательно дифференцируются из одного зародышевого листка. Хороший пример – хрящевая ткань. Хотя большая часть её образуется из мезодермы, некоторые хрящевые элементы головы и шеи возникают из клеток нервного гребня – производного эктодермы. Тем не менее концепция зародышевых листков очень полезна для классификации и интерпретации многих морфогенетических явлений.

На существовании у зародышей курицы двух пластов обратил внимание ещё в «доклеточный» период развития эмбриологии К.Ф. Вольф (1759). Позднее Х.Пандер в 1817г. также описал зародышевые пласты у куриного эмбриона. К.Бэр создал основу для теории зародышевых листков, т.к. распространил понятие о зародышевых листах на всех позвоночных (1828). Но конечно основателем современной теории зародышевых листков должен считаться А.О.Ковалевский, который в 1865-1871 годах вместе со своими современниками И.И.Мечниковым (1886) и Э.Геккелем (1866, 1871) обнаружили зародышевые листки у беспозвоночных животных и внесли коррективы в их описание, тем самым пополнив понятие зародышевых листков новым содержанием, обусловленным эволюционной идеей, дарвинизмом.

Геккель создал гипотезу о происхождении многоклеточных животных, согласно которой предком их является гастрея –двухслойное животное, по строению подобное зародышам современных животных на стадии гаструлы. Эктодерма и энтодерма, по мнению Геккеля, рекапитулируют в «первичные органы» этого гипотетического предка современных многоклеточных.

Эмбриологи прошлого столетия рассматривали зародышевые листки как основные первичные органы, наделяя их определенными функциями. Эктодерму называли Hautsinnesblatt –кожно-чувствующим листком, а энтодерму – Darmdrusenblatt – слизистым, или кишечно-железистым слоем, листком первичного кишечника. Зародышевые листки всех животных стали рассматриваться как наследие первичной двухслойной формы предка Metazoa, как гомологичные образования. В этом суть теории зародышевых листков.

Теория зародышевых листков – самое крупное морфологическое обобщение за всю историю эмбриологии. Оно сыграло выдающуюся роль в сравнительной, эволюционной эмбриологии. И в настоящее время, несмотря на сомнения в её правильности и на явную ошибочность ряда утверждений её основателей, понятия об эктодерме, энтодерме и мезодерме, применяемые к развитию почти всех многоклеточных животных, никем из эмбриологов не оспаривается, хотя многие ученые вкладывают в них разное содержание. Все, однако, согласны с тем, что эти понятия характеризуют определенные этапы развития зародышей, отражают последовательность образования зачатков органов, историческую непрерывность функционального характера листков, их органообразовательную специфичность. Все эволюционисты-эмбриологи не отрицают, что зародышевые листки, возникающие в ясной форме у подавляющего большинства животных, являются одним из многочисленных доказательств и свидетельств единства животного мира.

Уже во время создания этой теории И.И.Мечников отвергал гипотезу Геккеля о гастрее, считая, что рассматривать инвагинационную гаструлу как первичную эмбриональную форму нет оснований. Более примитивной, по его мнению, надо считать мультиполярную иммиграцию и предком современных Metazoa, следовательно, геккелевская гастрея быть не может. И обосновал это так: образование гаструлы путем инвагинации не характерно для низших многоклеточных и как следствие не характерно формирование вторичной полости тела; он установил, что у низших многоклеточных распространено внутриклеточное пищеварение. На основание огромного материала Мечников создал в противовес геккелевской теории гастреи, теорию фагоцителлы (или паренхимеллы), согласно которой предком Metazoa было первобытное животное, не имеющее пищеварительной полости. Пищевые частицы захватывались поверхностными клетками, обладающими фагоцитарными способностями и становились достоянием всего организма, благодаря способности их внедряться внутрь. Вот почему и примитивные формы гаструляции должны искаться среди низших ныне живущих многоклеточных, у которых в результате гаструляции не образуется первичная пищеварительная полость. Такова гаструляция, идущая по пути иммиграции – более позднее явление в эволюции гаструляции.

Хотелось бы перечислить некоторые факты, объясняющие, что эта теория не догма в её классической форме, и с появлением новых данных экспериментальных, она развивается и усовершенствуется.

1. Следует отказаться от представлений и зародышевых пластах как о стойких определенных образованиях, как о «первичных органах» зародыша. Гаструляция – это процесс. Зародышевые пласты – это органическая часть интегрального целого зародыша; они не имеют самостоятельных функций, а в связи с взаимодействием частей в их развитии, «функция» состоит в способности, благодаря интегрирующим влияниям зародыша как целого, дать в ходе развития ряд производных.

2. Образование мезодермы у зародышей многих позвоночных происходит по существу не по энтероцельному способу. И хотя до сих пор сохраняется представление о двух способах её образования (телобластическом и энтероцельном) требуется вносить очень серьезные поправки в старые представления о гаструляции и в сущности требуется новая классификация процессов гаструляции. Нет оснований искать у всех животных гаструляцию как образование обязательно двухслойного зародыша, рассматривать образование мезодермы как какой-то особый процесс, оторванный от процессов самой гаструляции. У кишечнополостных, у которых нет столь развитого среднего пласта как у других животных, гаструляция завершается формированием только эктодермы и энтодермы. В ходе эволюции животных, а значит и эволюции эмбрионального развития появление и развитие третьего зародышевого листка было связано с изменением самой гаструляции. У амфибий и других животных образование мезодермы – это одно из явлений гаструляции, а не обособленный, вторичный процесс. Нельзя процесс гаструляции представлять как образование экто- и энтодермы и противопоставлять его образованию мезодермы.

3. Не следует на основании исключений и отклонений от схемы органогенеза, продиктованной теорией зародышевых листков, отказываться от самой теории, но не следует и пренебрегать этими исключениями, чтобы правильно представлять процесс развития зародышей и не отклонять вполне аргументированные мысли о необходимости реформы теории.

Сравнительный эмбриолог классического направления П.П.Иванов (1945), указывал, что при ранней закладки органов характерные признаки зародышевых листков исчезают, о них говорить нельзя. У турбеллярий, сосальщиков и других животных образование различных органов происходит из однородной массы клеток, без каких-либо признаков зародышевых пластов. У аскарид о наличии зародышевых пластов вообще приходиться говорить условно; у зародышей аскарид очень рано обособляется эктодерма, половой зачаток и т.д. Интересная деталь: сразу появляется по несколько отдельных зачатков для нервной системы и глотки, на что обращал П.П.Иванов в связи с анализом теории зародышевых листков.

По теории зародышевых листков хорда развивается из энтодермы, нервная система – из эктодермы и т.д. Между тем обнаружены не единичные случаи, противоречащие этому правилу. О.М.Иванова и А.Г.Кнорре (1963) считают, что можно рассматривать все эти и иные случаи у разных животных как вторичные изменения ранних стадий развития, что зародышевые листки, как и вообще весь онтогенез, способны до неузнаваемости меняться в ходе эволюции под влиянием вполне определенных причин (вполне объяснимых). Тем самым все подобного рода «исключения» лишь подтверждают общее правило.

4. Раннее мы с вами говорили об органогенетической специфичности зародышевых пластов. Однако результаты многочисленных экспериментов свидетельствуют, что можно экто-, энто- и мезодермы заставить изменить развитие и участвовать в формировании неспецифичного органа. Это говорит о том, что судьба клеточного материала каждого зародышевого пласта, строго говоря ещё не определенна. Развитие и дифференцировка каждого пласта, их органогенетическая специфичность обусловлены взаимовлиянием частей целостного зародыша и возможны лишь при его нормальной интеграции.

5. И в нормальном развитии некоторых животных закономерно «нарушается» установленная теорией зародышевых листков специфичность. Так мышечные волокна волосяных сумок кожи, ириса глаза, некоторые хрящевые элементы развиваются не из мезодермы, а из эктодермы. Клеточный материал ганглионарной пластинки, т.е. производное эктодермы, образует в норме челюстную дугу, подъязычную и жаберные дуги, т.е. образования, которые должны возникнуть из мезодермы. Задняя часть нервной пластинки, возникающая из эктодермы, образует у зародышей амфибий в норме не нервную ткань, а хвостовую мускулатуру.

6. Развитие организма в результате бесполового размножения и экспериментально вызванного соматического эмбриогенеза пока совершенно невозможно не только объяснить, но даже описывать в понятиях «зародышевые листки». Некоторые экспериментальные эмбриологи недовольные фанатизмом приверженцев теории зародышевых пластов, готовы считать зародышевые листки лишь чисто топографическими понятиями, удобные для описания явлений развития. Эта точка зрения излишне фанатична и не может считаться необоснованной. Несмотря на важность всех указанных противоречий и сомнений, нельзя отрицать реальность существования зародышевых листков как гомологичных образований. Эволюция явлений эмбрионального развития, как и вообще эволюция любого биологического явления, не происходила прямолинейно, и, естественно, имеется много факторов, противоречащих теории. Критически оценивающий теорию зародышевых листков П.П.Иванов определяет зародышевый пласт как сумму всех зачатков частей будущих органов, находящихся на начальной, одной и той же стадии морфологической дифференцировки

Прогресс эмбриологии столь значителен, что нельзя сомневаться в возможности радикального пересмотра теории зародышевых листков с сохранением её основы – представления о листках как гомологичных образованиях. Если стоять на позиции монофилетического представления об эволюции животного мира организмов, то можно говорить о гомологии зародышевых листков и рисовать обычные схемы родословного древа.

Если же правильны идеи полифилетического происхождения организмов данные эмбриологии о зародышевых листках приобрели бы значения доказательства разных типов развития. Особый интерес представляют воззрения Г.П.Коротковой (1979), которая полагает, что яйцевые клетки, бластулы, гаструлы, личинки, зародышевые листки полностью гомологичны только у тех видов, которые относятся к одному и тому же типу организмов. Сравнение онтогенеза животных или растений, относящихся к далеко отстоящим типам, позволяет выявлять не столько гомологичные, сколько аналогичные структуры и процессы. Эти выводы вытекают из новой теории о фазной эволюции онтогенеза, в основе которой лежит утверждение об обязательности чередования полового и бесполового размножения.