1 Взгляды перформистов и сторонников эпигенеза на процесс развития организмов.

В XVII-XVIII вв. оформились два взгляда на онтогенез - преформизм и эпигенез. Сторонники преформизма полагали, что зародышевое развитие сводится к росту вполне сформированного зародыша. Предполагалось, что зародыш - уменьшенный вариант сложноустроенного взрослого организма - существовал в такой форме с момента творения. Преформисты, в свою очередь, разделились на две группы. Овисты читали, что уже сформированный зародыш находится в яйцеклетке, а мужское половое начало лишь дает толчок к развитию. Анималькулисты утверждали, что зародыш заключен в сперматозоиде, который развивается за счет питательных веществ яйца. Воззрения преформистов базировались на некоторых фактических данных. Так, Сваммердам, вскрыв куколку бабочки, обнаружил там вполне сформированное насекомое. Ученый воспринял это как доказательство того, что более поздние стадии развития спрятаны в более ранних и до поры до времени не видны. Сходство детей с обоими родителями преформисты объясняли тем, что зародыш, происшедший из яйца или из семенного анималькуля, формируется по образу и подобию своих родителей под влиянием воображения матери в течение утробной жизни. Впрочем, некоторые сторонники этой концепции допускали, что вложенные зародыши не обязательно идентичны друг с другом, вплоть до того, что и сам прогресс живых форм мог быть преформирован в момент творения.

эпигенетики - считали, что в процессе онтогенеза происходит новообразование структур и органов зародыша из бесструктурного вещества.

Впервые идеи эпигенеза в полной мере были выражены К.Ф. Вольфом 1733-1794 . К.Ф. Вольф исходил из того, что, если правы преформисты, то все органы зародыша, как только мы их можем увидеть, должны быть полностью сформированы. В своей работе Теория зарождения 1759 г. ученый описывает картины постепенного возникновения различных органов из неорганизованной массы у животных и растений. К сожалению, К.Ф. Вольф работал с довольно плохим микроскопом, что породило многие фактические неточности, но это не умаляет значения созданной им теории эпигенеза.

Решающий перелом в споре между представителями двух течений произошел в XIX в. после работ К.М. Бэра 1792-1876 , сумевшего снять альтернативу - или преформизм, или эпигенез.

К.М. Бэр считал, что нигде в зародыше не происходит новообразований, имеют место лишь преобразования. При этом преобразование К.М. Бэр понимал отнюдь не в духе преформизма, а рассматривал его как подлинное развитие, с глубокими качественными преобразованиями от более простого и недифференцированного к более сложному и дифференцированному.

2 Развитие учения о зародышевых листках

ЗАРОДЫШЕВЫЕ ЛИСТКИ, слои эмбриональных клеток, образующие в ранней стадии развития тела зародыша и имеющие в большинстве случаев эпителиальный характер.

Принято различать три зародышевых листка:

1. наружный (эктодерма, эктобласт, эпибласт, кожно-чувствующий листок); производит нервную систему, эпидермис кожи, эпителий и гладкие мышцы кожных желез, эпителий слухового органа, носовой полости, переднего отдела полости рта (включая железистую часть мозгового придатка и эмаль зубов), анальной части прямой кишки, хрусталик, эпителий амниона.

2. внутренний (энтодерма, энтобласт, гипобласт, кишечно-железистый листок); производит эпителиальную выстилку кишечного канала и образующиеся в нем железы, включая печень и поджелудочную железу

3. средний (мезодерма, мезобласт) в области сомитов дает мускулатуру тела (миотом) и соединительную ткань (склеротом), в области нефротома – выделительные органы; мезодерма, выстилающая полость тела, образует его эндотелий (мезотелий) и эпителиальные части половых желез.

Из них первые два образуются раньше, и к ним позднее присоединяется третий. Наружный зародышевый листок состоит обыкновенно из высоких светлых клеток, похожих на цилиндрический эпителий; внутренний зародышевый листок может состоять из крупных клеток, выполненных желточными пластинками и образующих местами компактные массы (амфибии), или, наоборот, из клеток, уплощенных наподобие плоского эпителия (птицы, млекопитающие); средний зародышевый листок в начале образования может состоять из рыхло расположенных веретенообразных или звездчатых клеток, которые впоследствии слагаются в эпителиальный слой.

3 Происхождение первичных половых клеток в онтогенезе Ово(оо)генез и сперматогенез происходят в дифференцированных по полу женских или мужских половых железах — яичниках или семенниках. Прежде чем попасть в эмбриональную закладку половой железы, клетки-предшественницы гамет, называемые первичными половыми клетками илигоноцитами, проходят достаточно сложный путь. Половой зачаток, содержащий первичные половые клетки — гонобласт — образуется бластомерами, имеющими в цитоплазме зародышевую или половую плазму. Первичные половые клетки имеют внегонадное происхождение. У людей, например, они обособляются во внутренней клеточной массе (эмбриобласт в более ранней эмбриологической терминологии) и являются потомками тотипотентных эмбриональных стволовых клеток. Их можно видеть в составе зародышевых листков, хотя они не являются производными клеток ни одного из них. На гистологических препаратах, первичные половые клетки идентифицируют по относительно крупным размерам, форме, приближающейся к округлой, центральному положению светлого ядра с крупным ядрышком. Главный гистохимический маркер — высокая активность фермента щелочной фосфатазы в цитоплазме. Из зародышевых структур они перемещаются во внезародышевые — стенку желточного мешка (внезародышевая мезодерма и энтодерма). В определенном участке энтодермы желточного мешка, вблизи места отхождения аллантоиса первичные половые клетки концентрируются перед тем, как начать движение в закладки половых желез. Миграция начинается после 25 сут. внутриутробного развития. Она происходит, в основном, по интерстициальному типу, то есть через мезенхиму различных внезародышевых и зародышевых образований путем так называемого контактного ориентирования. Тонковолокнистый слой толщиной порядка 30 нм на поверхности гоноцитов специфически взаимодействует с макромолекулами межклеточного матрикса, например, с фибронектином, ламинином, коллагеном IV типа. Названные белки внеклеточного матрикса, взаимодействуя с белками клеточных оболочек, преимущественно из семейства интегринов, определяют маршруты движения клеток в эмбриогенезе (фибронектин). Часть первичных половых клеток достигает закладок половых желез пассивным образом, с кровотоком. Предположительно определенная роль в миграциях гоноцитов принадлежит хемотаксису, причем молекулы-аттрактанты, выполняя функцию ориентиров (своеобразных «маяков»), определяющих направление движения гоноцитов, образуются клетками половых валиков. Есть мнение, что они ответственны также за задержку первичных половых клеток в капиллярах вблизи закладок половых желез. В ткани закладок гоноциты из кровотока попадают путем диапедеза, то есть через сосудистую стенку без нарушения ее целостности. Первичные половые клетки у человека достигают закладок гонад и «обосновываются» там (осуществляют хоуминг) между клетками целомического эпителия, которые создают необходимые условия для их дальнейшего развития, на 28–30-е сутки внутриутробного периода. Первичные половые клетки, не достигшие закладок половых желез, гибнут путем апоптоза.

Если по какой-то причине в зачатке гонады или вне его гоноциты осуществляют несколько «лишних» митотических циклов, то они теряют перспективу стать гаметами и становятся полипотентными стволовыми клетками. В таком случае они могут привести к образованию тератомы.

У позвоночных животных первичные половые клетки или гоноциты являются единственными предшественницами зрелых половых клеток, или гамет. У низкоорганизованных многоклеточных животных клетками-предшественницами гамет могут стать тотипотентные резервные стволовые клетки (археоциты губок) или даже высоко дифференцированные соматические клетки (хоаноциты — воротничковые клетки, имеющие высокоспециализированные структуры жгутики, у губок).

4 Представление о зародышевом пути.

Ряд клеточных поколений от первичных половых клеток до гамет получил название зародышевого пути.

Зародышевый путь - специальная клеточная линия, ведущая к гаметам у ряда животных. Несмотря на то что гаметы - особое поколение жизненного цикла, у примитивных животных (например, у губок и кишечнополостных ) они могут развиваться из обычных, неспециализированных клеток тела. Однако у других групп животных гаметы могут развиться только из специальных клеток-предшественников, которые иногда удается различить уже на очень ранних стадиях развития. Эти предшественники гамет называются первичными половыми клетками (ППК) . Например, у насекомых ППК расположены на заднем конце зародыша, если их удалить или разрушить, взрослое насекомое оказывается стерильным. Образование ППК зависит от наличия в цитоплазме яйца особых полярных гранул. Полярные гранулы состоят из белка и иРНК . Возникает вопрос: почему иРНК полярных гранул сосредоточена на заднем конце яйца у насекомых, а не диффундирует по всему объему цитоплазмы? Большинство иРНК яйцеклетки у насекомых поступает из окружающих ее питающих клеток, которые соединены с яйцеклеткой широкими цитоплазматическими мостиками. Многие иРНК распределены по яйцеклетке неравномерно за счет того, что связываются сцитоскелетом в определенном ее участке. Для этого связывания существуют особые, не кодирующие белка последовательности, которые могут различаться у разных иРНК. Известны гены, кодирующие белки, которые необходимы для правильного распределения иРНК в яйцеклетке. Таким образом, за "правильное" связывание иРНК с элементами цитоскелета, видимо, отвечают особые белки. Судьба клеток зависит от того, какие вещества из цитоплазмы яйцеклетки в них попали. Подобные вещества, неравномерно распределенные в цитоплазме, называются локальными детерминантами . Итак, цитоплазма яйцеклетки не однородна. От того, какая часть этой цитоплазмы "достанется" клетке, может зависеть ее дальнейшая судьба. Есть первичные половые клетки и у позвоночных, в том числе и у млекопитающих. Обычно после длительной миграции ППК заползают в зачатки половых желез - гонад . У животных с хромосомным определением пола от хромосомного набора ППК зависит, в каком направлении развиваются гонады - становятся они яичниками (женскими половыми железами) или семенниками (мужскими половыми железами). Дальнейшее развитие половых клеток у большинства животных происходит внутри гонад (но, например, у губок и кишечнополостных гонад нет). Процессы развития яйцеклеток и сперматозоидов несколько различаются. Развитие яйцеклеток называется оогенезом , а сперматозоидов - сперматогенезом .

5 Яйцеклетки. Строение. Классификация по количеству желтка.

Яйцеклетка (овоцит) — женская гамета животных, высших растений, а также многих водорослей и других протистов, которым свойственна оогамия. Как правило, яйцеклетки — гаплоидные клетки, но могут иметь другую плоидность у полиплоидныхорганизмов. В цитоплазме яйцеклеток (ооплазме) содержатся совокупность питательных веществ — желток.

Яйцеклетки образуются в результате оогенеза. После оплодотворения из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) развивается эмбрион. При партеногенезе эмбрион, а затем новый организм развивается из неоплодотворенной яйцеклетки.

Человеческая яйцеклетка. Классификация яйцеклеток[ По количеству желтка

• Полилецитальные — содержат большое количество желтка (членистоногие,рептилии, птицы, рыбы, кроме осетровых).

• Мезолецитальные — содержат среднее количество желтка (осетровые рыбы,амфибии).

• Олиголецитальные — содержат мало желтка (моллюски, иглокожие, млекопитающие. ).

• Алецитальные — не содержат желтка (некоторые паразитические перепончатокрылые).

По расположению желтка

Телолецитальная яйцеклетка

Центролецитальная яйцеклетка

• Телолецитальные — желток смещён к вегетативному полюсу яйцеклетки. Противоположный полюс называется анимальным.

• Гомо (изо)- лецитальные — желток распределён равномерно. Сюда относятся олиголецитальные яйца .

• Центролецитальные — желток расположен в центре яйцеклетки. В центре яйца расположено ядро, а по периферии — ободок свободной от желтка цитоплазмы. Оба этих района — центр и периферия яйца — связаны тонкими цитоплазматическими мостиками, а всё промежуточное пространство заполнено желтком.

Оболочки яйцеклеток

• Первичные — производные цитоплазматической мембраны. В частности, умлекопитающих эта оболочка называется блестящей (zona pellucida).

• Вторичные (лучистый венец) — фолликулярные клетки

Строение яйцеклеток

Форма яйцеклеток обычно округлая. Размеры яйцеклеток колеблются в широких пределах — от нескольких десятков микрометров до нескольких сантиметров (яйцеклетка человека — около 120 мкм). К особенностям строения яйцеклеток относятся: наличие оболочек, располагающихся поверх плазматической мембраны и наличие в цитоплазме более или менее большого количества запасных питательных веществ.

Яйцеклетка млекопитающих: 1 — пронук­леус на стадии мета­фазы 2; 2 — блес­тящая оболочка; 3 — лучис­тая оболочка; 4 — первое поляр­ное тельце.

У большинства животных яйцеклетки имеют дополнительные оболочки, располагающиеся поверх цитоплазматической мембраны. В зависимости от происхождения различают: первичные, вторичные и третичные оболочки.  Первичные оболочки формируются из веществ, выделяемых овоцитом. Образуется слой, контактирующий с цитоплазматической мембраной яйцеклетки. Он выполняет защитную функцию, обеспечивает видовую специфичность проникновения сперматозоида, т.е. не позволяет сперматозоидам других видов проникать в яйцеклетку. У млекопитающих эта оболочка называется блестящей.  Вторичные оболочки образуются выделениями фолликулярных клеток яичника, имеются далеко не у всех яйцеклеток. Вторичная оболочка яиц насекомых содержит канал — микропиле, через который сперматозоид проникает в яйцеклетку.  Третичные оболочки образуются за счет деятельности специальных желез яйцеводов. Вторичные и третичные оболочки образуются у яйцеклеток животных, зародыши которых развиваются во внешней среде. Поскольку у млекопитающих наблюдается внутриутробное развитие, их яйцеклетки имеют только первичную оболочку, поверх которой располагается лучистый венец — слой фолликулярных клеток, доставляющих к яйцеклетке питательные вещества. В яйцеклетках происходит накопление запаса питательных веществ, которые называют желтком. Он содержит жиры, углеводы, РНК, минеральные вещества, белки, причем основную его массу составляют липопротеиды и гликопротеиды. Желток содержится в цитоплазме в виде желточных гранул. Количество питательных веществ, накапливаемых в яйцеклетке, зависит от условий, в которых происходит развитие зародыша. Если развитие яйцеклетки происходит вне организма матери и приводит к формированию крупных животных, то желток может составлять более 95% объема яйцеклетки. Яйцеклетки млекопитающих, развивающиеся внутри тела матери, содержат малое количество желтка — менее 5%, так как питательные вещества, необходимые для развития, эмбрионы получают от матери.

6 Мозаичные и регуляторные яйца. Бластомеры яйца морского ежа, помещенного в морскую воду, лишенную солей кальция, при легком встряхивании разделяются и сохраняют способность развиваться дальше, В опытах такого рода Г. Дриш показал, что при делении яиц на стадии двух или четырех бластомеров из каждого бластомера образуется целый зародыш, размеры которого соответственно в два или в четыре раза меньше, чем у нормального. А. Герличка и Г. Шпеман разделяли два первых бластомера у тритона волосяной петлей и получали в ряде случаев из каждого бластомера целый жизнеспособный зародыш. Если перетяжка не полностью отделяла бластомеры друг от друга, развивались сращенные и в различной степени обособленные двойниковые уроды. Шпеман накладывал волосяную петлю, не затягивая ее, на оплодотворенное, но еще не начавшее дробиться яйцо тритона так, чтобы яйцевое ядро оказывалось в одной половине получившейся гантелеобразной фигуры. В результате дробилась только та часть яйца, в которой находилось ядро. После нескольких дроблений лигатура расслаблялась, и это давало возможность одному из ядер проскользнуть в недробившуюся половину яйца. Лигатура затягивалась снова, и каждая половина яйца продолжала развиваться самостоятельно. Несмотря на то, что в половине яйца, начавшей дробиться раньше, оказывались, например, 7/8 материала первоначального яйцевого ядра, а в другой половине - только 1/8, из обеих половин яйца развивались полноценные зародыши. Из сопоставления мозаичного раннего развития аспидий и моллюсков с регуляционным развитием медуз, первоначально был сделан вывод, что одни животные характеризуются мозаичными, а другие - регуляционными яйцами. Однако на многих объектах, прежде всего на яйцах морского ежа, удалось показать, что развитие первоначально имеет "регуляционный" характер, а затем делается "мозаичным". В течение первых двух дроблений составные части протоплазмы яйца, именно слои, пересекаемые под прямым углом вертикальной осью яйца, распределяются между четырьмя бластомерами поровну; при изоляции этих бластомеров каждый из них, естественно, может дать начало целому зародышу. В результате третьего дробления из образовавшихся восьми бластомеров верхняя четверка получает одни протоплазменные материалы, а нижняя - другие; поэтому при изоляции бластомеров на 8-клеточной стадии каждый из них уже не в состоянии образовать целый, обладающий всеми частями организм.

Опыт Шпемана: а - наложение волосяной петли на оплодотворенное яйцо тритона; б - результат разделения яйца в медианной плоскости - двойниковые зародыши; в - результат разделения яйца во фронтальной плоскости: зародыш и недифференцированный 'брюшной кусок'

Проблемы формообразования в индивидуальном развитии сделались ареной столкновения механистического и виталистического взгляда на живую природу.

7 Стадии оо- и сперматогенез. Оогенез начинается с первичной половой клетки – оогонии и делится на три периода: размножения, роста, созревания. Здесь, в отличие от сперматогенеза, отсутствует период формирования, так как яйцеклетка не изменяет свою форму. 

В периоде размножения происходит размножение первичных половых клеток оогоний обычным митозом. Но, в отличие от сперматогенеза, деление оогоний происходит в первой половине внутриутробной жизни девочки и затем деление прекращается. Накапливается большое количество оогоний. В последующем часть их рассасывается и к моменту рождения их остается в яичникеоколо 1000 штук. С наступлением половой зрелости они вступают в период роста и превращаются в ооциты I-го порядка.  Период роста в оогенезе продолжительнее, чем при сперматогенезе. Различают периоды малого и большого роста. В периоде малого роста происходит незначительное увеличение объема клетки за счет активного поступления питательных веществ и накопления цитоплазмы. Он также характеризуется удвоением числа хромосом. Как и при сперматогенезе образуются тетрады. Период большого роста характерен только для оогенеза. В этом периоде происходит накопление желтка и ооцит нередко очень сильно увеличивается в размерах, иногда в десятки, а у некоторых животных и в сотни раз.  Ооцит I-го порядка вступает в период созревания, в котором происходит два мейотических деления. После первого мейоза образуется одна крупная клетка – ооцит II-го порядка, в которую отходит основная масса цитоплазмы, и мелкая клетка – первое редукционное тельце или полоцит. В нем содержится незначительная часть цитоплазмы. Распределение наследственного материала идет одинаково в обе клетки, т.е. в каждую из этих клеток идет по две хроматиды гомологичных хромосом. После второго деления созревания из ооцита II-го порядка вновь образуются две клетки: одна крупная – оотида и второе направительное тельце. Первое направительное тельце также делится и образуются два полоцита. При этом делении в каждую из образующихся клеток идут отдельные хроматиды гомологичных хромосом. В результате образуются гаплоидные клетки. 

Оотида является зрелой яйцеклеткой, способной к оплодотворению. Образовавшиеся три полоцита не жизнеспособны, погибают из-за нарушения ядерно-плазменного отношения. В результате оогенеза образуется только одна яйцеклетка, которая у млекопитающих и человека несет женскую наследственность (Х-хромосому).  Распределение хромосом при оогенезе происходит также как и при сперматогенезе. Оогонии имеют диплоидный набор хромосом (2n2c), у ооцитов I-го порядка тоже диплоидный набор хромосом, но каждая хромосома состоит из двух хроматид (2n4c); ооциты II-го имеют гаплоидный набор хромосом, но хромосомы еще содержат две хроматиды (n2c) и оотида, она же зрелая яйцеклетка, содержит гаплоидный набор хромосом (nc). Следовательно, при оогенезе образование направительных телец приводит к уменьшению ядерного вещества. Хотя в развитии женских половых клеток нет периода формирования, однако и яйцеклетка приобретает специфические особенности для готовности к оплодотворению. Это выражается в росте ооцита I-го порядка, когда он увеличивается в объеме за счет накопления желтка, и затем в образовании оболочек яйцеклетки. В яйцеклетках некоторых животных первичная оболочка образуется на стадии ооцита и может достигать большой толщины. В этом случае в ней образуется канал – микропиле, через который проходит сперматозоид при оплодотворении. Этот канал может образовываться и во вторичных оболочках, если они формируются до окончания развития яйца. Образованием оболочек заканчивается весь период оогенеза. При сравнении оогенеза со сперматогенезом видно, что сперматозоидов созревает намного больше, чем яйцеклеток. При оогенезе из одной оогонии образуется одна зрелая яйцеклетка, тогда как при сперматогенезе из одной сперматогонии образуется 4 сперматозоида. Кроме того, процесс развития женских половых клеток более длителен, чем мужских. Это связано с большей продолжительностью периода роста клеток.

Cперматогенез

Фазы сперматогенеза: 1 — фаза размножения; 2 — фаза роста; 3 — фаза созревания; 4 — фаза формирования.

Сперматогенез осуществляется в семенниках и подразделяется на четыре фазы: 1) размножения, 2) роста, 3) созревания, 4) формирования. Во время фазы размножения диплоидные сперматогонии многократно делятся митозом. Часть образовавшихся сперматогониев может подвергаться повторным митотическим делениям, в результате чего образуются такие же клетки сперматогонии. Другая часть прекращает делиться и увеличивается в размерах, вступая в следующую фазу сперматогенеза — фазу роста.

Фаза роста соответствует интерфазе 1 мейоза, т.е. во время нее происходит подготовка клеток к мейозу. Главным событием фазы роста является репликация ДНК. Во время фазы созревания клетки делятся мейозом; во время первого деления мейоза они называются сперматоцитами 1-го порядка, во время второго —сперматоцитами 2-го порядка. Из одного сперматоцита 1-го порядка возникают четыре гаплоидные сперматиды. Фаза формирования характеризуется тем, что первично шаровидные сперматиды подвергаются ряду сложных преобразований, в результате которых образуются сперматозоиды. В нем участвуют все элементы ядра и цитоплазмы.

У человека сперматогенез начинается в период полового созревания; срок формирования сперматозоида — три месяца, т.е. каждые три месяца сперматозоиды обновляются. Сперматогенез происходит непрерывно и синхронно в миллионах клеток.

8 Типы редукции хромосом.

Мейоз и происходящая в ходе него редукция — уменьшение числа хромосом — у разных групп живых организмов происходит в разные периоды жизненного цикла.

Существуют три типа редукции числа хромосом:

1. гаметическая редукция характерна для большинства животных. Редукционное (мейотическое) деление происходит непосредственно перед образованием гамет. В жизненном цикле преобладает диплоидная стадия, а гаплоидная представлена лишь гаметами;

2. зиготическая редукция характерна для некоторых простейших (например, споровиков). Редукция числа хромосом осуществляется сразу после образования зиготы. В жизненном цикле преобладает гаплоидная фаза, а диплоидная представлена зиготой.

3. спорическая (смешанная) редукция характерна для всех высших растений. Уменьшение числа хромосом происходит перед образованием спор, а не гамет. Диплоидная и гаплоидная фазы жизненного цикла существуют более или менее значительное время (при этом у моховидных преобладает гаплоидная стадия — гаметофит, а у всех других групп высших растений — диплоидная — спорофит).

9 Оплодотворение. Фертилизины и гамоны.