3. Сравнительная характеристика дробления и гаструляции у разных позвоночных.
3.1. Развитие ланцетника.
Яйцеклетка ланцетника олиго- и изолецитальная, ядро располагается ближе к анимальному полюсу.. Место проникновения сперматозоида в яйцеклетку определяет вентральную сторону зиготы, а на дорсальной стороне зиготы ниже экватора возникает серый серп. Появление последнего связывают с перераспределением материала в яйце и маркированием участка, где в будущем появится дорсальная (спинная) губа бластопора. Движение материала зиготы завершается тем, что белково-липидные включения скапливаются у одного края зиготы, определяя вегетативный полюс зародыша (рис. 3.2).
Рис.3.2. Поперечные разрезы зародышей ланцетника:
А - карта презумптивных зачатков яйцеклетки ланцетника; Б - поперечный срез бластулы ланцетника; В, Г - поздняя гаструла (продольный и поперечный разрезы); Д - превращение нервной пластинки, погрузившейся под кожную эктодерму, в нервный желобок и начало обособления мезодермальных карманов от первичной кишки; Е - обособление замкнутых целомических мешков, замыкание энтодермы в кишечную трубку и формирование хордального тяжа.
Б: 1 - крыша бластулы, 2 - дно бластулы, 3 - краевая зона бластулы; В: 4 - дорсальная губа бластопора, 5 - мелкоклеточный материал вентрального серпа; Г, Д, Е: 6 – нервная пластинка, 7 – эктодерма, 8 – хорда, 9 – мезодерма, 10 – энтодерма, 11, 12 – полость тела.
Дробление зиготы полное, почти равномерное, синхронное и заканчивается образованием однослойной бластулы. В результате чередования меридианальных и широтных борозд дробления формируется однослойная бластула с полостью, заполненной жидкостью, — бластоцелем. Бластула сохраняет полярность, ее дно представляет собой вегетативный полюс, крыша — анимальный; между полюсами находятся краевые зоны.
Начало гаструляции отмечается впячиванием на вегетативном полюсе бластулы и формированием двустенной чаши с широко зияющим отверстием, ведущим в новообразованную полость зародыша. Такой способ гаструляции называется инвагинацией. Полость самой чаши именуется гастроцелью, или полостью первичной кишки, которая сообщается с внешней средой посредством бластопора, что соответствует заднепроходному отверстию. Завершается гаструляция образованием хорды и мезодермы. У ланцетника мезодерма возникает энтероцельным способом. Это значит, что в составе материала, который инвагинировал и представляет собой стенку первичной кишки, находятся клетки будущей хорды и мезодермы. Последние выселяются из внутреннего листка гаструлы и располагаются между двумя первыми.
2.2. Развитие амфибий.
Яйцеклетка амфибий мезотелолецитальная. Оплодотворение — наружное (бесхвостые амфибии) или внутреннее (хвостатые амфибии — тритон). Сперматозоид проникает в икринку в анимальной части. После оплодотворения регистрируются локальные движения цитоплазмы, перераспределение материала и возникновение серого серпа несколько ниже экватора зиготы на стороне, противоположной месту проникновения спермия. На анимальном полюсе возникает первая полоса дробления, которая пересекает серый серп и замыкается на вегетативном полюсе. Вторая и третья борозды дробления, как и у ланцетника, приводят к возникновению стадии 8 бластомеров. Однако вследствие того, что яйцеклетка телолецитальная, третья борозда проходит не по экватору, а выше — ближе к анимальному полюсу. Поэтому бластомеры вегетативного полюса значительно крупнее бластомеров анимального (рис. 3.3). Такой тип дробления называется полным (голобластическим), но неравномерным.
Рис. 3.3 Дробление яйца лягушки:
А – первое деление,; Б – второе деление; В – четвертое деление.
В течение последующих 16 ч происходит интенсивное дробление, причем, кроме двух описанных ранее борозд дробления, появляется тангенциальная, которая проходит параллельно поверхности зародыша. В результате появления новой борозды дробления возникает многослойная бластула — амфибластула, полость которой заполнена жидкостью. Бластомеры крыши располагаются в 3— 5 слоев (мелкие пигментированные клетки), а дна — в 10 и более слоев (крупные клетки; рис. 3.4).
Как отмечалось выше, серый серп намечает место будущей спинной (дорсальной) губы бластопора. Через 19 ч после оплодотворения под экватором бластулы амфибии появляется спинная губа бластопора, что означает начало перемещения клеток внутрь зародыша и переход в стадию гаструлы.
Рис. 3.4. Амфибластула лягушки.
1 – бластоцель (расположена асимметрично); 2 – многослойная бластодерма; 3 – крыша бластулы
(клетки мелкие); 4 – дно бластулы (клетки крупнее и содержат желток); 5 – краевая зона (клетки – промежуточного размера).
По причине перегруженности бластомеров вегетативной части белково-липидными включениями инвагинация этой части бластулы не столь эффективна по сравнению с аналогичным процессом у ланцетника. Поэтому у амфибий возникает новый механизм образования гаструлы путем эпиболии — обрастания вегетативного полушария клетками анимального (рис. 3.5).
Рис.3.5. Последовательные этапы гаструляции у амфибий:
а, б, в, г, д – медиальные сагитгальные срезы; е – таже стадия, что и д, на поперечном разрезе.
1 – эктодерма; 2 – нервная пластинка; 3 – хордо-мезодерма; 4 – энтодерма; 5 – мезенхима
Для понимания эпиболии необходимо представлять механизм формирования бластопора. Продолжающееся локальное перемещение материала и формирование спинной губы бластопора приводит к тому, что спинная губа бластопора распространяется билатерально и замыкается в брюшной части зародыша. В динамике формирование губ бластопора можно представить следующим образом: если прорывать наклонный канал в сыпучем материале (песке) из глубины кнаружи, то при приближении к поверхности песок начнет проваливаться, постепенно формируя стенки канала. Так формируется бластопор.
К 24—28 ч развития бластопор практически сформирован, однако остается закрытым бластомерами вегетативной части (так называемой желточной пробкой). Новая полость, вначале небольшая, возникшая в результате инвагинации (гастроцель), деформирует бластоцель. Разрастание гастроцели приводит к дальнейшей деформации и уменьшению полости бластоцеля, так как через губы бластопора подворачивается и перемешается материал анимального полушария зародыша, который разрастается по внутренней поверхности крыши бластулы. При этом через область дорсальной губы бластопора перемещается материал прехордальной пластинки, часть клеток которого включается в состав энтодермы головной части будущей кишки. Другая часть клеток становится источником развития материала ларвальных сегментов. Далее мигрирует материал хорды, который располагается по центральной части зародыша под будущей нервной трубкой.
Таким образом, в процессе гаструляции клетки крыши бластулы как бы «натягиваются» и обрастают дно бластулы. Подворачиваясь в области бластопора, они мигрируют внутрь зародыша, формируя его многослойное строение. Истонченная часть крыши бластулы составляет эктодерму. Материал, который подвернулся и разросся по внутренней поверхности крыши бластулы, составляет хордо-мезодермальный плащ, а клетки дна бластулы — энтодерму. В конце гаструляции бластопор постепенно уменьшается, и от него остается лишь небольшое углубление — проктодеум — место, где в последующем сформируется отверстие клоаки.
2.3. Развитие рыб.
У рыб яйцеклетка поли- или резко телолецитальная. Она содержит много желтка. Дробление зиготы вследствие большого объема питательного материала неполное, неравномерное, дискоидальное. Процесс дробления затрагивает лишь небольшую — анимальную — часть зиготы. Меридианальные, широтные и тангенциальные борозды дробления приводят к образованию нового вида бластулы — многослойной дискобластулы. Бластоцелем в этом случае является небольшая полость между бластодиском и желтком. Сам бластодиск является крышей и краевой зоной, а нераздробившийся желток — дном бластулы. Бластодиск расщепляется с образованием наружного (элибласта) и внутреннего (гипобласта) листков. Этот процесс называется деламинацией. Типичный бластопор при этом не возникает. Клетки будущей хорды и мезодермы распространяются между эпибластом и гипобластом путем инвагинации. Так возникает трехслойный зародыш. Наружный листок — это эктодерма, средний — мезодерма, внутренний — энтодерма.
2.4. Развитие птиц.
Яйцеклетка у птиц богата желтком — полилецитальная.
Дробление зиготы птиц неполное, неравномерное, частичное, дискоидальное, так как дробится всего 1/500 часть зиготы на анимальном полюсе. Первые три борозды дробления — радиальные, затем появляются широтные и тангенциальные полосы. При дроблении возникают бластомеры различной величины, и в конечном итоге формируется многослойная дискобластула, распластанная на нераздробившемся желтке (рис. 3.6).
Периферическая зона дискобластулы называется перибластом, а центральная — зародышевым диском (бластодиском). При увеличении числа клеток в бластодиске до 100 бластомеров часть желтка под бластодиском разжижается и образуется подзародышевая полость. Морфологически, если рассматривать бластодиск сверху, можно заметить, что его периферическая часть более темная, чем центральная. Это объясняется большей толщиной периферии бластодиска. Таким образом, различают светлую центральную часть (area pellucida) и темную периферическую часть (area ораса) бластодиска. К моменту откладки яйца зародыш находится в первой фазе гаструляции. Морфологически это проявляется обособлением внезародышевой энтодермы путем деламинации зародышевого диска и возникновением двухслойного зародыша. Так, в зародышевом диске возникают две части: эпибласт — наружная и гипобласт — внутренняя.
Рис. 3.6. Дискобластула курицы: 1- зародышевый диск; 2 – узкая бластоцель; 3 – нераздробившийся желток.
Наиболее важные морфогенетические процессы развертываются в эпибласте (в пределах центральной части area pellucida), который в последние годы считается источником развития всех трех зародышевых листков. Здесь возникают клеточные потоки вследствие асинхронного дробления клеток и их направленного перемещения. Схема движения клеточных потоков выглядит следующим образом: клетки латеральных частей эпибласта (зародышевого щитка) перемещаются в хвостовую часть зародыша и, встречаясь здесь, продвигаются далее по средней линии эпибласта к головному концу. и клеточный поток принимает вид первичной полоски. Второй поток клеток (более медленный) распространяется со стороны головного конца зародыша и направляется по средней части эпибласта навстречу первому потоку. Место встречи двух потоков обозначается как гензеновский, или первичный, узелок — важнейший морфологический маркер развивающегося зародыша. Передняя часть гензеновского узелка рассматривается как гомолог дорсальной губы бластопора у выше изученных представителей животных. В свою очередь, первичная полоска рассматривается гомологом латеральных губ бластопора. На вершине гензеновского узелка появляется углубление — первичная ямка, а по средней линии первичной полоски — первичная бороздка, как продолжение первичной ямки. Обе эти структуры рассматриваются как гомологи бластопора и все описанные структуры хорошо выявляются на фиксированных препаратах.
2.5. Развитие млекопитающих.
2.5.1. Развитие низших млекопитающих.
В развитии низших млекопитающих (однопроходных и сумчатых) можно проследить различные стадии перехода от полилецитальных, дискоидальных дробящихся яиц рептилий к алецитальным, голобластическим яйцам высших (плацентарных) млекопитающих.
У однопроходных (ехидна, утконос) яйца богаты желтком, и дробление у них дискоидальное. В процессе гаструляции происходит перемещение клеток — иммиграция.
Первые миграционные явления наблюдаются в области, гомологичной дорсальной губе бластопора (в области переднего края гензеновского узелка). Эти клетки, подворачиваясь, проходят через ямку и распространяются в направлении головного конца зародыша, формируя головной отросток, — хорду (нотохорд). В свою очередь, хорда индуцирует раннюю детерминацию клеток нервной пластинки в составе эпибласта. Одновременно с материалом хорды из противоположного края гензеновского узелка и передней части первичной полоски в иммиграцию вовлекаются новые клетки, однако последние включаются в состав гипобласта головной части зародыша. При этом происходит деформация гензеновского узелка и укорочение первичной полоски. Клетки оставшейся части первичной полоски представляют собой материал сомато- и спланхномезодермы. Эти клетки приходят в движение и мигрируют внутрь вдоль первичной полоски, распространяясь над гипобластом по бокам от удлиняющейся хорды.
Таким образом, в результате гаструляции путем иммиграции из эпибласта выселяются материал хорды, прехордальной пластинки, мезодермы, что сопровождается деформацией, укорочением и исчезновением гензеновского узелка и первичной полоски. Оставшийся материал эпибласта представляет собой эктодерму, который в своем составе содержит клетки будущей нервной трубки. Хорда индуцирует развитие нервного желобка, сворачивающегося затем в трубку и погружающегося под эктодерму. Клеточный материал, который является источником развития хорды, располагается в области передней части гензеновского узелка (у низших позвоночных — в области дорсальной губы бластопора) и благодаря свойству индуцировать развитие нервной системы назван первичным. организатором.
2.5.2. Развитие высших млекопитающих (плацентарных).
Органом, осуществляющим связь зародыша высших млекопитающих с материнским организмом, является плацента. Вследствие того, что в эмбриогенезе млекопитающих отпадает необходимость накопления питательного материала в яйце, возникает небольшая, диаметром 100—200 мкм вторично изолецитальная и олиголецитальная яйцеклетка.
Дробление зиготы полное, неравномерное, асинхронное, в результате чего вначале возникает скопление бластомеров в виде тутовой ягоды — морулы, или плотного шарика (рис. 3.7). Последующее дробление приводит к возникновению зародыша с полостью — бластоцисты. В бластоцисте выделяются две части — внутренняя клеточная масса, или эмбриобласт, и наружный слой клеток — трофобласт (рис. 3.8).
Клетки трофобласта способны секретировать жидкость в полость бластоцисты и взаимодействовать со слизистой оболочкой матки, участвуя в имплантации зародыша.
Рис. 3.7. Микрофотография живого яйца обезьяны в процессе дробления.
А. Стадия двух клеток – примерно 29,5 ч после овуляции. Б. Стадия трех клеток – примерно 36,5 ч после овуляции. В. Стадия четырех клеток – примерно 37,5 ч после овуляции. Г. Стадия пяти клеток – примерно 48,5 ч после овуляции. Д. Стадия шести клеток – примерно 49 ч после овуляции. Е. Стадия восьми клеток – примерно 50 ч после овуляции.
Следовательно, у млекопитающих в период дробления происходит раннее обособление клеток, образующих внезародышевые структуры. Это трактуется как эволюционное приобретение, связанное с внутриутробным способом развития млекопитающих. Например, у приматов в течение первых трех суток после оплодотворения зародыш продвигается по маточной трубе и к концу 4 сут имеет хорошо развитый трофобласт. Через 5 сут зародыш попадает в матку, и на 6—7-е сутки происходит его имплантация. В клетках трофобласта накапливаются протеолитические ферменты, а в клетках эпителия матки созревают рецепторы, обеспечивающие прикрепление зародыша к стенке матки. Имплантация совершается в течение 2 сут. и включает две фазы: прилипание (адгезия) и проникновение (инвазия).
Гаструляция млекопитающих, как и у всех позвоночных, протекает в две фазы и заканчивается образованием трех зародышевых листков, комплекса осевых зачатков органов и внезародышевых органов (амниона, хориона, желточного мешка, аллантоиса). Ранняя гаструляция осуществляется путем деламинации и протекает одновременно с имплантацией. Поздняя гаструляция осуществляется путем миграции и частичной инвагинации. Сам зародыш развивается из зародышевого щитка, подобно развитию зародыша у низших амниот (проходя через стадии первичной полоски, первичной бороздки с гензеновским узелком и т.д.).
Рис. 3.8.Стадии образования бластоцисты у зародыша свиней.
А – зародыш через 114 ч после оплодотворения; Б – спустя 145,7 ч после оплодотворения; В – спустя 1643 ч после оплодотворения.
1 – блестящая оболочка; 2 – эмбриобласт (внутренняя клеточная масса); 3 – бластоцель; 4 – трофобласт.