ЭМБРИОЛОГИЯ
ОСНОВЫ ЭМБРИОЛОГИИ
СВЯЗЬ ИНДИВИДУАЛЬНОГО И ИСТОРИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМА
Эмбриология (от греч. embryon — зародыш, logos— учение) — наука о зародыше, о закономерностях его развития.
Медицинская эмбриология изучает закономерности развития зародыша человека, структурные, метаболические и функциональные особенности плацентарного барьера (система мать — плацента — плод), причины возникновения уродств и других отклонений от нормы, а также механизмы регуляции эмбриогенеза. Пути и методы влияния на эмбриогенез исследуются главным образом в условиях эксперимента на животных, а также в клинических условиях при патологии беременности. Одним из актуальных аспектов современной эмбриологии является изучение источников и механизмов развития тканей (гистогенез).
В понятие эмбриогенеза включают период от момента оплодотворения до рождения (для живородящих животных), вылупле-ния из яиц (для яйцекладущих), окончания метаморфоза (для животных с личиночной стадией развития).
Эмбриогенез— часть индивидуального развития, т. е. онтогенеза. Он тесно связан с прогенезом (развитие и созревание половых клеток) и ранним постэмбриональным периодом.
Актуальными задачами эмбриологии являются изучение влияния различных эндогенных и экзогенных факторов, роли микроокружения на развитие и строение половых клеток, развитие и взаимоотношение тканей, органов и систем, исследование механизмов, контролирующих репродуктивную функцию и обеспечивающих гомеостаз зародышей человека и млекопитающих, и других факторов, изучение критических периодов развития. Частным, но очень важным вопросом современной эмбриологии является культивирование яйцеклеток, зародышей и имплантация их в матку. Знание условий и факторов оплодотворения и эмбрионального развития позволяет врачам решать такие практически важные проблемы, как искусственное оплодотворение женщин при бесплодных браках, цитодиагностика патологии беременности и др.
Изучению эмбриогенеза человека предшествует краткое изложение основ сравнительной эмбриологии, так как в ходе исторического развития млекопитающих сложились основные этапы, последовательность и закономерности эмбриогенеза.
Процесс эмбрионального развития человека является результатом длительной эволюции и в определенной степени отражает черты развития других форм животного мира. Некоторые ранние стадии развития человека очень сходны с аналогичными стадиями эмбриогенеза более низко организованных хордовых животных.
Идея связи индивидуального и исторического развития была обоснована в начале XIX столетия. В частности, К. Бэр, изучая в сравнительном аспекте развитие некоторых позвоночных, пришел к заключению, что у большой группы животных на ранних стадиях развития проявляется больше сходства, чем частных, индивидуальных различий. По мере увеличения сроков эмбрионального развития это частное, индивидуальное вырисовывается все более отчетливо (закон зародышевого сходства). Ф. Мюллер, изучая развитие личиночных стадий ракообразных, также обнаружил сходство некоторых личиночных форм с вымершими ракообразными. Ч. Дарвин, придавая большое значение явлениям зародышевого сходства, считал это одним из доказательств общности происхождения животного мира.
В конце 60-х годов XIX столетия Э. Геккель сформулировал биогенетический закон, согласно которому индивидуальное развитие зародыша есть сжатое, сокращенное повторение исторического развития, иначе онтогенез повторяет в краткой форме филогенез. Идея биогенетического закона сыграла большую роль в развитии не только эмбриологии, но и эволюционного учения. Вместе с тем формулировка биогенетического закона не отражает влияние факторов окружающей среды, экологических условий, которые имеются в действительности и оказывают влияние на эмбриогенез. А. Н. Северцов, продолживший в 20—30-е годы XX столетия разработку биогенетического закона, пришел к заключению, что эволюционный процесс совершается не путем накопления изменений признаков взрослых животных, как считали Ч. Дарвин и Э. Геккель, а путем суммирования изменений, появляющихся у зародышей (теория филэмбриогенеза). Биологически важная перемена в условиях существования (среда) данного вида животных согласно воззрениям А. Н. Северцова, является стимулом к изменению его организации; характер же изменения среды, количественное и качественное соотношение между изменением среды и морфофункциональными изменениями организма определяет направление, в котором будет происходить эволюция изменяющегося вида в данную эпоху.
ОСНОВЫ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ЭМБРИОЛОГИИ Прогенез
Половые клетки (гаметы)
Зрелые половые клетки в отличие от соматических содержат одиночный (гаплоидный) набор хромосом. Все хромосомы гаметы, за исключением одной половой, называются аутосомами. В муж-
ских половых клетках у млекопитающих содержатся половые хромосомы либо X, либо Y, в женских половых клетках — только хромосома X. Дифференцированные гаметы обладают невысоким уровнем метаболизма и неспособны к размножению.
Мужские половые клетки
Мужские половые клетки — сперматозоиды, или спермин, развиваются в очень большом количестве: выделяющаяся при эякуляции семенная жидкость содержит несколько миллионов сперматозоидов. Они невелики по размерам. У человека их размер достигает 70 мкм. Сперматозоиды обладают способностью к активному движению. Скорость их движения у человека 30— 50 мкм/с. Мужские половые клетки имеют жгутиковую форму.
Строение. В сперматозоиде различают головку и хвост (рис. 23). Головка сперматозоида (caput spermatozoidi) включает небольшое плотное ядро, окруженное тонким слоем цитоплазмы. Ядра сперматозоидов характеризуются высоким содержанием нуклеопрота-минов и нуклеогистонов. Передняя половина ядра покрыта плоским мешочком, составляющим "чехлик" сперматозоида. В нем у переднего полюса располагается акросома (от греч. acron — верхушка, soma—тело). Чехлик и акросома являются производными комплекса Гольджи. Акросома содержит набор ферментов, среди которых важное место принадлежит гиалуронидазе и про-теазам, способным растворять оболочки, покрывающие яйцеклетку. Важно отметить, что у высших позвоночных способность к оплодотворению (явление капацитации сперматозоидов) приобретается постепенно, по мере их продвижения по репродуктивному женскому тракту.
За головкой имеется кольцевидное сужение. Головка так же, как и хвостовой отдел, покрыта клеточной мембраной.
Хвостовой отдел (flagellum) сперматозоида состоит из связующих, промежуточных, главной и терминальной частей.
В связующей части (pars conjungens) или шейке (cervix) располагаются центриоли — проксимальная и дистальная, от которой начинается осевая нить (ахопета). Промежуточная часть (pars intermedia) содержит 2 центральных и 9 пар периферических микротрубочек', окруженных расположенными по спирали митохондриями (митохондриальное влагалище — vagina mitochond-rialis). Именно митохондрии обеспечивают энергией двигательную активность сперматозоидов, нарушение которой нередко связано с поражением процесса энергообразования в митохондриях. Движения хвостового жгутика бичеобразны. Они обусловлены последовательным изменением белков микротрубочек (динеин и др.). Эти белки обладают АТФ-азной активностью и расщепляют АТФ,
У многих животных между центральными и периферическими микротрубочками имеется еще 9 одиночных фибрилл.
М
Рис. 23. Строение мужских половых клеток.
А -- спермин в двух плоскостях; Б — ультрамикроскопическое строение спермиев; В — фрагмент главного отдела хвоста: Г —' фрагмент дистального отдела хвоста. / _ головка: // — хвост; а — связующий отдел (шейка): б—промежуточный отдел; а— главный отдел; г — дистальный отдел; / — цитолемма; 2 — акросома; 2а — акросо-мальный пузырек; } — ядро; 4 - прокси-мальная центриоль; S — дистальная цент-риоль; и — митохондрии; 7 — осевая нить: S — циркулярные фибриллы; 9 — периферические микротрубочки: 10 — центральные микротрубочки.
вырабатываемую митохондриями. Освобождаемая при этом энергия используется для сокращения белков и обеспечения подвижности спермиев в жидкой среде. Среди факторов, влияющих на скорость движения, большое значение имеют степень зрелости спермиев, температура и рН среды.
Главная часть (pars principalis) по строению напоминает ресничку. Окружена тонкофибриллярным влагалищем (vagina tibrosa). Терминальная, или конечная, часть (pars terminalis) содержит единичные сократительные филаменты.
Сперматозоиды животных отличаются друг от друга соотношением указанных отделов и главным образом формой головки. Продолжительность жизни и оплодотворяющая способность сперматозоидов после эякуляции в определенных оптимальных условиях неодинаковы у различных животных. У млекопитающих они варьируют от нескольких часов до нескольких суток. В кислой
среде сперматозоиды быстро утрачивают способность к движению, оплодотворению и склеиваются. Способность к оплодотворению зависит также от концентрации сперматозоидов в семенной жидкости, продолжительности их пребывания в эякуляте и др.
Женские половые клетки. Классификация
Яйцеклетки, или овоциты (от лат. ovum — яйцо), созревают в неизмеримо меньшем количестве, чем сперматозоиды. Для некоторых млекопитающих количество созревающих в течение всей жизни яйцеклеток исчисляется сотнями. У других позвоночных их может быть гораздо больше (например, у рыб и амфибий). Как правило, яйцеклетки имеют шаровидную форму, больший объем цитоплазмы, чем у спермиев, они не обладают способностью самостоятельно передвигаться.
Характерным для яйцеклеток является наличие желтка (lecithos) (белково-липидных включений) в цитоплазме. В зависимости от количества желтка размеры яйцеклеток колеблются от нескольких микрометров до нескольких сантиметров (например, яйцеклетки птиц, акуловых рыб). Яйцеклетки классифицируют на безжелтковые (алецитальные), маложелтковые (олиголеци-тальные) и многожелтковые (полилецитальные). Маложелтковые яйцеклетки подразделяются на первичные (у примитивных хордовых, например ланцетника) и в торичн ы е (у млекопитающих и человека). Количество желтка в цитоплазме находится в прямой зависимости от условий развития животного (во внешней или внутренней среде) и продолжительности развития во внешней среде (рис. 24).
Как правило, в маложелтковых яйцеклетках желточные включения (гранулы, пластинки) распределены равномерно, поэтому они называются еще изолецитальными (греч. isos—равный). У большинства полилецитальных яйцеклеток желток в большей или меньшей степени сосредоточен у одного полюса (вегетативного), а орга-неллы—у противоположного (анимального). Такие яйцеклетки называются телолецитальными (греч. thelos—конец), а если желдгок находится в центре клетки — центролецитальными. Среди телолецитальных различают умеренно телолецитальные — мезо-лецитальные (например, у амфибий) и резко телолецитальные (например, у птиц).
У животных, ведущих наземное существование, организация яйцеклеток сложная. В частности, у пресмыкающихся и птиц яйцеклетки резко телолецитальны. Размеры яйцеклетки большие. Наземное развитие привело к возникновению вторичных и третичных оболочек, предохраняющих яйцеклетку от повреждающего действия механических, температурных и других факторов окружающей среды (пресмыкающиеся, птицы).
У плацентарных млекопитающих в связи с внутриутробным развитием и питанием за счет материнского организма отпала необходимость создания сколько-нибудь значительных запасов желтка
Рис. 24. Строение женских половых клеток. А — различные типы яйцеклеток: я — первично изолецитальная у ланцетника; б — умеренно телолецитальная у лягушки; в — резко телолецитальная у птицы; г — вторично изолеци-талькая у человека; 7 — ядро; 2 — цитоплазма; 3 — желточные зерна; 4 — желточные пластинки (масштаб не соблюден). Б—схема микроскопического (а) и ультрамикроскопического (б) строения яйцеклетки: 1 — ядро; 2 — цитоплазма с желточными включениями; 3 — кортикальные гранулы; 4 — цитолемма; 5 — микроворсинки цитолеммы; 6 — блестящая оболочка; 7 — фолликулярные клетки с отростками, формирующими лучистый венец.
в яйцеклетке. Поэтому вторично в эволюции появились маложелтковые яйцеклетки. Исключением являются яйцеклетки представителей примитивных млекопитающих (клоачные, отчасти сумчатые). Эти животные сохраняют многие черты своих предков — пресмыкающихся, в том числе и резко телолецитальные яйцеклетки. Яйцеклетка плацентарных млекопитающих относительно небольшая, диаметром 50—150 мкм, окружена прозрачной зоной (zona pellucida) и слоем фолликулярных клеток, принимающих участие в ее питании (см. рис. 24).
Строение. Яйцеклетка содержит ядро, цитоплазму (ооплазму), включающую в том или ином количестве питательный материал —
желток и оболочки. Все яйцеклетки имеют цитолемму (оволем-му), или первичную оболочку, а многие еще окружены вторичной (углеводно-белковой) и некоторые — третичной (скорлуповой, подскорлуповой) оболочками. Строение яйцеклеток характеризуется полярностью, которая выражена тем сильнее, чем больше желтка в клетке, например, у птиц. Та часть яйцеклетки, в которой накапливается желток, составляет вегетативный полюс, а противоположная, куда смещается ядро, — анимальный. Поверхность яйцеклетки покрыта микроворсинками.
Ядро женской половой клетки имеет гаплоидный набор хромосом. В период роста ооцита в ядре происходят интенсивные синтетические процессы амплификации генов синтеза РНК — образование многочисленных копий с тех участков хромосомной ДНК, которые кодируют рибосомную РНК. Копии ДНК замыкаются в кольца и смещаются к периферии ядра. На них возникают новые копии ДНК, которые в виде ядрышек выходят в цитоплазму, где становятся центрами усиленного синтеза рРНК и иРНК. Большая часть копий ДНК оказывается заблокированной белковыми молекулами (информосомы) до наступления оплодотворения.
Особенностью ооцитов является накопление огромных запасов химических компонентов аппарата трансляции: рибосом, иРНК, тРНК, количество которых в сотни и тысячи раз может превысить содержание их в соматических клетках. В цитоплазме яйцеклеток накапливаются также запасы разнообразных белков: гистонов, структурных белков рибосом, тубулина, липофосфопро-теидов желтка.
Среди органелл в яйцеклетках разных животных хорошо развита эндоплазматическая сеть. Количество митохондрий умеренно. Комплекс Гольджи на ранних стадиях развития яйцеклетки располагается около ядра, а в ходе созревания яйцеклетки смещается на периферию цитоплазмы. Здесь располагаются небольшие кортикальные гранулы (granula corticalia), содержащие гликозаминогли-каны. В цитоплазме яйцеклеток млекопитающих постоянно выявляются мультивезикулярные тельца. Из включений ооплазмы особого внимания заслуживает желток — питательный материал, во многом определяющий характер эмбриогенеза. Желток выявляется в виде гранул или более крупных шаров и пластинок, образованных фосфолипидами, протеинами и углеводами. Структурной единицей желтка является комплекс липовителлина (липопротеида) и фос-фовитина (фосфопротеина). Каждая пластинка состоит из более плотной центральной и более рыхлой периферической зон, снаружи ограничена осмиофильной мембраной. Плотная зона образована молекулами фосфовитина, имеет вид кристаллической решетки. Образуется желток при непосредственном участии эндоплазматиче-ской сети и комплекса Гольджи.
В процессе роста и созревания яйцеклеток в яичнике они окружаются слоем плоских или кубических клеток, называемых фолликулярными. За счет деятельности ооцита и фолликулярных клеток вокруг яйцеклетки образуется зона, богатая гликозаминогликанами.
У млекопитающих она называется прозрачной зоной (zona pellu-cida).
Фолликулярные клетки посылают через прозрачную зону длинные отростки, направленные к ооциту. В свою очередь цитолемма ооцита имеет микроворсинки, располагающиеся между отростками фолликулярных клеток (см. рис. 24, Б). Фолликулярные клетки выделяют вещества, которые поглощаются яйцеклеткой и способствуют ее росту. Фолликулярный эпителий выполняет также защитную функцию.
Эмбриогенез
Развитие зародыша происходит стадийно с постепенными качественными и количественными изменениями. Различают следующие стадии: оплодотворе ни е, дробление и образование бластулы, гаструляция и д ифференцировк а зародышевых листков с образованием зачатков тканей (г и с-т о гене з), органов (органогенез) и систем органов (с и стемогене з) плода.
Оплодотворение
Оплодотворение (fertilisatio) — слияние мужской и женской половых клеток, в результате чего восстанавливается диплоид-ный набор хромосом, характерный для данного вида животных, и возникает качественно новая клетка — зигота (оплодотворенная яйцеклетка или одноклеточный зародыш).
В зиготе масса ядра увеличивается вдвое, а объем цитоплазмы практически остается тот же, особенно при оплодотворении телоцитальных яйцеклеток. Оплодотворению предшествует о с е-менение— излияние семенной жидкости в половые пути при внутреннем оплодотворении или в среду, где находятся яйцеклетки, при наружном оплодотворении.
В процессе оплодотворения различают три фазы: 1) дистант-ное взаимодействие и сближение гамет; 2) контактное взаимодействие и активизация яйцеклетки; 3) вхождение сперматозоида в яйцо и последующее слияние — сингамия.
Первая фаза— дистантное взаимодействие — обеспечивается совокупностью ряда неспецифических факторов, повышающих вероятность столкновения половых клеток. Важную роль в этом играют химические вещества, вырабатываемые половыми клетками, — гамоны: гиногамоны (1, II), вырабатываемые яйцеклетками и андрогамоны (1, II), продуцируемые спермиями. Гиногамоны 1 (низкомолекулярные вещества небелковой природы, выделяемые яйцеклетками, активизируют движение спермиев. Гиногамоны II (фертилизины) — видоспецифические белки, вызывающие склеивание спермиев при их реакции с комплементарным андрогамоном II, встроенным в цитолему спермия. Склеивание
спермиев предохраняет яйцеклетку от проникновения многих спермиев.
Андрогамоны 1 — антагонисты гиногамонов 1 — вещества небелковой природы, подавляют подвижность спермиев.
Вторая фаза— контактное взаимодействие гамет и проникновение спермия в яйцеклетку — осуществляется с помощью акросомы и ее ферментов спермолизинов. Плазматические мембраны в месте контакта половых клеток сливаются и происходит плазмогамия — объединение цитоплазм обеих гамет.
У млекопитающих при оплодотворении в яйцеклетку проникает лишь один сперматозоид. Такое явление называют моноспер-мией. У беспозвоночных животных, рыб, хвостатых амфибий, рептилий и птиц возможна полиспермия, когда в яйцеклетку проникает несколько сперматозоидов, однако сливается с ядром яйцеклетки ядро только одного спермия. Оплодотворению способствуют тысячи других принимающих участие в осеменении сперматозоидов. Ферменты, выделяемые из акросом, — спермолизины (трипсин, гиалуронидаза), разрушают лучистый венец, расщепляют гликозаминогликаны вторичной (блестящей) оболочки яйцеклетки. Отделяющиеся фолликулярные клетки склеиваются в конгломерат, который вслед за яйцеклеткой перемещается по трубе благодаря мерцанию ресничек эпителиальных клеток слизистой оболочки.
Третья фаза. В ооплазму проникает головка и промежуточная часть хвостового отдела. После вхождения сперматозоида на периферии ооплазмы происходит уплотнение ее (кортикальная реакция) и образуется оболочка оплодотворения (рис. 25).
Как показано на беспозвоночных, механизм кортикальной реакции включает: приток ионов натрия через участок мембраны сперматозоида, встроенный в поверхность яйцеклетки после завершения акросомальной реакции. В результате отрицательный мембранный потенциал клетки становится слабоположительным. Приток ионов натрия обусловливает высвобождение ионов кальция из внутриклеточных депо и увеличение его содержания в цитоплазме яйцеклетки. Вслед за этим начинается экзоцитоз кортикальных гранул. Освобождающиеся из них протеолитические ферменты разрывают связи между блестящей оболочкой (или желточной оболочки у амфибий и птиц) и плазмолеммой яйцеклетки, а также между спермиями и прозрачной оболочкой. Кроме того, выделяется гликопротеид, связывающий воду и привлекающий ее в пространство между плазмолеммой и блестящей оболочкой. Вследствие этого формируется перивителлиновое пространство. Наконец, выделяется фактор, способствующий затвердению прозрачной оболочки и образованию из нее оболочки оплодотворения ("membrana fertilisationis).
Кортикальная реакция — один из механизмов, препятствующий проникновению в яйцеклетку других сперматозоидов. Проникновение сперматозоида через несколько минут значи-
тельно усиливает процессы внутриклеточного обмена, что связано с активизацией ферментативных систем яйцеклетки, в частности окислительно-восстановительных, а позднее — белковых синтезов.
Зигота. Ооплазматическая сегрегация. Образование мужского и женского пронуклеусов
Вслед за проникновением спермия в яйцеклетку и усилением окислительно-восстановительных реакций начинается интенсивное перемещение составных частей цитоплазмы (ооплазмы) с образованием зон повышенной концентрации желточных и пигментных гранул, органелл, что носит название о о плазмат и-ческой сегрегации. Методом маркировки установлено, что в ходе дальнейшего развития каждый участок оплодотворенной яйцеклетки даст начало определенной структуре зародыша.
04
Такие участки называются презумптивными (от лат. praesumptio — предположение, основанное на вероятности).
Попавшая в яйцеклетку головка спермия поворачивается на 180°, ядро постепенно набухает, округляется, хроматин разрыхляется и оно превращается в мужской пронуклеус. Центриоли, внесенные мужской половой клеткой, становятся при этом центром движения внутри оплодотворенной яйцеклетки (зиготы).
Ядро женской половой клетки, имеющее также гаплоидный набор хромосом, набухает, превращается в женский пронуклеус. Пронуклеусы сближаются. При этом в них происходит реплика-ция ДНК. В конце сближения происходит спирализация хромосом, образование метафазной пластинки из двух гаплоидных про-нуклеусов. Объединение двух пронуклеусов —синкарион (от греч. sin — связь, karyon — ядро) — приводит к восстановлению характерного для данной особи животного или человека диплоидного набора хромосом. Таким образом, зигота приобретает гены, унаследованные от обоих родителей. В реализации наследственной информации, кроме ядер, половых клеток, важная роль принадлежит цитоплазме клетки. Об этом свидетельствуют эксперименты с пересадкой ядер соматических клеток в яйцеклетку. При этом пол развивающегося организма зависит от половых хромосом. При слиянии яйцеклетки со сперматозоидом, несущим хромосому X, образуется женская особь, а при слиянии со сперматозоидом, имеющим хромосому Y, — мужская особь.
Дробление
Дробление (fissio) — последовательное митотическое деление зиготы на клетки (бластомеры) бс? последующего роста их до размеров материнской.
Вследствие фактического отсутствия интерфазы g[-периода, во время которого происходит рост клеток, образовавшиеся в результате деления клетки гораздо меньше материнской, поэтому и величина зародыша в целом в этот период независимо от составляющих его клеток не превышает величину исходной клетки — зиготы. Все это позволило назвать описываемый процесс дроблением, измельчением, а клетки, образующиеся в результате дробления, — бластомерами (от греч. blastos — зачаток, meros — часть).
На ранних стадиях все бластомеры сохраняют способность к развитию при определенных условиях в самостоятельный организм, или, как принято говорить, они тотипотентны. Дробление (уменьшение размеров бластомеров) продолжается до тех пор, пока не восстановится характерное для соматических клеток данного вида животного соотношение ядра и цитоплазмы. После этого наступает дерепрессия синтеза белка, и каждая дочерняя клетка увеличивается до размеров материнской. Дробление зародыша происходит неодинаково у различных
9S
позвоночных, что определяется прежде всего количеством и характером распределения желтка в яйцеклетке.
Существует определенный строгий порядок появления борозд дробления. Борозды и плоскости попеременно проходят через анимальный и вегетативный полюса клетки (меридианное направление), поперечно (широтные) или параллельно поверхности (тангенциальные). Чем больше желтка в яйцеклетке у различных видов животных, тем менее полно и менее равномерно происходит дробление (рис. 26).
Первично олиголецитальные изолецитальные яйцеклетки дробятся полно и равномерно. В мезолецитальных яйцеклетках дробление полное, но неравномерное, так как в вегетативной части, где сосредоточен желток, дробление происходит медленнее, чем на анимальном полюсе, и неполно. В резко телолецитальных яйцеклетках дробление частичное — меробластическое. Например, у птиц дробится лишь часть яйцеклетки у анимального полюса'. Для вторично олиголецитальных, изолецитальных яйцеклеток плацентарных млекопитающих и человека характерно полное, или г о лобластическо е, асинхронное, неравномерное дробление. Дробление происходит во время движения зиготы по яйцеводу, причем количество бластомеров нарастает в неправильном и притом у различных животных неодинаковом порядке (2, 3, 5, 10, 13, 17 и т. д.). В результате дробления образуется многоклеточный зародыш, сначала в форме плотного скопления клеток (мору ла), а затем в виде пузырька с небольшой полостью—бластоциста (бластула) (см. рис. 26).
Дробление зародышей требует соблюдения оптимальных условий среды (химический состав, осмотическое давление, температура, содержание кислорода и др.) Зародыши обладают высокой чувствительностью к химическим, физическим и другим повреждающим факторам, которые могут привести к мутациям.
Бластула ("blastula) имеет стенку — бластодерму и полость — бластоцель, заполненную жидкостью — продуктом секреции бластомеров. В бластодерме различают крышу, образовавшуюся за счет раздробившегося материала анимального полюса, дно — из материала вегетативного полюса и краевую зону, расположенную между ними.
При полном равномерном дроблении (например, ланцетника) бластула имеет однослойную бластодерму, а бластоцель находится в центре. Такая бластула называется целобластулой. В результате полного неравномерного дробления (минога, лягушка) образуется бластула с многослойной бластодермой и эксцентрично расположенным бластоцелем — амфибластула. Крыша такой бластулы, состоящая из мелких бластомеров, сравнительно тонкая,
' Дробление центролецитальных яйцеклеток (у беспозвоночных) меробластическое, поверхностное. Оно заканчивается образованием периблистум, т. е. бластулой с бластомерами, расположенными по всей поверхности, окружающими неразделенный желток.
а дно, образованное крупными перегруженными желтком бласто-мерами, массивное.
Дискобластула пресмыкающихся и птиц представляет собой зародышевый диск, распластанный на желтке. Зародышевый диск, образованный бластомерами, соответствует крыше и краевой зоне целобластулы, желток — дну бластулы, а узкая щель между ними — бластоцелю.
У млекопитающих в результате полного и асинхронного дробления образуется зародышевый пузырек, называемый бластоцис-той (от греч. blastos — зачаток, kystis — пузырь). В нем различают стенку — трофобласт (от греч. trophe — пища) и небольшое скопление бластомеров в виде узелка на внутренней поверхности тро-фобласта — эмбриобласт. На этой стадии развития зародыш млекопитающих соответствует стадии бластулы других животных, но не гомологичен ей, так как стенка бластоцисты в построении тела зародыша участия не принимает.
Гаструляция. Образование осевых зачатков органов
Гаструляция (от лат. gasier - желудок) — сложный процесс химических и морфогенетических изменений, сопровождающийся размножением, ростом, направленным перемещением и дифферен-цировкой k.ictok. в результате чего образуются зародыше дые листки: наружный (эктодерма), средний (мезодерма) и внутренний (энтодерма) —-источники зачатков тканей и органов.
В начале гаструляции образуются наружный и внутренний зародышевые листки (ранняя гаструляция), а затем (поздняя гаструляция) хордомезодермальный зачаток. Зародышевые листки располагаются послойно: снаружи — эктодерма, изнутри — энтодерма, между ними — хорда и мезодерма. В ходе эмбриогенеза, начиная с этой стадии, помимо размножения и роста клеток, постепенно происходят их перемещение и д и ф-ференцировк а, представляющие разные стороны единого поступательного процесса, в результате которого формируется организм. На стадиях бластулы и ранней гаструлы можно маркировать клетки и проследить их последующее развитие.
Способы гаструляции. Гаструляция совершается 4 основными способами: путем иммиграции, инвагинации, эпи-болии и деламинаци и. В результате образуется гаструла (см. рис. 26). При иммиграции часть бластомеров стенки бластулы перемещается внутрь зародыша, образуя внутренний слой—энтодерму. Инвагинация, или впячивание (in— в, лат. vagina— влагалище), например у ланцетника, заключается в том, что часть стенки (дно) вдавливается внутрь бластулы. Эпиболия— обрастание (от греч. epibole — накладывание, набрасывание) быстро делящимися клетками одного участка стенки бластулы других участков, где темп дробления замед-
лен, например у амфибии. Это происходит в тех случаях, когда бластомеры вегетативной области перегружены желтком, медленно делятся и не могут инвагинироваться. При деламинаци и, или расщеплении (от лат. de—отделение, lamina—пластинка), например у птиц, бластомеры стенки бластулы (зародышевого щитка) делятся тангенциально, что приводит к образованию двух слоев клеток — первичной эктодермы — наружного и первичной энтодермы — внутреннего. У позвоночных имеется комбинация двух или трех из указанных путей, но с преобладанием какого-либо одного.
В гаструле ланцетника можно выделить первичный наружный зародышевый листок (эктодерма), который образовался из крыши бластулы. Он включает в себя закладки эктодермы и нервной пластинки; первичный внутренний зародышевый листок (энтодерма), образовавшийся из дна бластулы и включающий в себя закладки энтодермы, мезодермы и хорды; щелевидный бластоцель и новую полость — гастроцель, открывающуюся во внешнюю среду первичным ртом, или бластопором (от греч. blastos — зачаток, poros — отверстие). Первичный рот ограничен 4 губами: дорсальной, соответствующей спинной стороне зародыша, вентральной, или брюшной, и лежащими между ними боковыми губами. В состав губ бластопора входит клеточный материал краевой зоны бластулы. Далее зародыш растет в длину, причем губы бластопора постоянно сближаются.
Гаструляция у птиц с меробластическим типом дробления и дискоидальной бластулой включает два основных механизма — деламинацию и иммиграцию. В первой стадии гаструляции в результате деламинации образуются первичный наружный листок (эпибласт) и первичный внутренний листок (гипо-бшст) (рис. 27, 1, II). Эпибласт включает в себя зачатки нервной пластинки, мезодермы, и хорды.
Клетки гипобласта центральной части диска мелкие, содержат мало желточных включений. В будущем из них образуется зародышевая энтодерма (кишечная). Периферическая зона гипобласта представлена крупными перегруженными желтком клетками, формирующими внезародышевую энтодерму (желточную). Центральная часть диска (просвечивающая область) выглядит прозрачной: здесь выделяется еще овальное поле, занимающее ее центральную часть. Это зародышевый щиток, из которого возникает тело зародыша.
Во второй стадии гаструляции (иммиграция) материал с первичного наружного листка по краям зародышевого диска перемещается по направлению к заднему концу зародыша (см. рис. 27, //). В месте встречи двух клеточных потоков возникает вытянутое скопление клеток —- первичная полоска, которая на переднем конце заканчивается плотным первичным (головным) узелком. Кпереди от первичного узелка, располагаясь между внутренним и наружным зародышевыми листками, врастает клеточный тяж — хорда, а из области первичной полоски по сторонам ее — два ме-
зодермальных пласта. Таким образом, первичный узелок соответствует дорсальной губе, а первичная полоска — боковым губам бластопора. Образование нервной трубки и дифференцировка мезодермы совершаются так же, как и у других позвоночных. Таким образом, у птиц хордомезодермальный зачаток развивается вне связи с энтодермой (см. рис. 27, II; рис. 28). Сходные процессы имеют место у рыб и рептилий.
Описанные особенности гаструляции сохраняются и у млекопитающих. В бластоцисте, стенка которой образована трофоблас-том, прилегающая к нему изнутри группа клеток — эмбриобласт — уплощается и соответствует зародышевому щитку описанных животных. Путем деламинации из эмбриобласта образуются два
листка — наружный (эпабласт), обращенный к трофобласту, и внутренний (гипобласт), под которым находится жидкость полости бластоцисты. В наружном листке зародышевого щитка, как и у птиц, происходят перемещения материала, приводящие к образованию первичной полоски и первичного узелка, из которых в дальнейшем формируются соответственно мезодерма и хорда.
Факторы, вызывающие гаструляцию. Способы гаструляции зависят от предшествующих стадий развития и в конечном счете от степени накопления желтка в яйцеклетке. На примере животных с умеренно телолецитальными яйцеклетками видно, что т е м-п ы деления клеток (бластомеров) неодинаковы: на ани-мальном полюсе они выше, чем на вегетативном. На стадии бластулы краевая зона оказывается областью наиболее быстро размножающихся клеток, что приводит к созданию определенного
повышенного давления, а затем к наползанию клеток в области краевой зарубки на материал дна бластулы. При этом клетки крыши и краевых зон бластулы отличаются примерно в 4 раза более высоким уровнем метаболизма по сравнению с клетками дна. Этот дорсовентральный метаболический градиент определяет в дальнейшем дорсовентральный и краниокаудальный градиенты дифференцировки. Ускоренное размножение клеток боковых губ бластопора способствует образованию мезодермы и прорастанию ее в щель между экто- и энтодермой амфибий. Определенную роль в процессе гаструляции играет разность поверхностного натяжения клеток, при которой смещение одних клеток увлекает за собой другие. Состояние неодинакового поверхностного натяжения может поддерживаться а к-тивн ы ми амебоидн ы ми движениями клеток.
Несомненным является также индуктивный фактор. Так, если, маркировав каким-либо красителем клетки зародышевых листков, диссоциировать зародыш, а затем перенести в исходные условия, то клетки эктодермы выстраиваются в один пласт, а клетки энтодермы — в другой; между ними залегают клетки мезодермы. Согласно теории организационных центров, предложенной Г. Шпеманом, в определенных пунктах зародыша возникают организующие факторы (индукторы), которые оказывают индуцирующее влияние на другие участки зародыша, обусловливая их развитие в определенном направлении. Так, организатор, находящийся в дорсальной губе бластопора, индуцирует участок эктодермы, обусловливая его дифференцировку в нервную пластинку; это организатор 1-го порядка. В свою очередь в нервной пластинке возникает организатор 2-го порядка, который вызывает превращение участка самой нервной пластинки в глазной бокал и т. д. Опыты Г. Шпемана и X. Мангольд с пересадкой материала дорсальной губы от одного зародыша другому на вентральную сторону тела привели к появлению животного, у которого были две закладки хордомезодермы и две закладки нервной системы. В настоящее время выяснена химическая природа многих индуцирующих факторов (белки, нуклеопротеиды, стеро-иды и др.). Установлена роль межклеточных взаимодействий, осуществляемых с помощью щелевых контактов.