Лекция № 2. Гаметогенез и оплодотворение

Гаметогенез (прогенез) – это процесс образования половых клеток – гамет, их развития и созревания. Образование половых клеток начинается на ранних этапах эмбриогенеза задолго до образования половых желез – гонад. Первичные половые клетки – гоноциты – можно обнаружить среди энтодермальных клеток желтка или желточного мешка. Миграция гоноцитов из области желточного мешка к гонадам осуществляется по кровеносным сосудам у птиц или по дорсальной брыжейке у млекопитающих благодаря способности к амебоидному движению. Попав в гонады, гоноциты делятся митозом, и их количество значительно увеличивается. Одно из основных условий, необходимых для полового размножения у любого биологического вида, – это сохранение нормального числа хромосом, что достигается путем редукции числа хромосом в гаметах вдвое во время гаметогенеза и образование зрелых гамет с гаплоидным набором хромосом. С генетической точки зрения в мужских и женских половых клетках мейоз протекает приблизительно одинаково и включает два последовательных деления (рис. 1):

- первое деление созревания – редукционное, протекающее без интерфазы и синтеза ДНК. Ответственным этапом мейоза является профаза первого деления, в ходе которой хромосомы обмениваются гомологичными участками в процессе кроссинговера;

- второе деление созревания – эквационное – протекает как обычный митоз, но из-за отсутствия интерфазы клетки из телофазы первого деления мейоза переходят в профазу второго деления мейоза без удвоения содержания ДНК. В образующихся дочерних клетках расходятся хроматиды от каждой из метафазных хромосом, поэтому гаметы получают гаплоидный набор генетического материала.

Соответственно двум видам гамет различают овогенез и сперматогенез.

Сперматогенез у всех позвоночных протекает сходным образом и включает четыре фазы: размножения, роста, созревания и формирования (рис. 2).

В фазу размножения первичные половые клетки делятся митозом и образуют сперматогонии – стволовые (у млекопитающих они обозначаются как сперматогонии типа А), которые остаются в недифференцированном состоянии и способны к редкому митотическому делению. После каждого деления стволовые клетки изменяют свою величину и форму и становятся способными к регулярному и частому митотическому делению (полустволовые или сперматогонии типа В). После определенного для каждого вида животных количества делений сперматогонии вступают в период 1 первого деления созревания и становятся сперматоцитами первого порядка.

В фазу роста клетки увеличиваются в размерах приблизительно в четыре раза.

 

Рис. 1. Схематическое изображение стадий мейоза в половых клетках [6]

В фазе созревания каждый сперматоцит первого порядка проходит первое деление созревания, образуя два одинаковых сперматоцита второго порядка. Каждый из них при эквационном делении образует по две сперматиды, обладающие, как и зрелые клетки, гаплоидным числом хромосом. До стадии сперматиды мужские половые клетки связаны между собой цитоплазматическими мостиками, образуя ассоциации клеток.

Сперматиды теряют синцитиальные связи и вступают в фазу формирования, когда в результате сложных цитоплазматических преобразований, не сопровождающихся клеточным делением, дифференцированная половая клетка с гаплоидным набором хромосом преобразуется в зрелый сперматозоид. Процесс формирования спермия из сперматиды называется спермиогенезом и включает следующие преобразования: уплотнения ядра, конденсация хроматина, отторжение почти всей цитоплазмы, перемещение органелл, формирование акросомы, появление у большинства биологических видов органа движения – жгутика.

В процессе сперматогенеза из одной первичной половой клетки образуется четыре зрелых сперматозоида.

Рис. 2. Мужской женский гаметогенез [6].

 

В отличие от сперматогенеза овогенез более разнообразен и зависит от биологии развития вида.

В фазу размножения происходит митотическое деление первичных половых клеток и образование овогоний. У низших позвоночных способность к митотическому делению сохраняется на протяжении всего репродуктивного периода. У животных с наружным оплодотворением эта фаза протекает очень активно, при этом образуются миллионы половых клеток. У животных с внутренним оплодотворением половых клеток образуется значительно меньше, а у млекопитающих размножение овогоний происходит только в период эмбрионального развития и к моменту рождения прекращается (рис. 2).

В фазу роста различают период малого роста, при котором образовавшийся из овогонии овоцит первого порядка незначительно увеличивается в размерах и вступает в первое редукционное деление мейоза. При этом основные изменения происходят в ядре овоцита, там образуются многочисленные копии с участков ДНК, где расположен код рРНК (амплификация генов). На уже законченных копиях образуются новые и т.д. Происходит заготовка впрок рРНК и мРНК, которые будут использованы в процессе дробления. Период большого роста наиболее продолжительный и может длиться от нескольких дней до десятков лет у более организованных животных (млекопитающих). На протяжении этого периода овоцит находится в профазе 1. Происходит увеличение клетки за счет отложения в цитоплазме питательных веществ (желтковых включений, жира, гликогена).

В фазу созревания заканчивается первое деление мейоза, при этом половина хромосомного набора выталкивается в маленькую клетку, называемую редуционным или полярным тельцем. Образуется овоцит второго порядка. Он вступает во второе эквационное деление, которое у большинства млекопитающих блокируется на стадии метафазы, покидает яичник в процессе овуляции и у большинства млекопитающих под активизирующим действием сперматозоида завершает второе деление мейоза в маточной трубе, превращаясь в зрелую яйцеклетку с гаплоидным набором хромосом. Если контакта со сперматозоидом не происходит, то овоцит второго порядка не завершает мейоз и погибает. У большинства животных для завершения мейоза при овогенезе требуется оплодотворение сперматозоидом или действие другого активизирующего агента.

Различают следующие типы блока мейоза:

- на стадии диакенеза, когда участие сперматозоида необходимо для протекания обеих митотических делений (губки, черви, некоторые млекопитающие);

- на стадии метафазы первого деления созревания (моллюски, насекомые);

- на стадии метафазы второго деления созревания (почти все хордовые и млекопитающие).

Лишь у немногих видов (некоторые кишечнополостные) мейоз доходит до конца без участия сперматозоида.

В результате мейоза в овогенезе образуется одна дифференцированная яйцеклетка и три редукционных тельца.

Оплодотворение – это процесс слияния мужской и женской половых клеток и образование одноклеточной зиготы. При этом происходит восстановление диплоидного набора хромосом и образующийся новый одноклеточный организм – зигота – приобретает свойство тотипотентности – способности дать начало всему многообразию клеток и тканей будущего организма.

В зрелых половых клетках все жизненные процессы подавлены, и половые клетки фактически находятся в анабиотическом состоянии. Оплодотворение служит толчком к выходу клетки из неактивного состояния. Функция сперматозоида в процессе оплодотворения заключается в активации яйцеклетки, что дает начало всем последующим преобразованиям в ней.

В процессе оплодотворения сперматозоид выполняет следующие функции: вносит в яйцеклетку отцовский генетический материал; активизирует яйцеклетку.

В ходе оплодотворения условно выделяют три фазы:

- фазу дистантного взаимодействия, во время которой гаметы взаимодействуют на некотором расстоянии;

- фазу контактного взаимодействия, во время которой все процессы происходят при непосредственном соприкосновении поверхностей гамет;

- фазу синкариона – это фаза оплодотворения, при которой все процессы происходят после вхождения спермия в яйцеклетку.

В фазу дистантного взаимодействия основные процессы направлены на обеспечение встречи гамет. В зависимости от вида оплодотворения (внешнего или внутреннего) у разных биологических видов существуют различные механизмы повышения вероятности встречи гамет: одновременность выделения спермия и яйцеклетки, перенос сперматозоидов в сперматофоре, кожное осеменение и др.

Основным фактором сближения гамет в фазу дистантного взаимодействия является хемотаксис – направленное движение сперматозоида по градиенту концентрации веществ, выделенных яйцеклеткой с последующим узнаванием и активацией сперматозоида. Такой метод видоспецифического привлечения гамет был выработан в ходе эволюции. Явление хемотаксиса доказано для многих видов животных. У млекопитающих наблюдается разновидность хемотаксиса – реотаксис – способность сперматозоида двигаться против встречного течения жидкости маточной трубы. При этом яйцеклетка выделяет химические вещества небелковой природы – гиногамоны. Одни из них активизируют движение спермиев, другие в определенный период времени вызывают их склеивание, что предохраняет яйцеклетку от полиспермии. В свою очередь сперматозоиды продуцируют андрогамоны, которые участвуют в растворении оболочек яйцеклетки.

При нахождении сперматозоида в половых путях самки он выходит из неактивного состояния и приобретает оплодотворяющую способность. Такой процесс называется капацитацией. Сущность капацитации заключается в дестабилизации мембраны акросомного пузырька, удалении с поверхности сперматозоида веществ, блокирующих активные центры, способные узнавать поверхность яйцеклетки и активизации ферментов акросомы, которые в последующем разрушают оболочки яйцеклетки.

В фазе контактного взаимодействия происходит разрушение оболочек яйцеклетки с последующим образованием оболочки оплодотворения.

В эту фазу при непосредственном контакте сперматозоида с оболочками яйцеклетки происходит разрыв акросомного пузырька и выход ферментов акросомы, которые разрыхляют и разрушают оболочки яйцеклетки, что обеспечивает последующее слияние гамет. Этот процесс называется акросомной реакцией( рис. 3).

Рис. 3. Акросомная реакция сперматозоида [3].

 

Разрыв акросомного пузырька происходит в результате изменения ионного состава мембраны акросомы под действием белков половых путей самки. У многих биологических видов при этом образуется акросомный вырост, мембрана которого содержит определенный белок, обеспечивающий видоспецифическое узнавание яйцеклетки. После того как осуществилось разрыхление лучистого венца и разрушение прозрачной оболочки яйцеклетки, происходит слияние плазматических мембран гамет.

Непосредственный контакт между половыми клетками приводит к образованию восприимчивого бугорка – участка на поверхности яйцеклетки, где в последующем произойдет слияние мембран обоих гамет. С этого момента в яйцеклетке включаются механизмы, предупреждающие полиспермию и одновременно создающие определенную среду для развития будущего зародыша. Этот процесс называется кортикальной реакцией яйцеклетки. После контакта с первым сперматозоидом мембрана яйцеклетки мгновенно деполяризуется и утрачивает способность соединяться с мембраной другого сперматозоида. Этот так называемый быстрый блок полиспермии поддерживается в течение одной минуты. За это время образуется медленный блок полиспермии, который обеспечивается кортикальной реакцией.

Механизм кортикальной реакции заключается в следующем. Под воздействием увеличения концентрации ионов кальция в яйцеклетке происходит слияние мембран кортикальных гранул с плазматической мембраной яйцеклетки и выход притеолитических ферментов вокруг внедрившегося сперматозоида. Этот процесс передается по кортикальному слою на противоположный полюс яйцеклетки. Под действием протеолитических ферментов растворяются белки, связывающие плазматическую мембрану с блестящей оболочкой. При этом выделяются мукополисахариды, которые создают осмотический градиент, привлекающий воду в перивителиновое пространство. Таким образом, формируется жидкое перивителиновое пространство с характерным ионным составом, необходимое для развития будущего зародыша.

Затем прозрачная оболочка отделяется от поверхности яйцеклетки, уплотняется и образуется оболочка оплодотворения, которая препятствует проникновению спермиев.

У ряда животных (рептилии, некоторые птицы) в процессе оплодотворения в цитоплазму яйцеклетки проникает несколько сперматозоидов, но оплодотворяющей способностью обладает только один из них, остальные разрушаются в самой яйцеклетке.

Кортикальная реакция является первым этапом активации яйцеклетки, которая заключается в серии биохимических изменений:

- возрастает потребление кислорода;

- усиливается углеводный обмен;

- начинается интенсивный синтез белка с помощью заранее заготовленных, но заблокированных в информосомах рРНК и мРНК;

- возрастает обмен фосфатов, калия, кальция.

В этот период времени одновременно с активацией метаболизма в яйцеклетке происходит сегрегация цитоплазмы, перераспределение органелл и включений. Цитоплазма яйцеклетки становится биохимически неоднородной, что в дальнейшем определяет направление развития зародыша.

Фаза синкариона – третья фаза оплодотворения, во время которой происходит слияние гамет. Она начинается с момента проникновения в яйцеклетку головки и шейки сперматозоида. Ядро сперматозоида набухает, хроматинные нити раскручиваются, исчезает ядерная оболочка, и формируется мужской пронуклеус. К этому времени в яйцеклетке млекопитающих и большинства амфибий завершается второе деление мейоза и происходит формирование женского пронуклеуса (рис. 5). Пронуклеусы сближаются, и мужские и женские хромосомы смешиваются. Этот процесс в фазе синкариона называется сингамией.

У многих видов животных спермии проникают в яйцеклетку на более ранних стадиях развития. Так, у лисиц и собак – на стадии овоцита первого порядка, у насекомых – в метафазу первого деления мейоза. У морских ежей, напротив, фаза синкариона протекает на стадии окончательно сформированного женского пронуклеуса с уже завершенных мейозом.

Рис. 4. Процессы ооплазматической сегрегации в яйцеклетках разных групп животных до начала их дробления [9]:

A₁—А₃ — смещение вещества полярной плазмы (мелкие точки) от вегетативного (вег) к анимальному (ан) полюсу в период между 1-м делением созревания и слиянием пронуклеусов в яйцеклетке моллюска прудовика; Б—Б₃ — сегрегация в яйцеклетках асцидий, связанная с детерминацией их сагиттальной плоскости (Б₁ — неоплодотворенное яйцо, Б₂ — яйцо сразу после вхождения сперматозоида, Б₃ — яйцо перед первым делением дробления; В — вхождение сперматозоида в яйцо лягушки (Д — дорсальная, V — вентральная сторона, д.пр.— дорожка проникновения сперматозоида, с.с. — зона серого серпа); Г₁, Г₂, Г₃ — сегрегация внутренних компонентов ооплазмы в яйце хвостатой амфибии Discoglossus pictus через 15, 75 и 135 мин после оплодотворения (Д — дорсальная, V — вентральная сторона, с.с. — серый серп.

В ходе оплодотворения происходит важный процесс образования различий между отдельными частями зиготы, то есть оотипическая дифференцировка (рис. 4). При сегрегации цитоплазмы происходит перераспределение пигментированных гранул и морфогенных детерминант – белков кортикальных гранул и мРНК. Такое перераспределение в кортикальном слое яйцеклетки особым образом определяет ход дальнейшего развития зародыша. После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеусов начинается митотическое деление ядра зиготы – дробление, в результате которого формируется многоклеточный организм – бластула. Правильное пространственное распределение морфогенных детерминант является решающим условием нормального развития организма. Попадая в последующем в разные клетки, морфогенные детерминанты активизируют или угнетают специфические гены, в результате чего клетки приобретают определенные свойства и развиваются в заданном направлении. Таким образом, в основе оотипической дифференцировки лежит дифференциальная экспрессия генов. По сути это первый этап детерминации, который определяет пути дальнейшего развития.

 

Лекция № 3. Гаструляция

Темпы и ритм дробления регулируются многими факторами и зависят от вида животного. Характер дробления определяется количеством желтка и разным распределением его в яйцеклетке. Желток мешает закономерным движениям составных частей ядра и цитоплазмы, и выстраивания веретена деления. Существует зависимость между количеством и распределением желтка и положением борозд дробления (правила О. Гетрвига):

1) клеточное ядро стремится расположиться в центре свободной от желтка цитоплазме;

2) веретено клеточного деления стремится расположиться по направлению свободного от желтка пространства цитоплазмы, поэтому борозда каждого последующего дробления перпендикулярна борозде предыдущего;

3) плоскость дробления всегда перпендикулярна оси веретена деления, поскольку компоненты веретена деления воздействуют на кортикальный слой и стимулируют появление борозды дробления в определенной плоскости.

У маложелтковых (олиголецитальных) яйцеклеток дробление полное (голобластическое), равномерное. Яйцеклетки с умеренным содержанием желтка (мезолецитальные) дробятся полно, но неравномерно, так как желток, сосредоточенный на вегетативном полюсе, замедляет темпы дробления.

Яйцеклетки с очень высоким содержанием желтка (полилецитальные) дробятся частично и неравномерно (меробластический тип дробления). У плацентарных млекопитающих и человека яйцеклетка содержит небольшое количество желтка, распределенного в цитоплазме равномерно. Такая яйцеклетка называется вторичной олигоизолецитальной. Дробление голобластическое, неравномерное и асинхронное, что связано с особенностями строения бластомеров. В зависимости от формы и перемещения бластомеров различают:

- голобластическое радиальное дробление (ланцетник) – бластомеры правильной сферической формы, расположены один над другим;

- голобластическое спиральное (черви, моллюски) – бластомеры отличаются по форме и размерам, в ходе дробления поворачиваются вокруг оси веретена деления;

- голобластическое билатеральное (асцидии) – дробление осуществляется вокруг единственной плоскости симметрии, и половины зародыша являются зеркальным отражением друг друга;

- голобластическое анархическое – бластомеры располагаются неправильными цепочками (голотурии);

- голобластическое чередующее (млекопитающие) – первое деление меридиальное, при втором один бластомер делится меридиально, второй – экваториально. При этом темпы деления клеток неодинаковы, поэтому на определенных этапах дробления зародыш содержит нечетное количество бластомеров.

Для процесса дробления характерна компактизация. Сначала в бластуле млекопитающих бластомеры располагаются рыхло, затем они сближаются и образуют компактный шар, поскольку между клетками устанавливаются плотные контакты. Клетки, лежащие на поверхности бластоцисты, образуют трофобласт, а сгруппированные внутри – эмбриобласт. Между бластомерами, изолированными внутри бластоцисты устанавливаются щелевые контакты, которые позволяют малым молекулам и ионам перемещаться из клетки в клетку;

- меробластическое дискоидальное дробление – характерно для рыб, птиц. При этом деление бластомеров ограничено диском цитоплазмы, свободной от желтка и расположенном на анимальном полюсе зародыша;

- мероблатстическое поверхностное (насекомые) – дробление возможно только по периферии.

Главным итогом процесса дробления является увеличение числа клеток зародыша до того критического значения, при котором в клеточных слоях начинают возникать механические напряжения, инициирующие перемещение клеток в определенные участки зародыша.

Отличие дробления от обычного митотического деления клетки заключается в следующем:

- у дробящихся бластомеров пропускается период интерфазы. Это происходит потому, что удвоение ДНК осуществляется не в S-периоде интерфазы, как при обычном митозе, а в телофазе предыдущего деления, поэтому после окончания митоза бластомер вступает в S-период интерфазы, а не в Z-период, как у соматических клеток. Таким образом, пропускается период, в котором должно произойти восстановление обычных размеров клетки, поэтому бластомеры не растут и их суммарный объем не превышает объема и массы зиготы;

- ядерно-цитоплазматическое отношение при дроблении достигает величины соматической клетки;

- в начальном периоде дробления собственный геном зародыша не активен. Усиленный синтез белка осуществляется за счет мРНК, рРНК, которые были заготовлены в яйцеклетке в период роста в овогенезе. Но на определенном этапе развития появляется потребность не только в материнской, но и в отцовской информации, и начинается трансляция с генома зародыша, причем у разных биологических видов это происходит в разные периоды эмбриогенеза: у морского ежа – на стадии тридцати двух бластомеров; у прудовика – на стадии восьми бластомеров; у млекопитающих – на стадии двух бластомеров. Такой период дробления выделяется в отдельную фазу – бластуляцию.

В процессе дробления происходит увеличение числа клеток до определенного критического уровня. Как только клетки бластулы достигают так называемой критической массы, они приобретают способность к направленным перемещениям, образуя многослойный зародыш. При этом продолжается дальнейший рост и дифференцировка клеток. Такой период эмбрионального развития, при котором клетки приобретают способность к направленным перемещениям, образуя многослойный зародыш, называется гаструляцией.

В зависимости от типа перемещения клеток и клеточных пластов условно выделяют следующие типы гаструляции.

Инвагинация – впячивание стенки бластулы (характерно для ланцетника).

Эпиболия – обрастание крупных бластомеров более мелкими делящимися бластомерами (амфибии, рыбы).

Деламинация – расщепление бластодермы на два слоя (рыбы, птицы, млекопитающие).

Иммиграция – выселение бластомеров внутрь бластулы (рыбы, птицы, млекопитающие).

Также условно выделяют раннюю гаструляцию, в ходе которой образуется двухслойный зародыш и позднюю, при которой зародыш становится трехслойным, при этом происходит закладка осевых органов – хорды, нервной и кишечной трубки.

В процессе гаструляции могут иметь место одновременно несколько типов активных перемещений бластомеров, поэтому такое разделение условно. Также условно выделяют раннюю гаструляцию, в ходе которой образуется двухслойный зародыш, и позднюю, при которой зародыш становится трехслойным. При этом происходит закладка осевых органов – хорды, нервной и кишечной трубки.

В ходе оотипической дифференцировки образуются различия между отдельными частями зиготы. Перемещения пигментных гранул и морфогенов в разные отделы зиготы активизирует определенные гены. Следовательно, первый механизм, запускающий бластомерную дифференцировку – это дифференциальная экспрессия генов. В последующем включается второй механизм – формирование межклеточных контактов между бластомерами.

Таким образом, в основе бластомерной дифференцировки лежит контактное межклеточное взаимодействие. В ходе бластомерной дифференцировки устанавливаются пути клеточных перемещений, которые осуществляются при гаструляции.

В ходе гаструляции выделяют третий этап дифференцировки – это процесс формирования отличающихся друг от друга зародышевых листков и осевых органов. В процессе гаструляции связи между клетками становятся все более тесными и появляется новый вид взаимодействия – индукция. Именно под действием индукционных контактов между клетками осуществляется этот этап дифференцировки.

Механизм клеточных перемещений у различных биологических видов различен и представляет собой сочетание тех или иных типов гаструляции – эпиболии, инвагинации, деламинации, миграции. Но независимо от того, каким типом осуществляется гаструляция, существуют общие изменения на клеточном уровне, которые приводят к клеточным перемещениям.

Это: а) клеточные деления; б) возникновение механических напряжений в пласте клеток; в) чередование растяжения и сокращения клеточного пласта. Растяжение, или поляризация клетки, осуществляется путем перераспределения органелл и вытягивание клетки в направлении предстоящего движения. Благодаря клеточным контактам процесс поляризации охватывает целый пласт клеток. Затем клетки сокращаются, что приводит к изгибанию клеточного пласта и последующему его перемещению.

В процессе ранней гаструляции образуется двухслойный зародыш, имеющий два зародышевых листка.

Зародышевый листок – это слой клеток, характеризующийся определенными тенденциями развития и принимающий участие в возникновении зачатков определенных органов, то есть каждый зародышевый листок развивается в заданном направлении.

Существует теория зародышевых листков, согласно которой:

1) зародышевые листки формируются у всех классов позвоночных;

2) один и тот же зародышевый листок у представителей различных классов позвоночных обладает одними и теми же свойствами;

3) у всех животных аналогичные органы и ткани происходят из одного и того же зародышевого листка;

4) каждый зародышевый листок представляет собой часть целого и способен дифференцироваться, только взаимодействуя между собой и находясь под воздействием влияния зародыша как целого.

Согласно теории зародышевых листков у всех классов позвоночных из одного и того же зародышевого листка формируются определенные органы и ткани, что подтверждает положение о единстве происхождения животного мира.

Так, из наружного зародышевого листка, образовавшегося на первом этапе гаструляции, в последующем формируются нервные ткани и покровный эпителий. Из внутреннего зародышевого листка – кишечный однослойный эпителий. Средний зародышевый листок – мезодерма – формируется в ходе поздней гаструляции и в последующем образует скелетные мышцы, соединительную ткань, однослойный эпителий почек, гонад и серозных полостей. В свою очередь из мезодермы и энтодермы выселяются клетки, которые заполняют пространство между зародышевыми листками и формируют мезенхиму, клетки которой образуют гладкую мускулатуру и соединительную ткань.

В процессе ранней гаструляции благодаря целенаправленным клеточным перемещениям зародыш становится двухслойным. Наружный зародышевый листок – эпибласт – у высших животных в последующем преобразуется в эктодерму; внутренний – гипобласт – в энтодерму. У низших позвоночных при этом образуется новая полость – гастроцель с отверстием – бластопором (первичный рот) и краями или губами: дорсальной, вентральной и двумя латеральными, которые соответствуют положению тела. У млекопитающих в ходе ранней гаструляции образуются аналоги бластопора и некоторые внезародышевые органы.

При поздней гаструляции формируется третий зародышевый листок – мезодерма, комплекс осевых зачатков органов (хорда, нервная и кишечная трубка) и внезародышевые органы.

Бластопор (или его аналог у позвоночных) является ориентиром для представления о клеточных перемещениях, происходящих в процессе гаструляции. Так, материал дорсальной губы бластопора в дальнейшем преобразуется в хорду, латеральный губы – в мезодерму. Судьба бластопора у различных животных различна. У первичноротых бластопор, развиваясь, превращается в дефинитивный рот; у вторичноротых – преобразуется в анальное отверстие. У высших позвоночных в процессе гаструляции бластопор вообще не образуется и можно говорить только о его аналогах.

Первой из материала дорсальной губы бластопора формируется хорда – плотный клеточный тяж, расположенный по средней линии зародыша. В дальнейшем под индукционным влиянием хорды формируется нервная трубка с последующей закладкой нервной системы. Процесс образования нервной трубки называется нейруляцией. В результате морфогенетических перемещений в ходе гаструляции группы клеток, удаленные друг от друга, сближаются настолько, что между ними становится возможен новый вид взаимодействия – индукция. Нейруляция является результатом таких взаимодействий.

Из всех зародышевых листков, но прежде всего из мезодермы, выселяется зародышевая, или вторичная, мезенхима, которая формирует ткани внутренней среды и гладкую мускулатуру. Так, эктодерма дает начало нейродермальной мезенхиме, энтодерма – энтодермальной мезенхиме. Из мезодермы выселяется дерматомная, спланхнотомная и склеротомная мезенхима. Подвижные мезенхимальные клетки мигрируют между тремя зародышевыми листками и занимают все пространство между ними. Мезенхима образована отросчатыми клетками, которые соединены друг с другом межклеточными контактами и формируют функциональный синцитий. Между клетками находится межклеточное вещество, которое образовано тонкими мезенхимальными фибриллами с тканевой жидкостью.

Функции зародышевой мезенхимы:

- является эмбриональной соединительной тканью, выполняющей в период эмбрионального развития трофическую, опорную и регуляторную функции;

- осуществляет синтез межклеточного вещества;

- является важным эмбриональным зачатком, то есть выполняет морфогенетическую функцию. По сути, это четвертый зародышевый листок, из которого образуются ткани: соединительная, гладкая мышечная, кровь плода и др.

В результате гаструляции из сферической полой бластулы образуется трехслойная зародышевая структура, у которой внутренний слой представляет собой стенку первичной кишки, сформированную энтодермой, наружный слой сформирован эктодермой и промежуточный рыхлый слой сформирован мезодермой и мезенхимой.

Эти три первичных зародышевых листка характерны для всех высших животных, формируются у всех классов позвоночных, обладают одними и теми же свойствами, что подтверждает единство происхождения животного мира.

Организация трехслойного эмбриона в общих чертах соответствует организации взрослого животного с пищеварительной трубкой внутри, эпидермисом снаружи и органами соединительнотканного происхождения между ними.

В дальнейшем энтодерма образует кишечную трубку – зачаток пищеварительной трубки, которая тянется от рта к анусу и дает начало глотке, пищеводу, желудку, кишечнику, железам. Из выростов стенки кишечной трубки в дальнейшем формируется трахея и бронхи. Сначала выросты увеличиваются в размерах, затем превращаются в систему разветвленных трубочек, которые переходят в гортань. Но энтодерма формирует только внутреннюю выстилку – эпителий внутренних органов, а поддерживающие мышечные и соединительнотканные части формирует мезодерма.

После завершения гаструляции мезодерма делится на две части – для правой и левой половины тела по бокам хорды, которая идет вдоль центральной оси тела. Хорда представляет собой клеточный тяж, над которым расположена эктодерма, а под ним – энтодерма. На определенном этапе развития клетки хорды набухают, в них появляются вакуоли, что приводит к удлинению хорды и выпрямлению зародыша. У позвоночных хорда является той осью, вокруг которой собираются клетки мезодермы, образующие в ходе органогенеза позвоночный столб. Таким образом хорда является предшественником позвоночного столба не только в процессе эволюции, но и в онтогенезе. Мезодерма дает начало соединительной ткани, сначала мезенхиме, ее клетки образуют рыхлую сеть и заполняют промежутки между другими тканями. Затем из мезодермы формируется костная, мышечная, хрящевая и фиброзная ткань, а также внутренний слой кожи – дерма. В ходе органогенеза из мезодермы формируется большая часть протоков мочеполовой системы и сердечно-сосудистой системы. Образованию соединительной ткани предшествует сомитная стадия, то есть процесс сегментации мезодермы на отдельные блоки – сомиты. Сначала участки несегментированной дорсальной мезодермы, расположенные по бокам от нервной трубки в виде единой клеточной массы, делятся на сегменты или сомиты. Сомиты обособляются последовательно один за другим по направлению от головного конца к хвостовому. Механизм образования сомитов заключается в том, что в ранней мезодерме существует механизм сопряжения клеток, который в дальнейшем исчезает, но благодаря ему клетки способны собираться в компактные группы – сомиты. Каждый сомит соответствует одному сегменту будущего скелета и в свою очередь делится на три части: склеротом, миотом и дерматом. Склеротом – часть сегмента, обращенного к хорде, в дальнейшем дает начало образованию ребер и позвонков. Дерматом – наружная часть сомита, которая прилежит к дорсальной поверхности тела зародыша и образует соединительнотканный слой кожи – дерму. Миотом представляет собой оставшуюся часть сомита, расположенную между склеротомом и дерматомом, и дает начало скелетной мускулатуре.

На стадии сомитов форма, размеры эмбриона и даже план строения у многих позвоночных приблизительно одинаковы: длина зародыша не превышает несколько миллиметров, центральная нервная система представлена нервной трубкой, кишечник и его производные заложены в виде энтодермальной трубки, соединительная ткань – в виде несегментированной мезенхимы, эпидермальный слой кожи – эктодерма, а сегментам туловища соответствуют сомиты. Но на более поздних стадиях развития эмбрионы различных биологических видов значительно отличаются друг от друга по величине, форме и дальнейшим путям развития.

Эктодерма формирует эпидермис и всю нервную систему. Процесс образования нервной системы – нейруляция – индуцируется хордой и мезодермой. По сути, нейруляция у позвоночных – это начало органогенеза. Образование нервной трубки начинается с утолщения дорсального участка эктодермы и образования нервной пластинки. Затем боковые края нервной пластинки утолщаются и образуются так называемые нервные валики. В самой пластинке появляется желобок, валики над ним сближаются, смыкаются и формируется полая трубка, которая сверху покрыта слоем эктодермы (рис. 5).

Рис. 5. Последовательные стадии (А–В) нейруляции у амфибий. Левый столбец (А–В) – сагиттальные разрезы, средний столбец (А'–В') – вид целых зародышей с дорсальной стороны, правый столбец (А"–В") – поперечные разрезы последовательных стадий: бл. – остаток бластоцеля; бп. – бластопор; мез. – мезодерма; н.в. – нервные валики; н.пл. – нервная пластинка; н.тр. – нервная трубка; п.к. – полость кишечника; пр.х. – презумптивная хорда; х – хорда; экт – эктодерма; энт – энтодерма [8].

 

В дальнейшем из нервной трубки формируется головной и спинной мозг. Нервная трубка отделяется от оставшейся части эктодермы и вдоль линии отделения часть клеток эктодермы поодиночке мигрирует через слой мезодермы, образуя нервный гребень. Из нервного гребня формируются все компоненты периферической нервной системы, а также клетки надпочечников, секретирующие адреналин и пигментные клетки кожи. В области головы клетки нервного гребня дифференцируются в хрящевую, костную и другие виды соединительно ткани, что составляет исключение из правил соответствия зародышевых листков трем слоям взрослого организма. Органы чувств развиваются из эктодермальн