Происхождение первичных половых клеток.

Общая эмбриология

 

Эмбриология - наука о закладке, образовании и развитии клеток, тканей, систем и организма в целом. Слово «эмбриология» произошло от греческих слов em brio – в оболочках. Этим древние ученые хотели сказать, что эмбриология исследует те стадии развития организма, которые проходят до выхода организма из яйцевых оболочек. Следовательно, эмбриология первоначально рассматривалась как наука о зародышах.

Начало изучению зародышевого состояния положил Аристотель, работы которого позволили перейти от суеверий и домыслов к наблюдению. Ежедневно вскрывая куриные яйца на протяжении 3-недельного периода инкубации, он наблюдал, как небольшое скопление клеток постепенно превращается в сложный организм птицы. Однако в средние века идеи и наблюдения мыслителей древней Греции и древнего Рима были забыты, а преобладали в естествознании фанатизм и авторитаризм. Кроме этого низкий уровень развития науки и техники также не позволял более де­тально изучать процессы развития на ранних этапах эмбриогенеза.

Лишь в 17 веке, когда появились первые микроскопы, стало возможным более эффективное изучение ранних стадий развития клеток и организма. Впервые мужские половые клетки в 1677 году рассмотрели Хэм и Левенгук, а за 5 лет до этого де Грааф в 1672 году описал фолликулы в яичнике. Эти от­крытия привели к образованию особого филосовского течения - преформизма. Согласно этой теории считалось, что в гаметах уже заложен микроскопический индивидуум. Однако среди них имелись противоречия. Одни считали, что этот организм заложен в сперматозоиде (анималькулисты), а роль яйцеклетки вто­ростепенна, другие (овисты) считали наоборот.

Абсурдность этой теории в первую очередь заключалась в том, что каж­дый миниатюрный организм в свою очередь должен был бы содержать орга­низмы последующих поколений (условно от Адама и Евы). Эта теория просу­ществовала до тех пор, пока Л.Спаланцани (1740) впервые с помощью эксперименталь­ных методов в эмбриологии доказал, что для запуска процесса развития необ­ходимы в равной мере как женские, так и мужские половые клетки.

Важным толчком в развитии эмбриологии послужили работы Каспара Вольфа, который в 1759 году выдвинул новую концепцию развития, названную теорией эпигенеза. Согласно этой теории процесс развития происходит пу­тем прогрессивного роста и дифференцировки, что приводит к образованию новых форм систем и органов при развитии организма.

Однако отцом эмбриологии часто называют Карла фон Бэра, который в своей работе в 1828 году сформулировал закон Бэра или закон зародышевого сходства. В нем говорится о том, что «более общие основные черты, ха­рактерные для любой крупной группы животных, появляются в процессе раз­вития раньше, чем специфические черты, свойственные разным членам данной группы». Таким образом, К.Бэр продемонстрировал единство общего плана строения зародышей различных классов позвоночных. К.Бэр заложил основы представлений о зародышевых листках, од­нако, их истинное значение было установлено лишь с провозглашением в 1839 году М.Шлейденом и Т.Шванном клеточной теории.

Именно в это время были заложены основы современной эмбриологии. С этого момента оформляется основная концепция эмбриологии, согласно ко­торой организм любой новой особи развивается из одной клетки, образую­щейся в результате объединения отцовской и материнской половых клеток. Этой образующейся клеткой является новый организм, называемый зигота (от греческого Zigotos - спаренная). Процесс слияния половых клеток получил на­звание - оплодотворение, а сами половые клетки называются - гаметы (от гре­ческого Gamos - брак). С момента оплодотворения начинается процесс инди­видуального развития организма - онтогенез, который продолжается всю жизнь индивидуума и состоит из двух основных этапов - эмбриогенез и постнаталь­ный период.

Изучение истории индивидуального развития свидетельствует о тех из­менениях, через которые прошли наши предки в процессе эволюции т.е. в про­цессе исторического развития - филогенеза. С этого времени начинается ещё один важный этап в биологии, связанный с появлением теории Ч.Дарвина (1859) о происхождения видов и возникновение эволюционной эмбриологии. Ч.Дарвин предлагал в качестве гипотезы эволюционное обоснование данных сравнительных исследований К.Бэра о зародышевом сходстве.

На основании этой гипотезы Ф.Мюллер (1864) и Э.Геккель (1868) сформулировали биогенетический закон, в основу которого была положена концепция о рекапитуляции (recapitulatio - краткое повторение ска­занного). Суть этого закона сводиться к тому, что «животное в процессе индивидуального развития проходит через ряд последовательных стадий, ана­логичных тем, через которые прошел в процессе эволюционного развития дан­ный вид» т.е. онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Примеры рекапитуляции:

1. Все многоклеточные организмы развиваются (при половом размно­жении) из одной яйцеклетки, оплодотворенной спермием;

2. При эмбриональном развитии большинства живых организмов обра­зуются зародышевые листки;

3. У всех позвоночных лишь в эмбриональном развитии формируется хорда, хотя у их предков она сохранялась на всю жизнь.

Большой вклад в развитие эволюционной эмбриологии внесли русские ученые А.О Ковалевкий (1880) и И.И.Мечников (1886), подробно изучившие онтогенез низших позвоночных (ланцетника) и некоторых беспозвоночных. Эти работы указывали на возможность переходов между различными типами развития и укрепляли тем самым эволюционные представления.

В дальнейшем (в XX столетии) А.Н.Северцов дополнил биогенетический закон сведениями о том, что на онтогенез влияют факторы окружающей среды и условия существования, которые, в свою очередь, определяют направ­ление эволюции изменяющегося вида в данную эпоху. Этот закон получил на­звание теории филэмбриогенеза.

Таким образом, несмотря на то, что процессы развития, происходящие до рождения, интересовали человечество с самых древних времен (ещё до появ­ления письменности), эмбриология превратилась в науку лишь с момента осу­ществления нескольких важнейших открытий:

1. Создание микроскопа и открытие половых клеток (Де Грааф, 1672; Хэм и А.Левенгук, 1677);

2. Разработка и внедрение экспериментального метода в эмбриологии (Л.Спаланцани, 1740);

3. Создание клеточной теории (М.Шлейден и Т.Шван, 1839);

4. Создание теории происхождения видов (Ч.Дарвин, 1859).

В настоящее время эмбриология является частью общего направления, называемого «Биология развития». Это обширная дисциплина, в которую вхо­дит не только изучение развития зародыша, но также изучение постнатальных процессов таких, как нормальный и злокачественный рост, метаморфоз, реге­нерация и заживление тканей, а также другие направления, исследуемые на всех уров­нях: от молекулярного до организменного.

 

Размножение. Происхождение и строение половых клеток.

Способность к размножению т.е. производить новое поколение особей того же вида - одна из важнейших особенностей живых организмов. В про­цессе размножения происходит передача генетического материала от родитель­ского поколения следующему, что обеспечивает воспроизведение признаков не только данного вида, но и конкретных родительских особей. В свою очередь, каждая новая особь, прежде чем достигнет стадии, на которой она способна бу­дет к размножению, должна пройти ряд стадий роста и развития в своем он­то­генезе.

К основным механизмам развития относится в первую очередь способ­ность исходной клетки (зиготы) к внутриклеточному синтезу и его регуляции. Этот процесс запускается и обеспечивается активацией определенных групп генов на каждом конкретном этапе онтогенеза. Кроме этого механизма в ходе развития большое значение имеет деление клеток с их последующей рестрик­цией, детерминацией и дифференцировкой.

Большинству многоклеточных организмов свойственно половое раз­множение, при котором женская половая клетка (яйцеклетка) соединяется с мужской половой клеткой (сперматозоид) и при этом образуется новый одно­клеточный организм - зигота. Однако и при половом размножении существуют некоторые его модификации, при которых женская половая клетка может раз­виваться в новую особь и без оплодотворения её мужской половой клеткой - партеногенез. Этот вид размножения встречается у многих насекомых, низших ракообразных и моллюсков.

При бесполом размножении специализированные половые клетки - га­меты не образуются, а начало новому организму дают соматические клетки.

При половом размножении наблюдается циклическое чередование образующихся гап­лоидных поколений клеток (т.е. имеющих одиночный набор хромосом-1n) с диплоидными поколениями клеток (т.е. имеющих двойной набор хромосом-2n). В результате слияния гаплоидных гамет образуется диплоидная зигота и при этом происходит смешивание геномов двух разных особей данного вида. Образующиеся организмы обычно генетически отличаются друг от друга, а также и от обоих родителей.

Следовательно, половое размножение приводит к генетическому разно­образию, которое способствует образованию организмов, наиболее устойчи­вых к существованию в условиях непредсказуемой изменчивости окружающей среды. При половом размножении в каждом формирующемся организме новые гаплоидные клетки (гаметы) образуются из диплоидных предшественников (гаметобластов) в результате особого клеточного деления - мейоза, при кото­ром гены диплоидного набора заново перераспределяются между гаплоидными наборами. При этом происходит особый процесс - рекомбинация генов, после которого каждая клетка нового гаплоидного поколения получает совершенно но­вое сочетание генов.

Таким образом, при половом размножении происходит постоянное чередование циклов, включающих следующие фазы:

1. Гаплоидную фазу (зрелые га­меты);

2. Слияние гаплоидных клеток (оплодотворение);

3. Диплоидную фазу (зигота - новый организм);

4. Мейоз (образование гаплоидных гамет в новом организме из диплоидных предшественников).

При таком чередовании происходит распад старых генетических комбинаций и создание новых. Это явление обеспечивает половому размножению значитель­ные преимущества перед бесполым размножением.

 

МЕЙОЗ

Мейоз (от греческого meiosis - уменьшение) - особая форма деления кле­ток, сопровождающаяся уменьшением числа хромосом с диплоидного до гап­лоидного. При этом в родительской клетке происходит однократное удвоение хромосом (редупликация ДНК, как при митозе), за которым следует два цикла клеточных и ядерных делений (1 и 2 деления мейоза), что приводит к образова­нию четырех гаплоидных клеток из одной диплоидной.

Важнейшее биологическое значение мейоза заключается в следующем:

1. При оплодотворении, ядра двух гамет сливаются и в образующейся зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом. Если бы не было мейоза, слияние гамет приводило бы к удвоению числа хромосом в каждом новом поколении, полученном половым путем и образованию полиплоидных организмов.

2. Мейоз создает возможности для возникновения в гаметах новых генных комбинаций, которые ведут к изменениям в генотипе и фенотипе потомства, т.е. обеспечивает генетическую изменчивость.

Как известно, клетки-предшественницы гамет - гаметобласты (овогонии, сперматогонии), так же как и другие соматические клетки – диплоидны и содержат в своем ядре по две копии каждой хромосомы (за исключением половой хромосомы). Одна из этих двух копий происходит от мужского родителя, другая - женского. Эти две копии называются гомологами (гомологичными хромосомами). Перед обычным митозом каждый гомолог удваивается и образуются две сестринские хрома­тиды, которые затем в анафазе отделяются и расходятся к полюсам. Образующиеся дочерние клетки, тем самым, на­следуют по одной копии каждой гомологичной хромосомы.

Гаметы же должны содержать лишь по одной гомологичной хромосоме от каждой пары. В связи с этим, гомологи при мейозе должны узнавать друг друга и соединятся в пары, только затем эти пары будут выстраиваться по эква­тору клетки.

Такое спаривание (конъюгация) гомологичных хромосом, часто называемых d-хромосомами, происходит только в мейозе. Спаренные гомологи, называемые бивалентами, в метафазе 1 располагаются на экваторе веретена. В анафазе первого деления гомологи расходятся к противоположным полюсам, причем в каждом гомологе сестринские хроматиды (s-хромосомы) остаются ещё соеди­ненными.

Таким образом, при первом делении мейоза каждая дочерняя клетка наследует по две копии (s-хромосомы) одной из двух гомологичных хромосом (d-хромосом) и поэтому содержит еще ди­плоидное количество ДНК. Однако она уже отличается от исходной диплоидной клетки следующим:

1. Обе копии ДНК каждой хромосомы происходят лишь от одной из двух гомологичных хромосом.

2. Эти две копии находятся в клетке в виде тесно связанных сестринских хроматид (s-хромосом) в составе единой хромосомы (d-хромосома).

Образование гаплоидных ядер гамет происходит в результате второго деления мейоза. При этом хромосомы выстраиваются на экваторе нового вере­тена и без дальнейшей репликации ДНК сестринские хроматиды отде­ляются друг от друга, образуя клетки с гаплоидным набором ДНК.

Важным и уникальным процессом при мейозе является пересортировка генов. Первый вид пересортировки - результат случайного распределения раз­ных материнских и отцовских гомологов между дочерними клетками при пер­вом делении мейоза. При этом каждая гамета получает свою, совершенно не похожую на другие, комбинацию материнских и отцовских хромосом. При такой пересорти­ровке клетки любой особи могут образовать 2ⁿ количество генети­чески различающихся гамет (где n - гаплоидное число хромосом данного вида). Например: у человека каждый индивидуум способен образовать по меньшей мере 2²³ = 8,4 х 10⁶ генетически различных гамет. Однако на самом деле число возможных гамет неизмеримо больше, вследствие наличия второго вида пересортировки генов.

Второй вид генетической рекомбинации осуществляется за счет осо­бого процесса - кроссинговера (перекреста), происходящего в пахитене профазы 1 деле­ния мейоза. При этом происходит разрыв двойной спирали ДНК в одной материнской и отцовской хроматиде (s-хромосомы) в составе бивалента (тетрады) с после­дующим обменом этими участками. Место, где происходит разрыв ДНК и осуществляется кроссинговер, называется хиазмой. Количество их может быть различным. У человека, например, в каждой паре гомологичных хромосом кроссинговер происходит в среднем в двух-трех хиазмах. При этом каждая их двух хроматид одной хромосомы может обмениваться участками с любой хроматидой другой хромосомы.

Процесс конъюгации гомологов и осуществление кроссинговера происходит при помощи особого синаптонемального комплекса, представляю­щего собой длинную белковую структуру, которая удерживает гомологичные хромосомы рядом, скрепляя их по всей длине. Этот комплекс образуется лишь в пахитену профазы первого деления мейоза. Однако конкретные и точные места для кроссинговера в конъюганте определяют особые рекомбинационные узелки. Они входят в состав синапто­немального комплекса и представляют собой сферические, эллипсоидные или стержневые белковые элементы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Предполагается, что они представляют собой крупные мультифер­ментные тельца, которые подтягивают друг к другу локальные участки ДНК материнской и отцовской хроматид в составе тетрады. Этому также способствует образование особых белковых нитей, расположенных на контактирующих поверхностях гомологичных хромосом. Эти продольные белковые нити приобретают определенные локальные свойства и обеспечивают точное спаривание соответствующих участков гомологичных хромосом в зиготене профазы 1 мейоза. По мере осуществления конъюгации эти нити сближаясь, превращаются в боковые элементы синаптонемального комплекса и образуют две стороны своеобразной белковой «лестницы». Клетки могут находится в профазе первого деления мейоза очень длительное время (от нескольких дней до нескольких лет) в зависимости от вида орга­низма и типа образующихся гамет.

После окончания первого деления мейоза у двух дочерних ядер вновь обра­зуются оболочки и происходит короткая интерфаза. В это время хромосомы частично деспирализуются,, однако, затем очень быстро вновь конденсируются и начинается профаза второго деления мейоза. Все остальные стадии второго деления мейоза протекают так же как и при митозе. Единственным отличием является то, что образующиеся клетки имеют гаплоидный набор s - хромосом, представленного одной копией каждого гомо­лога, а не двумя, как при митозе.

Мейоз заканчивается формированием ядерных оболочек вокруг 4-х гаплоидных ядер, образовавшихся в телофазе 2 деления. Однако степень развития мужских и женских гамет к концу мейоза различна. Если яйцеклетка к этому времени уже почти полностью сформиро­вана, то спермии продолжают свое развитие.

 

ПОЛОВЫЕ КЛЕТКИ - ГАМЕТЫ

Оплодотворение

Яйцеклетка и спермий сливаются друг с другом при оплодотворении благодаря их специализации и специфичности этого процесса. Спермии млекопитающих способны оплодотворить яйцеклетку лишь после своего созревания, называемого капацитацией, который возможно связан с изменением в липидном слое плазмолеммы спермия. Контакт с оболочкой яйцеклетки индуцирует у спермия особую акросомальную реакцию, при которой содержимое акросомы (гидролитические ферменты) облегчает проникновение спермия через zona pellucida и способствует контакту спермия с плазмолеммой яйцеклетки. Однако связывание спермия с яйцеклеткой процесс высокоспецифичный. Он определяется наличием видоспецифичного белка, содержащегося в акросоме и называемого bindin (дословный перевод «связывание, сращение»). Этот белок обеспечивает связывание яйцеклетки и спермия лишь одного вида организма.

После слияния плазматических мембран яйцеклетки и спермия, ядро спермия переходит в цитоплазму яйцеклетки. Затем два ядра (пронуклеуксы) сливаются, и образуется одно диплоидное ядро клетки, которая называется зиготой. Дальнейшие процессы, связанные с предотвращением проникновения в зиготу других спермиев (полиспермия), а также развертывание программы развития зависят от активации яйцеклетки в процессе оплодотворения. Активация яйцеклетки реализуется через изменение внутриклеточных концентраций ионов. Уже в первые секунды после слияния, в яйцеклетке наблюдаются три различных ионных сдвига:

1. Увеличение проницаемости плазмолеммы для Na⁺ вызывает деполяризацию мембраны в течение нескольких секунд;

2. Массовое высвобождение ионов Са²⁺ из неизвестного пока внутриклеточного хранилища ведет к резкому повышению их концентрации в цитозоле яйцеклетки в течение 30 секунд;

3. Примерно через 1 минуту начинается выведение ионов Н⁺, сопряженное с поглощением ионов Na⁺, что приводит к значительному повышению внутриклеточного рН с 6,6 до 7,2.

Эти ионные сдвиги обуславливают два физиологических процесса. Во-первых, деполяризация мембраны приводит к быстрой блокаде полиспермии (ранний кратковременный барьер). Приток в цитозоль ионов Са²⁺ вызывает высвобождение из кортикальных гранул их содержимого. Эта кортикальная реакция перестраивает оболочку яйцеклетки так, что связывание других спермиев или их проникновение становится невозможным. Это приводит к более продолжительной блокаде полиспермии (поздний долговременный барьер). Во-вторых, приток ионов Са²⁺ в цитозоль яйцеклетки способствует изменению концентрации ионов Н⁺, а следовательно повышению внутриклеточного рН. Это повышение рН индуцирует биосинтетические процессы, связанные с активацией яйцеклетки и развертыванием программы развития нового организма Большое значение имеют, происходящие при этом:

1. Повышение рН, при котором ускоряются процессы редупликации ДНК (при дроблении);

2. Запасенные ранее в яйцеклетке молекулы мРНК обнажаются (деблокируются), и их информация становится доступной для использования;

3. Активация рибосом, что позволяет им быстрее транслировать мРНК, то есть начинается развитие нового организма (рост и дифференцировка).

Развитие - сложнейший морфо-генетический процесс, в ходе которого реализуется несколько механизмов. К основным процессам развития относится в первую очередь способность исходной клетки (яйцеклетки), следовательно и зиготы, к внутриклеточному синтезу и его регуляции. Этот процесс запускается особым механизмом, связанный с активацией генов, который начинает работать уже с момента оплодотворения.

Как известно, в зиготе все имеющиеся гены условно неактивны, т. к. они репрессированы белками гистонами. При запуске программы развития происходит дерепрессирование определенных групп генов, которые будут являться в данный момент функциональными генами. Как правило, первыми активизируются (дерепрессируются) гены, обеспечивающие способность клетки (зиготы) и бластомеров к пролиферации (размножению), а также гены, регулирующие общий метаболизм клетки.

С этого момента начинается и продолжается 2-й (после оплодотворения) этап эмбриогенеза - дробление, происходящее путем митотического деления клеток. При этом одноклеточный организм (зигота) превращается в многоклеточную бластулу. По мере окончания дробления и вступления зародыша в следующую стадию - гаструляцию, начинают активизироваться первые тканеспецифичные гены. Это приводит к образованию разных слоев клеток - зародышевых листков. Позднее, в процессе органо- и гистогенеза, активизируются другие гены, регулирующие образование более специализированных и дифференцированных клеток.

Активация генов тесно связана с другими механизмами развития, одним из которых является коммитирование - детерминация. Известно, что в оплодотворенной яйцеклетке и в зиготе заключена возможность образования целого организма. Этой возможностью у многих позвоночных обладают и некоторое количество бластомеров до определенной стадии дробления.Данные клетки принято в эмбриологии называть тотипотентными. По мере продолжения развития (дробление, гаструляция и т.д.) образующиеся клетки постепенно утрачивают способность к образованию клеток всех типов будущего организма. Развитие таких клеток как бы направляется по разным, но определенным всё более сужающимся каналам, которых становятся всё больше. Такое сокращение возможностей выбора, предоставляющихся развивающейся клетке, и приобретение клеткой или популяцией клеток каких- либо специфических свойств и функций называется детерминацией. Примером детерминации может служить процесс нейруляции, когда из определенных клеток эктодермы закладывается зачаток нервной трубки и системы. Остальные эктодермальные клетки уже не способны к образованию этих структур. Когда этот процесс достигает такой степени, что из одной группы клеток образуется только одна структура (роговица, волос, перья и т.д.), эти клетки называются детерминированными. Установлено, что в процессе детерминации происходит взаимодействие между формирующимися зачатками. Это явление получило название эмбриональной индукции, также являющейся одним из механизмов развития. В настоящее время известно, что эмбриональная индукция - это особый механизм влияния (воздействия) одного такого зачатка (индуктора) на другой. В результате этого влияния происходит направление развития этого зачатка по качественно новому пути.

Один из классических примеров эмбриональной индукции - формирование хрусталика глаза как результат индуцирующего воздействия глазного бокала на лежащую над ним эктодерму. Более ранним проявлением индукции является влияние хордомезодермального зачатка на образование нейроэктодермы (первичная индукция). Регуляция процесса индукции может осуществляться разными способами: путем внеклеточной диффузии веществ, вырабатываемых тканью-индуктором; в результате прямого контакта между клетками, либо через посредство внеклеточного матрикса, секретируемого взаимодействующими клетками.

В процессе развития организма наряду с детерминацией зачатков наблюдается еще один механизм, в ходе которого клетки приобретают специализацию. Этот механизм называется дифференцировкой - морфологическая и функциональная экспрессия той части генома, которая остается в распоряжении данной клетки или популяции на все время жизнедеятельности ткани, органа, организма. Конечный продукт этого процесса называется дифференцированной клеткой.

Дифференцировку можно рассматривать с различных точек зрения. В связи с этим дифференцировка может быть:

1. Биохимическая - клетка выбирает для себя один или несколько путей биосинтеза (эритроцит синтезирует гемоглобин, а клетки хрусталика - белок кристалин).

2. Функциональная - развитие способности к виду деятельности (к сокращению у мышечных клеток, к проведению нервного сигнала у нервных волокон).

3. Морфологическая - образование в клетках множества специализированных структур, а в тканях - множества клеточных форм.

Процесс дифференцировки на тканевом уровне, в ходе которого ткани принимают характерный для них вид, называется гистогенезом. С ним тесно связан еще один механизм развития, называемый морфогенезом. Этот механизм представляет собой комплекс процессов, формирующих внешнюю и внутреннюю конфигурацию зародыша. При этом активную роль играет еще один комплекс механизмов: пролиферация (деление); миграция и агрегация клеток; секреция внеклеточного матрикса; локальная гибель клеток.

К результатам морфогенетических процессов можно отнести, например, формирование бронхиального дерева, форму конечностей или глазного яблока, образование структуры пера или сложного рисунка пальцев.

Однако, изначальное возникновение и причины морфогенеза до конца еще не изучены. В настоящее время имеются данные, свидетельствующие о том, что на очень ранних стадиях развития многих структур, еще до начала клеточной дифференцировки, закладывается некий невидимый план пространственной структуры организма, и дальнейшее развитие протекает по этому плану. В дальнейшем, происходит реализация этого плана с помощью уже перечисленных процессов.

Существующая сейчас концепция «позиционной информации» в какой-то мере объясняет поведение клеток при их взаимодействии в ходе морфогенеза. Эта концепция сводится к тому, что каждая клетка любого зачатка в ходе развития способна, во-первых, оценивать свое местоположение в координатной системе, заложенной в зачатке органа и, во-вторых, способна дифференцироваться в соответствии с этим местоположением.

 

Дробление

Развитие большинства живых организмов можно подразделить на несколько этапов:

1. Дробление зиготы на множество более мелких клеток.

2. Гаструляция, при которой клетки претерпевают сложные перемещения, приводящие к образованию полости первичной кишки.

3. Гистогенез, органогенез и дифференцировка. В это время оформившиеся зачатки органов и систем растут и дифференцируются.

Процесс дробления может происходить по разному в зависимости от многих факторов. В первую очередь на дробление влияет среда обитания организма, имеет значение и строение яйцеклетки. Важнейшим фактором является количество желточных включений и их распределение в яйцеклетке. В связи с этим различают два типа дробления:

1.Полное (голобластическая яйцеклетка):

а) равномерное,

б) неравномерное.

2. Неполное - частичное (меробластическая яйцеклетка):

а) дискоидальное (пресмыкающиеся, птицы),

б) поверхностное (членистоногие).

Во время дробления наблюдаются очень быстрые волны митотических клеточных делений, следующих одна за другой. В результате этих делений из одноклеточной крупной зиготы образуется скомпонованная масса клеток в виде плотного скопления без полости - морула. Клетки морулы морфологически и метаболически еще не специализированы.

Затем у образующегося зародыша образуется центральная полость (бластоцель) и наступает стадия бластулы. В зависимости от разновидности дробления образуются разные виды бластул:

1. Целобластула - равномерная (у ланцетника),

2. Амфибластула - неравномерная (у амфибий),

3. Дискобластула (у птиц),

4. Стерробластула (кишечнополостные),

5. Бластоциста (млекопитающие),

6. Перибластула (насекомые).

Входящие в состав бластулы бластомеры начинают дифференцироваться, что проявляется в синтезе разных РНК. В результате клетки начинают взаимодействовать друг с другом новыми и разными способами.

Характер дробления определяется не только количеством желтка и его распределением, но и взаимным расположением клеток, т.е. их полярностью и полярностью эмбриона.

В настоящее время развитие зародыша рассматривают, пользуясь системой трех осей:

- кранио-каудальная (от головы к хвосту);

- дорсовентральная (от спины к животу);

- медиолатеральная (от плоскости симметрии влево и вправо).

Однако каким образом эти оси устанавливаются в шаровидном яйце, до настоящего времени остается еще не ясно. Хотя по некоторым данным, плоскость симметрии у зародыша лягушки определяется особой точкой противоположностей, в которой в которой спермий проникает в яйцеклетку. Именно здесь спустя 2 часа после оплодотворения у некоторых видов амфибий под оболочкой яйцеклетки появляется характерная структура, называемая серым серпом. Как правило, эта структура появляется вдоль границы между темной цитоплазмой анимального полюса и светлой цитоплазмой вегетативного полюса. Средний участок серого серпа соответствует среднеспинной плоскости тела, определяя тем самым дорсовентральную ось будущего зародыша. Учитывая то, что анимальный полюс в конечном итоге образует головной отдел, а вегетативный полюс - хвостовой отдел зародыша, то наложение дорсовентральной оси на уже существующую краниокаудальную ось чисто геометрически определяет положение третьей оси - медиолатеральной.

Следовательно, еще до начала дробления у зародыша амфибии можно установить три главные оси симметрии.

Серый серп также играет важную роль в регуляции развития, т.к. именно здесь формируется дорсальная губа бластопора, в связи с чем этот участок называется зародышевым организатором. Например, если удалить серый серп на одноклеточной стадии, то дробление происходит, а гаструляция не начинается. Если серый серп на ранних стадиях (два бластомера) разрезать на 2 части и не дать им слиться, то развиваются два зародыша.

Образующиеся в ходе дробления клетки - бластомеры - соединяются между собой щелевидными контактами, обеспечивающими электрическую сопряженность клеток. В наружном слое бластомеры соединяются плотными контактами, которые изолируют внутреннюю среду зародыша от внешней. Между бластомерами уже со стадии 4 и более клеток (у амфибий) образуется небольшая полость, заполненная продуктами жизнедеятельности бластомеров. Эта полость постоянно увеличивается и называется полостью дробления, или бэровской полостью. Постепенно слой бластомеров приобретает вид эпителиального пласта, а полость дробления превращается в полость бластулы - бластоцель (т.е. первичная полость зародыша). Слои клеток, составляющие стенку бластулы, называются бластодермой, которая может быть либо однослойная (ланцетник, морской еж), либо многослойной (амфибии).

Таким образом, процесс дробления можно рассматривать не только как стадию простого увеличения количества клеток зародыша, а и одновременное увеличение количества генетического материала (ДНК), что не менее важно. Кроме того, образование множества отдельных клеток способствует возникновению различий в экспрессии (активации) генетического материала зародыша. Это достигается путем синтеза различных и уникальных видов РНК и белков, что в свою очередь создает основу для клеточной дифференцировки. Для реализации этих клеточных функций необходимо, чтобы размеры клеток соответствовали обычному ядерно-цитоплазматическому соотношению, что и наблюдается в ходе дробления.

По мере созревания бластулы, ее деятельность направляется на подготовку к следующему этапу - гаструляции. Эта подготовка проявляется не только в изменении характера синтеза, но также в изменении свойства плазматических мембран клеток и их взаимодействий, а также в перемещениях клеток относительно друг друга. Как правило, в этот период, между концом дробления и началом гаструляции, не имеется четкой границы.

Гаструляция - процесс, при котором клетки приобретают способность к направленным морфогенетическим перемещениям. В ходе этих перестроений из однослойной (однородной) бластулы образуется зародыш, состоящий как минимум, из двух зародышевых листков: наружный - эктодерма, внутренний - энтодерма. Однако на этом этапе клеточные перемещения не заканчиваются, а продолжаются, в результате чего группы клеток, удаленные друг от друга, сближаются и между ними устанавливаются индукционные взаимодействия, обеспечивающие становление основных систем организма. Гаструляция совершается 4-мя основными механизмами: инвагинация; иммиграция; деламинация; эпиболия. В основе этих процессов лежат изменения свойства клеток, составляющих бластулу:

1. Способность клеток изменять свою форму, что вызывает изменения кривизны слоя бластодермы;

2. Ввозможность морфогенетических движений, что проявляется в приобретении клетками способности вытягиваться, прикрепляться, сокращаться, образовывать псевдоподии;

3. Сохранение способности деления и роста клеток в разных участках зародыша с разными скоростями.

В изучении процессов гаструляции большую роль сыграла методика прижизненной маркировки (витальное окрашивание) различных бластомеров с последующим изучением судьбы этих клеток в процессе гаструляции и органогенеза. Эта методика была предложена Фогтом в 1925 г. С помощью этого метода он создал так называемые карты презумптивных зачатков. Наиболее простой тип гаструляции (инвагинация) хорошо изучен на примере ланцетника. При этом из однослойного шара образуется двухслойная чаша с полостью, которую назвали гастроцель, или архептерон (первичная кишка). Отверстие, через которое сообщается гастроцель с внешней средой, называется бластопор. Наружный слой клеток слой клеток - эктодерма, внутренний слой - энтодерма. Между ними формируется слой клеток среднего зародышевого листка - мезодермы.

У амфибий гаструляция совершается почти подобным образом, но имеются и отличия, связанные, во-первых, с тем, что пласт клеток бластодермы образован несколькими слоями клеток, во-вторых, что движению инвагинирующих клеточных слоев препятствуют клетки, содержащие много желтка, и что в свою очередь усложняет геометрию гаструляции.

Впячивание энтодермы начинается не на вегетативном полюсе, а несколько в стороне от области серого серпа. Здесь образуется углубление (будущий бластопор), которое постепенно расширяется в виде дуги и затем превращается в окружность. Центр этой окружности занимают крупные клетки, заполненные желтком и называемые клетками желточной пробки.

Расположенные по периметру этой окружности клетки, подворачиваясь, уходят с поверхности вокруг губ бластопора и движутся вглубь зародыша. В это же время эпителий в области анимального полюса активно разрастается, занимая место клеточных пластов, ушедших внутрь. В дальнейшем эпителий анимального полушария покрывает всю наружную поверхность зародыша, а окружность бластопора сжимается до точки.

Важнейшим участком зародыша во время гаструляции является дорсальная губа бластопора, т.к. именно этот участок играет ключевую роль в запуске гаструляции, а, следовательно, и в построении всего тела. Этот участок зародыша получил название зародышевый организатор, или