Дополнительные сведения и гипотезы. Адаптация путем изменения процесса дробления зародыша.

Радиальное голобластическое дробление – наиболее простой пример для описания процесса дробления. Такой тип дробления присущ иглокожим и представителю бесчерепных – ланцетнику. Борозды при этом типе дробления ориентированы параллельно и перпендикулярно анимально-вегетативной оси яйца (рис. 16, 17). Следовательно, первая борозда дробления проходит непосредственно через анимальный и вегетативный полюсы и приводит к образованию двух дочерних клеток одинаковых размеров. Такое деление называют меридиональным, поскольку борозда проходит через два полюса подобно меридиану на глобусе. Таким образом, два первых деления дробления меридиональны и перпендикулярны друг другу. Третье деление бывает экваториальным: митотические веретена в каждом бластомере распологаются параллельно анимально-вегетативной оси, и возникающие борозды отделяют полюсы один от другого, причем зародыш разделяется на восемь бластомеров равной величины. Каждый бластомер анимальной половины зародыша теперь распологается непосредственно над бластомером вегетативной половины.

Дробление у зародышей большинства бесхвостых и хвостатых амфибий радиально-симметричное и голобластическое, как у иглокожих. Однако яйцо амфибий содержит гораздо больше желтка. Этот желток, сосредоточенный в вегетативном полушарии, затрудняет дробление. Так, первое деление начинается на анимальном полюсе и медленно распространяется вниз на вегетативную область.

Спиральное голобластическое дробление. Спиральное дробление характерно для нескольких групп червей (кольчатых, турбеллярий, немертин) и всех моллюсков, за исключением головоногих. Оно во многих отношениях отличается от радиального дробления. Во-первых яйца не делятся параллельно или перпендикулярно анимально-вегетативной оси. Плоскости делений дробления ориентированы наклонно, что приводит к «спиральному» расположению дочерних бластомеров. Во-вторых число контактов между клетками больше, чем при радиальном дроблении. В-третьих, зародыши со спиральным типом дробления проходят меньше делений до начала гаструляции. На рис. 18 и 19 показано дробление зародыша моллюска. Первые два деления почти меридиональны и приводят к образованию четырех крупных макромеров (обозначенных А, В, С и D). У многих видов эти бластомеры различаются по своим размерам (причем D бывает самым крупным) – это позволяет идентифицировать отдельные бластомеры. При последующих делениях каждый макромер на своем анимальном полюсе отделяет маленький микромер. Каждый последовательно появляющийся квартет микромеров смещается вправо или влево относительно сестринских макромеров, что приводит к характерному для данного типа дробления расположению бластомеров по спирали.

Билатеральное голобластическое дробление встречается главным образом у асцидий (оболочники). На рис. 20 представлены стадии дробления у асцидии Styela partita. Наиболее замечательная особенность этого типа дробления заключается в том, что плоскость первого деления устанавливает единственную плоскость симметрии зародыша. Каждое последующее деление ориентируется по отношению к этой плоскости симметрии, так, что половина зародыша по одну сторону от первой борозды представляет собой зеркальное отражение половины зародыша по другую ее сторону. Второе деление так же, как и первое, меридиональное, но в отличие от первого борозды не проходят через центр яйца. В результате этого деления возникают две крупные передние клетки и две задние меньшего размера. На каждой стороне теперь имеются один крупный и один небольшой бластомер. При трех последующих делениях различия в размерах и форме бластомеров подчеркивают билатеральную симметрию зародышей. На 32-клеточной стадии формируется небольшой бластоцель, и начинается гаструляция.

Чередующееся (вращательное) голобластическое дробление происходит у млекопитающих и нематод. Неудивительно, что труднее всего изучать дробление у млекопитающих. Яйца млекопитающих относятся к числу самых мелких в животном царстве, что делает затруднительной экспериментальную работу с ними. Диаметр зиготы человека, например, составляет всего лишь 100 мкм, и ее объем меньше одной тысячной объема яйца шпорцевой лягушки. Кроме того, по количеству зигот, которые могут быть получены от одной особи, млекопитающие несравнимы с морскими ежами или лягушками. Обычно у самки млекопитающего одновременно овулирует менее 10 яиц, так что получить достаточное количество материала для биохимических исследований весьма затруднительно. И последня трудность заключается в том, что развитие млекопитающих происходит в организме матери, а не во внешней среде. Только недавно появилась возможность воспроизводить некоторые из условий, имеющихся в организме, и наблюдать за развитием зародыша in vitro.

Преодоление всех этих трудностей для изучения дробления млекопитающих было оправдано, так ка оказалось, что этот процесс резко отличается от того, как делится большинство эмбриональных клеток. Ооцит млекопитающих, высвобождаясь яичника попадает в яйцевод. Оплодотворение происходит в ампуле яйцевода – его отделе, расположенном вблизи яичника. В это время мейоз завершается, и приблизительно через сутки начинается первое деление дробления. Деления дробления млекопитающих относятся к числу самых медленных, встречающихся в животном царстве. Каждое из них продолжается от 12 до 24 ч. Тем временем реснички слизистой яйцевода продвигают зародыш по направлению к матке; первые деления происходят во время перемещения яйца по яйцеводу. Дробление у млекопитающих отличается от других типов дробления по многим признакам. Первая его особенность заключается в относительно медленном темпе делений. Второе важное отличие состоит в своеобразном расположении бластомеров относительно друг друга. Первое деление представляет собой нормальное меридиональное деление; однако при втором делении один из двух бластомеров делится меридионально, а второй – экваториально (рис. 21). Этот тип дробления был назван чередующимся (rotational). Третьим важным отличием дробления у млекопитающих является выраженная асинхронность раннего дробления. Бластомеры у млекопитающих не делятся все одновременно, поэтому у зародышей не происходит равномерного нарастания числа бластомеров от 2-клеточной к 4- и 8-клеточным стадиям; зародыши часто содержат нечетное число клеток.

Компактизация. Быть может, самое важное отличие дробления у млекопитающих от всех других типов дробления заключается в явлении компактизации. Бластомеры млекопитающих на 8-клеточной стадии распологаются рыхло, между ними остаются большие пространства. Однако после третьего деления поведение бластомеров резко изменяется. Они внезапно сближаются, площадь контакта между ними максимально увеличивается, и они образуют компактный клеточный шар (рис.22). Эта тесная упаковка стабилизируется плотными контактами, которые образуются между клетками, расположенными на поверхности шара, и изолируют лежащие внутри клетки. Между клетками внутри шара возникают щелевые контакты, которые позволяют малым молекулам и ионам переходить из клетки в клетку.

Клетки компактизированного зародыша делятся и образуют 16-клеточную морулу. Такая морула состоит из небольшого числа внутренних клеток, окруженных более многочисленными наружными клетками. Большая часть потомков наружных клеток становится клетками трофобласта (или трофэктодермы). Эта группа клеток не образует эмбриональных структур, а превращается в хорион, участвующий в образовании плаценты. Ткани плаценты обеспечивают получение плодом кислорода и питательных веществ от матери; секретируют гормоны, необходимые для того, чтобы материнская матка продолжала вынашивать плод; синтезируют регуляторы иммунного ответа, благодаря которым мать не отторгает зародыш, как это произошло бы с пересаженным органом. Однако клетки трофобласта неспособны образовывать ни одной клетки самого зародыша. Они необходимы для имплантации зародыша в стенку матки.

Зародыш формируется потомками внутренних клеток 16-клеточного зародыша, к которым иногда добавляется клетка, отделившаяся от трофобласта при переходе 32-клеточной стадии. Эти клетки образуют внутреннюю клеточную массу (ВКМ), которая и дает начало зародышу. Клетки ВКМ отличаются от клеток трофобласта не только по своему виду, но и по спектру белков, которые они синтезируют на этой ранней стадии. К стадии 64 клеток внутренняя клеточная масса и клетки трофобласта превращаются в полностью сформированные клеточные слои, ни один из которых не поставляет клеток другой группе. Таким образом, возникновение различий между бластомерами трофобласта и внутренней клеточной массы является первым процессом дифференцировки в развитии млекопитающих.

Меробластические типы дробления. Количество желтка играет важную роль в дроблении яйца. Нигде это не выступает с большей очевидностью, чем при меробластических типах дробления. Здесь большое количество желтка препятствует разделению всей цитоплазмы яйца, за исключением небольшой ее части. При дискоидальном дроблении клеточные деления ограничены небольшим диском свободной от желтка цитоплазмы, распологающимся над желточной массой; при поверхностном дроблении яиц с желтком, расположенным в центре, деление возможно только в периферическом слое цитоплазмы.

Дискоидальное дробление характерно для рыб, птиц и рептилий. При дроблении яйца птицы большая часть объема яйца занята желтком, так что дробление присходит только в области бластодиска у анимального полюса яйца (рис. 23). Поскольку деления дробления не распространяются на богатую желтком цитоплазму, на ранних стадиях дробления клетки у своего основания не отделены друг от друга. В результате экваториальных делений образуется однослойная бластодерма, затем она преобразуется в трех- или четырехслойный клеточный пласт. Между бластодермой и желтком имеется пространство, называемое подзародышевой полостью. На этой стадии четко различимы две области бластодиска: светлое поле (), соответствующее той его части, которая распологается над полостью, и темное поле (), состоящее из клеток, расположенных по краю бластодиска и прилежащих к желтку.

К тому времени, когда курица откладывает яйцо, бластодерма содержит около 60 000 клеток. Некоторые из этих клеток выселяются в подзародышевую полость, где образуют второй слой (рис. 24). Таким образом, вскоре после откладки в яйце курицы имеются два слоя клеток: наружный эпибласт и лежащий под ним гипобласт. Между ними находится бластоцель.

Богатые желтком яйца рыб дробятся сходным образом: клеточные деления у них происходят только в бластодиске, распологающемся в области анимального полюса. Микрофотографии дробящегося яйца рыбы, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 25), прекрасно демонстрируют неполный характер дискоидального дробления.

Поверхностное дробление. Яйцам насекомых свойственно поверхностное дробление, при котором из-за большой массы центрально расположенного желтка дробление ограничено поверхностным слоем цитоплазмы. Одна из примечательных особенностей этого типа дробления заключается в том, что обособление клеток происходит только после многократного разделения ядер. Дробление яйца насекомого представлено на рисунке 26. Ядро зиготы претерпевает несколько митотических делений в центральной области яйца. У дрозофилы в результате ряда таких делений продолжительностью 8 мин каждое образуется 256 ядер. Затем ядра с окружающими их островками цитоплазмы (энергиды) мигрируют на периферию яйца, где митозы продолжаются, но с убывающей скоростью. Теперь зародыш носит название синцитиальной бластодермы, так как все ядра дробления заключены в общей цитоплазме и какие-либо плазматические мембраны, кроме мембраны самого яйца, отсутствуют. Ядра, мигрирующие к заднему полюсу яйца, вскоре окружаются новыми плазматическими мембранами, образуя полярные клетки зародыша. Эти клетки дают начало половым клеткам взрослого организма. Таким образом, одним из первых событий в развитии насекомых является отделение будущих половых клеток от остальных частей зародыша.

После образования полярных клеток плазматическая мембрана яйца образует впячивания, которые углубляются между ядрами и в конечном счете обособляют каждое из них в отдельной клетке. В результате возникает клеточная бластодерма, клетки которой однослойным покровом одевают богатую желтком сердцевину яйца. У дрозофилы этот слой состоит приблизительно из 6000 клеток и формируется в первые 3 часа после оплодотворения. Распределение клеток в бластодерме не равномерное и не случайное; они концентрируются на вентральной поверхности, обозначая место, где возникнут зародышевые листки. Эта область называемая зародышевой полоской, дает начало всем клеткам насекомого. Остальные клетки бластодермы образуют внезародышевые оболочки. Рис 27.

Гаструляция.

Процесс дробления завершается образованием бластулы. Вслед за этим начинается период гаструляции. Гаструляция представляет собой в высшей степени интегрированный процесс миграции клеток и тканей, приводящий к резкому перераспределению клеток бластулы. Бластула состоит из большого числа клеток, локализация которых определяется в период дробления. Во время гаструляции эти клетки занимают новое положение и приобретают новых соседей. В этот период устанавливается план строения многослойного тела животного. Клетки, которые в будущем образуют энтодермальные и мезодермальные органы, попадают внутрь зародыша, тогда как клетки, из которых возникнут кожа и нервная система, распространяются по его поверхности. Таким образом, три зародышевых листка – наружная эктодерма, внутренняя энтодерма и лежащая между ними мезодерма – впервые формируются в процессе гаструляции. Кроме того, в этот период создаются условия для взаимодействия между ними.

Движения гаструляции охватывают всего зародыша, и миграции клеток в одной его части должны быть скоординированы с происходящими одновременно движениями в другой. Характер гаструляции в животном царстве необычайно сильно варьирует, однако осуществляется она при участии сравнительно немногочисленных механизмов.

В самом общем виде гаструляцию характеризуют понятия эпиболия и эмболия. Под эпиболией понимается процесс перемещения клеток по поверхности зародыша, под эмболией – перемещение клеток внутрь зародыша. Эпиболия и эмболия – это описательные характеристики морфогенетических движений клеток, происходящих на всех этапах онтогенеза, но во время гаструляции они наиболее выражены.

Основные типы движения клеток следующие: Инвагинация – впячивание участка клеточной стенки зародыша, инволюция – вворачивание внутрь зародыша увеличивающегося в размерах наружного пласта клеток, который распространяется по внутренней поверхности остающихся снаружи клеток, ингрессия (иммиграция: однополюсная или многополюсная, выселение) – миграция клеток по отдельности из поверхностного слоя внутрь зародыша, деламинация – разделение единого пласта клеток на два слоя, растяжение клеток, конвергенция – схождение клеток и дивергенция – расхождение клеток (рис. 28). На рисунке 29 изображены четыре способа образования мезодермы.

В формообразовательных процессах заметную роль играет согласованное изменение формы клеток. В изменении формы клетки принимают участие элементы цитоскелета и прежде всего такие структуры, как микротрубочки (МТ), микрофиламенты (mf) и промежуточные филаменты. В создании формы клетки играют роль промежуточные филаменты., также входящие в состав цитоскелета. Помимо определения формы цитоскелет обусловливает движение клеток и клеточное деление, тем самым участвуя в создании структуры тканей и формы органов.

С известной долей условности можно принять, что вытяжение и поляризация клеток осуществляется с помощью ориентировки микротрубочек. У некоторых кишечнополостных поляризация наружного слоя клеток служит основным механизмом гаструляции. В то же время в сложных типах гаструляции этот процесс является одним из элементов перестроек.

Сокращение клеточных тел осуществляется с помощью микрофиламентов, выполняющих функцию цитомускулатуры.

В процессе гаструляции могут принимать участие как свободно мигрирующие клетки, так и перемещение клеточных пластов. Направление клеточной миграции определяется дистантными и контактными взаимодействиями. Дистантные взаимодействия в обычных морфогенезах, тем более ранних, маловероятны, специальны и редки. Контактные взаимодействия, открытые П.Вейсом в 20-х гг ХХ в. для клеток в культуре, по-видимому, случаются и в эмбриогенезе. Ориентирующим субстратом здесь могут служить фибриллы межклеточной среды и соседние клетки. Для оценки значимости биологии клеток в морфогенетических процессах вообще и гаструляции в частности чрезвычайно важны данные опытов Дж. Гольтфретера. Еще в 30-х годах он, помещая кусочки ранних зародышей амфибий в бескальциевую и безмагниевую среду, добивался того, что они рассыпались на отдельные клетки. При добавлении в среду кальция происходила реассоциация этих клеток и образовывались клеточные конгломераты. Если диссоциации подвергались гаструлы амфибий, то в реассоциированных конгломератах наблюдалось воссоединение клеток в соответствии с их происхождением из того или иного листка. Клетки эктодермы соединялись с клетками эктодермы, клетки мезодермы – с клетками мезодермы, клетки энтодермы – с клетками энтодермы. В результате такой сегрегации зародышевые листки в реассоциированном конгломерате восстанавливали нормальное взаиморасположение. Предпологается, что процесс реассоциации и сегрегации – стохастический, т.е. основан на случайных контактах клеток друг с другом, а избирательная реорганизация зависит от взаимной адгезивности их мембран при контактных взаимодействиях. По гипотезе Т.Роземана, узнавание клеток основано на механизме фермент-субстрат. На поверхности взаимодействующих клеток расположены фермент и субстрат. Фермент, соединяясь с субстратом, не «откусывает» его, а соединяет клетки. Интересно отметить, что дальнейшее существование клеток на стадии гаструлы у амфибий сопряжено с обязательным изменением их формы, характерной для амебоидного движения. Клетки зародышей амфибий в культуре, не прошедшие фазы амебоидной миграции, не способны использовать свой желток и погибают.

Адгезивность и подвижность неодинаковы у клеток разных листков. Клетки эктодермы, контактируя друг с другом, образуют непрерывный пласт, т.е. эпителизуются. Они способны распространятся над мезодермой и энтодермой. Клетки мезодермы имеют тенденцию инвагинировать в любое находящееся поблизости скопление клеток и даже в то, которое образуют сами. Клетки энтодермы относительно неподвижны.

Избирательное сродство у клеток амфибий появляется на стадии поздней бластулы, а характерно оно не только для амфибий, но и для всех животных вообще. Возможно, что для морфогенезов губок, гидр, гаструл морских ежей и отчасти амфибий достаточна способность клеток ползать, узнавать и избирательно соединяться друг с другом. Более сложные формы морфогенезов предпологают и другие качества, из которых многие неизвестны.