Закономерности, связанные с формой и движениями бластомеров

В олиголецитальных яйцах образование осей зародыша и закономерности расположения веретен деления не всегда объяснить, исходя из расположения желтка, так как его слишком мало. Морфология дробления зависит от ориентации веретен, что определяется правилами Гертвига-Сакса. В яйцах с малым количеством желтка есть дополнительные правила: 1) взаимные повороты при каждом делении (спиральное дробление), 2) интерфазные движения бластомеров (аскарида, кишечнополостные, млекопитающие).

Известно несколько типов расположения бластомеров, из них главные: радиальный (например, ланцетник, осетровые, амфибии, иглокожие). При этом типе дробления бластомеры разных ярусов располагаются довольно точно один над другим, так что полярная ось яйца служит переднезадней осью зародыша.

Спиральный тип дробления. В наиболее ясном виде проявляется у моллюсков, кольчатых и ресничных червей. Это название возникло из-за того, что при взгляде с анимального полюса последовательно отделяющиеся четверки бластомеров (квартеты) поворачиваются относительно АВ оси то в правую, то в левую сторону. В одних яйцеклетках повороты будут налево, а в других – направо. Это – генетическое свойство и зависит от матери. Эти повороты происходят во время цитотомии и определяеются изменением положения веретена во время анафазы.

Билатеральный тип дробления. Наблюдается у круглого червя аскариды. В этом случае 1ое деление дробления экваториальное и образуются анимальный и вегетативный бластомеры. Анимальный бластомер определяет головной конец формирующегося организма, а вегетативный – хвостовой. Затем анимальный бластомер делится меридионально, а вегетативный – с помощью широтной борозды. Возникает Т-образная фигура из 4х бластомеров. Путем поворота вегетативных бластомеров образуется ромбическая фигура. Этот поворот бластомеров происходит во время интерфазы.

Анархический тип дробления. Наблюдается у кишечнополостных. Бластомеры слабо связаны между собой и располагаются неправильными цепочками. При наиболее выраженной “анархии” сестринские клетки могут быть различной величины, а под ударами волны могут распадаться и давать начало полноценным зародышам. Затем бластомеры объединяются теснее и дают плотное скопление –морулу. При этом типе дробления интерфазные движения бластомеров играют большую морфогенетическую роль в определении передне-задней оси личинки. (пример Clava multicornis). У гидроидных полипов было найдено такое интересное явление как эквифинальность, связанное с тем чтоу одного и того же вида может существовать несколько разных типов дробления, что приводит к образованию или морулы, или бластулы или “псевдоперибластулы”, но последующие морфогенетические процессы в конечном счете приведут к формированию однотипной личинки – планулы. Пример – Dynamena pumila.

Дифференцировка бластомеров в ходе дробления.

Дробление у многих беспозвоночных (гребневиков, круглых и кольчатых червей и моллюсков) называется детерминационным. Это означает, что уже с самого начала развития с самых ранних стадий дробления различные бластомеры имеют закономерно свою собственную судьбу – они детерминированы, т.е. имеют свое собственное предназначение в дальнейшем развитии зародыша. Такие бластомеры могут отличаться друг от друга по величине, расположению, форме и по внутренним свойствам. Такая ранняя детерминация по-видимому связана с ооплазматической сегрегацией в ходе дробления и с взаимодействием бластомеров между собой.

Ооплазматическая сегрегация

Рассмотрим это явление на примере развития гребневиков. В их яйцах до начала дробления имеется внешний тонкий слой (ободок) цитоплазмы, если его рассматривать в темном поле, зеленого цвета. Это эктоплазма. Внутренняя цитоплазма бесцветна. В течении первых трех делений дробления при каждом делении эктоплазма смещается в борозду, а затем размещается снова по периферии бластомеров. В ходе этих трех делений возникает 8 одинаковых бластомеров. Потом деления становятся резко неравномерными: крупные бластомеры отпочковывают от себя мелкие клетки (микромеры), которые целиком состоят из зеленой эктоплазмы. В последующих тоже неравномерных делениях от макромеров постепенно отделятся все микромеры с зеленой эктоплазмой. На этом ооплазматическая сегрегация заканчивается. Микро- и макромеры будут резко различаться в своей судьбе, которую уже не изменить никакими экспериментальными воздействиями. Микромеры дадут начало покровной ткани, а макромеры – кишечным структурам.

Среди форм со спиральным дроблением также есть примеры ооплазма-тической сегрегации. Рассмотрим это на примере моллюска Dentalium. В его яйце еще до начала дробления на вегетативном полюсе есть так называемая полярная плазма. В ходе каждого деления дробления она выпячивается в виде полярной лопасти. Образующиеся борозды всегда её огибают, так что она остается в каком- либо одном бластомере. Это продолжается до 3го деления, когда полярная плазма остается в бластомере, обозначаемом как 1Д. Затем полярная плазма распределяется между его потомками. Больше всего её в бластомерах 2d и 4d. Их потомки образуют большую часть органов личинки. Потомки 2d остаются на поверхности тела и формируют поверхностные органы, а потомки 4d – оказываются внутри и дают начало многим внутренним образованиям. Если отрезать полярную лопасть, то разовьется уродливый зародыш.Если разделить бластомеры на стадии 2 бластомеров, то АВ- разовьется в дефектный зародыш, а СД – в нормальный.

Интересный пример детерминированного развития дают круглые черви – аскариды. На В полюсе яйца находится в норме материал Р. В ходе билатерального дробления, как мы уже знаем, формируется пластинка из 4х бластомеров. На этой стадии судьбы их четко определены. Анимальные бластомеры А и В дадут начало покровам. Бластомер Р₂ – предок гоноцитов, т.е. первичных половых клеток, а четвертый бластомер со сложным названием Emst очень многим внутренним органам. На данной стадии развития между бластомерами происходят взаимодействия, которые определят их дальнейшую судьбу. Однако, от чего зависит эта детерминация, сказать трудно. В то же время было показано, что в эксперименте можно изменять положение веретена деления, но независимо от этого развитие пойдет правильно.Это показывает, что развитие зависит от характера дробления, а не только от состава яйца. (РИСУНОК)

На круглых червях также показано, что судьба бластомеров зависит от числа соседей-бластомеров, с которыми он контактирует. Внутренняя ткань разовьется из бластомера, имеющего наибольшее число контактов. (РИС).

Контактные взаимодействия имеют особо важное значение для спирально дробящихся форм. У некоторых моллюсков бластомер 3D увеличивается в размерах и устанавливает контакты со всеми другими бластомерами. Именно этот бластомер будет давать начало зачаткам большинства органов.

 

Тема 5. Гаструляция.

После окончания дробления, приведшего к восстановлению ядерно-плазменого отношения, становится активным весь геном зародыша, и зародыш получает свою неповторимую судьбу. Начинаются активные клеточные перемещения. Вся совокупность движений клеток и клеточных группировок приводит к расчленению зародыша на зародышевые листки. Этот процесс активного клеточного перемещения, который приводит к первичной дифференцировке клеток и образованию трех зародышевых листков, называется гаструляцией.

Зародышевые листки – первичные клеточные образования, возникающие при гаструляции и дающие начало определенным системам органов. Все животные, кроме губок, расчленяются на эти листки.

Имеется три зародышевых листка:

1. Эктодерма – возникающая из клеток, которые в ходе гаструляции оказываются на поверхности зародыша. Она дает ЦНС и покровную ткань.

2. Энтодерма – образуется из клеток, которые в ходе гаструляции оказываются внутри зародыша. Это самый внутренний листок. Впоследствии дает кишечник (выстилку) и его производные (поджелудочная железа, печень, легкие).

3. Мезодерма – образуется из клеток, которые в ходе гаструляции занимают промежуточное положение. Её производные – хорда, скелет, кровеносная система, мышцы, а также входит в состав большинства внутренних органов. Это третий зародышевый листок, потому что в процессе эволюции возник последним. Есть животные, лишенные мезодермы – кишечнополостные. На их примере познакомимся с различными способами гаструляции – расчленении на зародышевые листки.

Способы гаструляции.

1. Деламинация – расслоение. Конечным результатом у большинства кишечнополостных является морула, плотный комок клеток. Во время гаструляции клетки её эпителизуются – становятся ровными столбиками. Затем появляется мембрана, которая отделяет внешний слой – эктодерму - от внутренней массы клеток. В этом случае нет никаких клеточных перемещений. Клетки просто “подравниваются” в общий строй. Процесс эпителизации начинается в одном месте и распространяется во все стороны. Затем во внутренней клеточной массе возникает щель путем расхождения клеток. Так формируется полость кишечника – гастроцель, стенки которой составляют энтодерму. Такой способ образования гастроцели – путем расхождения клеток называется шизоцельным.

2. Иммиграция - Если дробление у кишечнополостных заканчивается формированием целобластулы, то гаструляция протекает способом иммиграции: выселением клеток из стенки бластулы внутрь. Иммиграция бывает мульти- би- и униполярной.

3. Инвагинация – впячивание. Этот способ наблюдается у некоторых кишечнополостных, если в результате дробления образуется целобластула. Помимо кишечнополостных наблюдается у асцидий и иглокожих. В этом случае полость вворачивания становится гастроцелем,а ведущее в него отверстие называется первичным ртом или бластопором. Края бластопора называются его губами. Клеточный матриал все время проходит через губы бластопора. Если материал пометить, то можно увидеть клеточное перемещение. Это как клеточный поток - губы бластопора непрерывно меняются.

4. Эпиболия – обрастание. Происходит в том случае, если в результате дробления образуется амфибластула. В чистом виде наблюдается у малощетинковых червей - олигохет. Их амфибластула характеризуется очень большими различиями в размерах анимальных и вегетативных бластомеров. Мелкие анимальные бластомеры обрастают крупные вегетативные. Гастроцель образуется шизоцельным путем.

Во всех разобранных случаях мы говорили об образовании экто- и энтодермы. Как же образуется мезодерма?

Материал, оставшийся на поверхности зародыша после завершения гаструляции, - это наружный зародышевый листок – эктодерма. Что касается погрузившегося внутрь материала, то лишь у кишечнополостных он предста-вляет собой чистую энтодерму. У всех вышестоящих систематических групп погрузившийся внутрь материал содержит кроме энтодермы ещё материал мезодермы, которая потом отделяется от энтодермы.

Как известно, все животные делятся на Protostomia – первичноротые и Deutostomia- вторичноротые. Большей частью это связывают со способом образования мезодермы. Многие первичноротые используют телобласти-ческий способ образования мезодермы (круглые черви, многие ракообразные и моллюски). Во время инвагинации в области бластопора в бластоцель выходят две большие клетки телобласты. Это потомки бластомера 4d, образовавшемся в раннем дроблении на стадии 64 бластомеров. В этом бластомере находится материал полярной плазмы или полярной лопасти. Телобласты начинают делиться и образуют полоски клеток. Это и есть мезодерма.Затем они образуют скопления клеток. Это – сомиты. Внутри сомитов клетки расходятся и формируются зачатки вторичной полости тела – целом. Если полярную плазму удалить, то мезодерма не образуется. Таким образом при телобластическом способе закладки целомическая мезодерма образуется из двух бластомеров со строго определенной генеалогией. Мезодерма при этом никак не связана с энтодермой, образующейся из других бластомеров.

У вторичноротых используется энтероцельный способ образования мезодермы. В наиболее ясном виде он наблюдается например, у иглокожих и ланцетника. При инвагинации энтодермы вместе с ней инвагинируют и закладки мезодермы. Границы между ними неразличимы. Такое впячивание, включающее в себя материал и энтодермы и мезодермы (а у хордовых ешё и хорды), называется первичным кишечником или архентероном. Соответственно гастроцель в этих случаях будет полостью первичной кишки. Мезодерма затем отшнуровывается в виде двух карманов (чаще всего), которые замыкаются и формируют материал сомитов и целом. Таким образом стенка гастроцеля вторичноротых – архентерона - состоит из двух закладок- энтодермы и мезодермы.

Чаще всего при гаструляции наблюдается комплекс различных способов формирования зародышевых листков. Рассмотрим это на примере гаструляции у амфибий.

Гаструляция у амфибий.

Результатом дробления у лягушки является амфибластула с тонкой крышей и толстым дном. Если посмотреть на живую икринку, то видно, что клетки А полюса имеют темную окраску, благодаря присутствию пигмента меланина, а клетки В полюса – светлые. Клетки А полюса мелкие, а В полюса – крупные. Если разрезать икринку, то на срезе видно то же самое. Но оказывается, что различие между клетками не только в размерах и окраске, но и в их дальнейшей судьбе. Во время оплодотворения выделяется район серого серпа – в экваториальной зоне, где-то посредине между А и В полюсами. При дроблении цитоплазма этого участка наследуется соответствующими бластомерами. Затем в период гаструляции эти клетки уходят с поверхности и становятся 3-им зародышевым листком – мезодермой, хотя в случае с амфибиями лучше говорить о хордомезодерме. Тот клеточный материал, который лежит над хордомезодермой станет эктодермой, а материал, лежащий ниже – энтодермой. Распределение зачатков до их выявления при гаструляции было изучено экспериментальными эмбриологами, на основании чего был составлен план распределения зачатков или так называемая карта Фохта по имени ученого, разработавшего этот метод. Карта презумптивных зачатков зародышей амфибий.

Какое положение займут различные районы бластулы после завершения гаструляции и какова их окончательная судьба? Это можно установить, нанося на поверхность бластулы метки нейтральными красителями или флуоресцентными маркерами и прослеживая перемещения меток в ходе гаструляции. На основании таких наблюдений составлены карты презумптивных (будущих или точнее предполагаемых) зачатков. Первым составил такие карты для амфибий немецкий эмбриолог Фохт (Vogt) в 20х годах 20 столетия. Он пропитывал кусочки агар-агара красящими веществами, безвредными для живых тканей, и прижимал их к разным местам поверхности бластулы. Прослеживая перемещения окрашенного участка можно было точно проследить, куда он попадает в ходе гаструляции.

По Фохту перед началом гаструляции все закладки зародыша расположены на поверхности, точнее - выходят на поверхность. Сразу ани-мальнее щелевидной бороздки бластопора располагается зачаток прехордальной пластинки, из которой по завершении гаструляции развивается главным образом выстилка ротовой полости. Анимальнее прехордальной пластинки располагается зачаток будущей хорды. Дорзоанимальную часть зародыша занимает презумптивная эктодерма нервной системы (нейроэктодерма). Вентроанимальную часть – эктодерма покровов тела. Эти две закладки и по завершении гаструляции остаются на поверхности тела. Вегетативнее их располагается последовательно материал осевой мезодермы (туловищные и хвостовые сомиты), боковой пластинки и, наконец, энтодермы. Прехордальная пластинка, хорда, мезодерма и энтодерма погружаются внутрь зародыша. При этом две первые закладки подворачиваются через дорзальную губу бластопора, мезодерма – через боковые и вентральную губы, а энтодерма накрывается сходящимися губами бластопора.

В настоящее время внесены многие поправки, но сути дела они не меняют.

В процессе гаструляции благодаря эпиболии и инвагинации клеточные зачатки будут перемещаться так, что займут свои конечные места.

Клетки будущей эктодермы начинают сползать с А полюса в сторону В полюса, но эти движения пассивные, а истинной активностью обладают клетки мезодермального зачатка. Они начинают инвагинировать: несколько ниже экватора клетки, которые первыми уходят с поверхности, изменяют свою форму – они становятся колбовидными и активно тянут за собой другие клетки. Первым видимым признаком этого является образование серповидной бороздки. Начинается стадия ранней гаструлы. Серповидная бороздка обозначает дорзальную губу бластопора. Бластопор – первичный рот – это отверстие, которое ведет в полость первичной кишки - гастроцель.

У амфибий формирование бластопора идет постепенно. Дно бластулы очень толстое и сразу вся энтодерма инвагинировать не может. Серповидная бороздка – это верхняя или дорзальная губа бластопора. Затем края щели увеличиваются, наползают на В полюс и замыкаются. Бластопор образуется на границе хордомезодермы и энтодермы. Через серповидную бороздку вглубь зародыша идет материал хорды, с боковых губ и с вентральной –мезодермы. Смыкание губ бластопора характеризует стадию средней гаструлы.

В ходе гаструляции образуется новая полость – гастроцель (полость первичной кишки или архентерона). Особенность первичной кишки в том, что её крыша состоит из хордомезодермы, а дно – из энтодермы.

Рассмотрим строение средней гаструлы на сагиттальном (продольном), фронтальном и поперечном срезах.

1. На сагиттальном срезе, который проходит через А, В полюса брюшную и спинную стороны, т.е. делит зародыш на правую и левую половины, видны распределение всех зачатков. На этом срезе видно, что хорда связана с энтодермой непрерывно через прехордальную пластинку, которая является самой передней частью хорды и она инвагинирует первой. Именно благодаря такой неразрывной связи хорды и энтодермы и формируется новая полость – гастроцель.

2. Фронтальный срез перпендикулярен сагиттальному, он также проходит через головной и хвостовой концы (А и В полюса), но через боковые губы бластопора. Он делит зародыш на спинную и брюшную половины. На нем видны боковые губы бластопора, через которые вворачивается боковая мезодерма. При этом мезодерма движется с большей активностью, чем энтодерма. Поэтому мезодерма отрывается от энтодермы и свободным языком (клином) прорастает между эктодермой и энтодермой. В ходе гаструляции бластоцель сохраняется. Её отличие от гастроцеля – в том, что крыша бластоцеля состоит из эктодермы, а дно – из энтодермы.

3. Поперечный срез. Он проходит в плоскости перпендикулярной сагиттальному и фронтальному срезу и делит зародыш на головную и хвостовую часть. Губ бластопора не видно. Мезодерма имеет вид полукольца. Видна полость –гастроцель. Её стенки представлены крышей из хордомезодермы и дном из энтодермы.

На поздней гаструле все зародышевые листки занимают свое оконча-тельное, дефинитивное, положение. Эктодерма осталась на поверхности, мезодерма переместилась внутрь и энтодерма заняла самое внутреннее положение. Это хорошо видно на поперечном срезе.

Если сравнить с бластулой, у которой клетки представляют однородное целое, хотя и с разной судьбой, то гаструла обладает уже организованной сложной структурой. Её клетки распределены на три зародышевых листка, отличающихся по положению в зародыше и внутреннему строению. Это – первичная дифференцировка клеток зародыша. Путем организованных клеточных движений клетки заняли свои дефинитивные места, где они претерпевают дальнейшие изменения (дифференцировку).

 

Следующий процесс – нейруляция.

Нейруляция – процесс дифференцировки зародышевых листков, связанный с образованием осевых органов зародыша. В осевой комплекс входят хорда, нервная трубка, осевая мезодерма. Их вычленение и составляет смысл нейруляции. Параллельно образованию осевых органов идет развитие вторичной кишки. Рассмотрим эти процессы на примере развития лягушки.

На поперечном срезе поздней гаструлы видно расположение трех зародышевых листков.В процессе нейруляции с ними произойдут дальнейшие преобразования.

Ранняя нейрула. Если посмотреть на зародыш со спинной стороны, то можно увидеть, что спинная сторона уплощилась и окружена валиками. Это формируется нервная пластинка. В это время зачаток хордомезодермы единый, а энтодерма замыкается под будущей хордой -–это приводит к формированию вторичной кишки. Стенки её полностью состоят из энтодермальных клеток.

Средняя нейрула. Зародыш вытягивается в длину. Нервная пластинка прогибается в центральной части и превращается в нервный желобок. Валики сближаются, но не равномерно, а так, что в головном конце остается расширение. На поперечном срезе видны: нервный желобок, который продолжает оставаться в составе эктодермы, и вычлененная хорда. Латеральнее её располагается материал будущих сомитов, дальше лежит материал боковых мезодермальных пластинок.

Поздняя нейрула. Нервные валики смыкаются почти по всей длине нервного желобка. Образуется нервная трубка. Она полностью обособляется от покровной эктодермы. По бокам от хорды дифференцируется материал сомитов, а боковая мезодермальная пластинка разделяется на два листка – наружный, примыкающий к эктодерме. Он называется париетальным листком мезодермы. Внутренний листок примыкает к энтодерме. Это – висцеральный листок мезодермы. Между этими листками образуется полость – зачаток будущей вторичной полости тела.

На этом процесс нейруляции заканчивается. Наступает следующая стадия – органогенез- развитие дефинитивных органов, приводящее к формированию тела личинки.

Механизмы формообразовательных движений.

Гаструляция в высокой степени активный процесс, особенно у клеток, которые вворачиваются:

1. Поляризация клеток ярко проявляется у амфибий при инвагинации и при нейруляции. Перед сворачиванием в нервной закладке клетки меняют свою форму (РИС.)

2. Сокращение клеток хорошо видно на примере целобластулы морского ежа. Клетки на В полюсе поляризуются. Затем сокращаются и под влиянием сокращения клеток пласт продавливается внутрь.

Поляризация начинается со сборки микротрубочек. Сокращение в ряде случаев связано с сокращением микрофиламентов, (они собираются и сокращаются). Сборка их не связана с химическим синтезом и происходит очень быстро.

Механизм координации клеточных процессов.

По-видимому, соседние клетки в ходе поляризации влияют друг на друга. Действительно, они двигаются одновременно. Это кооперативные процессы. На чем основана такая кооперативность, неизвестно. При сложных типах гаструляции должны быть подстроены совершенно различные процессы – вворачивание материала, размножение клеток (в каких-то удаленных местах на поверхности). Должна быть согласованность этих процессов.

Опыты: вырезанный участок серого серпа в питательной среде будет вести себя как в норме – инвагинировать, а соседний участок в зародыше без серого серпа будет нарастать, т.е, «нарабатывать» клеточный материал. Это показывает, что процессы нарастания и впячивания независимы друг от друга.

Гаструляция – комплексный процесс, т.е, состоит из ряда компонентов, непосредственно не связанных друг с другом. Синергизм – комплексность- означает, что разные процессы, могущие идти независимо друг от друга, в развитии согласованы. Эта согласованность основана на жесткой связанности отдельных процессов.