Лекция №5. Формирование осей и зачатков тканей зародыша в раннем развитии животных.

После завершения гаструляционных движений зародыш приступает к построению отдельных систем своих органов — к органогенезам. Если формирование центральной нервной системы позвоночных связано, как мы видели, с морфологическими перестройками, охватывающими почти весь зародыш, то дальнейшие органогенезы представляют собой более местные процессы. Зародыш постепенно разбивается на относительно независимо развивающиеся системы, которые и превращаются в органы или части тела. Подробное описание органогенезов составляет содержание частной эмбриологии. Мы рассмотрим лишь некоторые общие закономерности формирования органов. Развитие отдельных органов будет рассмотрено в порядке их преимущественной принадлежности к одному из трех зародышевых листков — энтодерме, мезодерме и эктодерме. Подчеркнем, что большинство органов либо непосредственно формируется из производных двух зародышевых листков, либо по мере своего развития вступает с производными другого листка в индукционные взаимодействия. Но почти всегда можно указать на зародышевый листок, играющий основную роль при формировании данного органа.

Развитие производных энтодермы и связанных с ними закладок

Кишечная трубка и ее дифференцировка. К производным энтодермы относятся пищеварительная система и ее производные. Эволюционно она наиболее древняя и возникает в онтогенезе одна из первых. В разных классах позвоночных кишечная трубка формируется неодинаково. У бесчерепных (ланцетник), круглоротых, хвостатых амфибий и рептилий на определенных стадиях развития гастроцель представляет собой истинный архентерон, так как материал хорды и мезодермы непосредственно граничит с полостью гастроцеля. Лишь позже эти закладки отделяются от полости гастроцеля наползающим с вентральной стороны слоем энтодермы, и архентерон превращается в дефинитивный (окончательный) кишечник. В других группах позвоночных — птиц, млекопитающих, по-видимому, у всех рыб, а также бесхвостых амфибий — стенка гастроцеля с самого начала состоит из энтодермального материала, поэтому закладки хорды и мезодермы никогда не граничат с полостью кишечника. Таким образом, в этих случаях гастральное впячивание с самого начала представляет собой дефинитивный кишечник. Дальнейшее развитие и дифференцировка дефинитивной кишки в общих чертах сходны у всех позвоночных. Специфические особенности амниот, связанные с закладкой у них передней и задней кишок и их последующим объединением, были разобраны ранее.

Сформировавшаяся кишечная трубка позвоночных может быть разделена на три отдела: переднюю, среднюю и заднюю кишки. Наиболее сложно дифференцирована передняя кишка. Относительно долгое время она представляет собой слепой вырост, так как ротовое отверстие прорывается на сравнительно поздних стадиях. До этого времени передняя кишка успевает дифференцироваться на глотку, зачаток желудка и зачаток печени. Последний возникает из печеночного выроста. Кроме того, за счет материала передней кишки впоследствии формируются большая часть двенадцатиперстной кишки и поджелудочная железа. На более поздних стадиях развития из вентральной стенки передней кишки образуются зачатки легких. Они появляются непосредственно сзади глотки на вентральной стороне пищеварительного канала в виде парных выпячиваний. Дальнейшее развитие этих зачатков рассматривается в этой же главе.

Одна из наиболее характерных черт зародышей всех позвоночных — образование в стенке глотки жаберных карманов, часть которых превращается в сквозные жаберные щели. Наибольшее число жаберных щелей формируется у низших позвоночных. Например, у круглоротых их 14. У зародышей амфибий закладываются 5 пар жаберных карманов, из которых 4 задних открываются во внешнюю среду в виде жаберных щелей, а передний так и остается слепым выростом. При прорыве жаберных щелей покровная эктодерма соединяется с энтодермой передней кишки.

У зародышей амниот закладываются 4 пары жаберных карманов, из которых 3 передних на короткое время превращаются в жаберные щели, но впоследствии снова зарастают. Первая пара карманов превращается в евстахиевы трубы, соединяющие полости среднего уха с ротовой полостью. Из других жаберных карманов развиваются железы внутренней секреции: 3-я пара карманов дает начало парному зачатку зобной железы (тимусу), 4-я — паращитовидным железам. Все эти железы образованы преимущественно энтодермальной выстилкой жаберных карманов. Из энтодермы дна глотки в виде непарного выпячивания между 1-й и 2-й жаберными дугами формируется щитовидная железа.

В промежутках между жаберными щелями закладываются хрящевые жаберные дуги, образующие висцеральный скелет. Они строятся из переместившихся сюда клеток нервного гребня (эта закладка описана ниже). Чем выше организация позвоночного, тем больше сокращается число жаберных дуг, которые в ходе развития подвергаются все большим преобразованиям. У круглоротых и акуловых рыб закладываются 7 пар дуг, у других рыб — 5 пар. Хрящи 1-й пары превращаются у рыб в челюстные дуги, 2-й — в подъязычную дугу. У наземных позвоночных за счет хрящей первых двух пар возникают, кроме того, слуховые косточки. За счет остальных дуг у высших позвоночных формируются хрящи трахей. Кроме того, клетки дорсальных концов жаберных дуг участвуют в образовании головных нервных ганглиев.

Ротовое впячивание (стомодеум) — также производное эктодермы. Оно появляется у позвоночных сравнительно поздно и вначале отделено от полости глотки ротоглоточной мембраной, которая затем прорывается. Еще до соединения с полостью глотки дорсальная часть ротового впячивания (карман Ратке) соприкасается с дном промежуточного мозга. Впоследствии карман Ратке полностью отшнуровывается от ротового впячивания и образует переднюю и промежуточную доли важнейшей эндокринной железы — гипофиза. Задняя, нейральная, доля гипофиза возникает из дна промежуточного мозга под индукционным воздействием кармана Ратке.

Зубы развиваются из общего эпителиального утолщения эктодермального происхождения и из мезенхимной ткани, в которую это утолщение вдается. Мезенхима зубного зачатка берет начало из клеток нервного гребня. Из эпителиального утолщения, врастающего в подлежащую мезенхиму, формируется тяж — зубная пластинка. На ее внутренней поверхности появляются колбовидные выросты, из которых возникают эмалевые органы. Навстречу каждому из них в виде зубного сосочка растет мезенхима. Эмалевый орган имеет форму колпачка и называется также эмалевым колпачком. Внутренний, прилежащий к мезенхиме слой колпачка состоит из цилиндрических эпителиальных клеток (амелобластов), выделяющих на своей поверхности белковые вещества, называемые зубной эмалью. Вдающаяся в эмалевые колпачки мезенхима образует зубные сосочки. Мезенхимные клетки наружных, принадлежащих к эмалевым колпачкам стенок зубных сосочков дифференцируются, превращаясь в преодонтобласты. Эти клетки синтезируют и секретируют дентиновый коллаген, дентиновые фосфопротеины, гликопротеиды, вначале формирующие предентин, который, минерализуясь, превращается в дентин — твердое вещество, составляющее основу зуба. Из зубного сосочка развивается зубная мякоть, куда позже прорастают нервы и кровеносные сосуды.

Обе части зубных зачатков — эпителиальная и мезенхимная — дифференцируются на основе тесных взаимодействий. В эпителии зубного зачатка в изоляции от мезенхимы не проходят даже самые ранние стадии дифференцировки: он ороговевает и погибает. С другой стороны, эпителий, взятый даже из другого отдела зародыша (например, покровная эктодерма из области зачатка конечности), в контакте с мезенхимой зубного зачатка образует эмалевый орган. Мезенхима зубных сосочков индуцирует в эпителии синтез эмалевых белков, а также оказывает на зачаток зуба и более общее формативное воздействие, определяя его специфику (возникновение из данного зачатка коренного зуба или резца). Но в изоляции от эпителия мезенхима зубного зачатка не способна синтезировать дентин. Таким образом, в зачатке зуба эпителий и мезенхима взаимодействуют между собой.

Замечательно, что такое взаимодействие происходит даже в тех случаях, когда эпителий и мезенхима принадлежат представителям различных классов животных, а именно птицам и млекопитающим. Американский эмбриолог Коллар показал, что мезенхима зубных сосочков зародышей мыши способна индуцировать синтез эмали и дифференцировку амелобластов даже в ротовом эпителии куриного зародыша, хотя, как известно, у птиц зубы отсутствуют. Данный опыт представляет большой интерес с эволюционной точки зрения: он показывает, что эволюционная утрата зубов в классе птиц связана не с потерей соответствующих структурных генов в клетках ротового эпителия, а с отсутствием необходимых тканевых воздействий: стоит только подсадить ткань-индуктор, как гены амелобластов, «дремавшие» несколько миллионов лет, тут же «просыпаются» и приступают к соответствующим синтезам.

Морфологическая дифференцировка легких, печени и поджелудочной железы. В морфологической дифференцировке этих органов немало общего: она сводится к последовательному ветвлению первоначальных зачатков — выступов кишечного эпителия — на все более тонкие выросты, вклинивающиеся в окружающую их мезенхиму.

Развитие производных эктодермы

Развитие кожи и ее придатков. Кожа позвоночных развивается из двух зародышевых листков — эктодермы и мезодермы. Эмбриональная эктодерма сначала превращается в двухслойный, а затем в многослойный эпителий — кожный эпидермис. Его внутренний, прилежащий к мезодерме слой (ростковый, или мальпигиев) в течение всей жизни организма сохраняет функции камбия: в нем происходят клеточные деления, и вновь образующиеся клетки перемещаются во внешние слои эпидермиса, где дифференцируются. У всех наземных позвоночных дифференцированные клетки внешних слоев эпидермиса (кератоциты) синтезируют роговое вещество — белок кератин. Дифференцировка клеток, синтезирующих кератин, сопровождается их инактивацией, они заполняются кератином, уплощаются, теряют ядро и формируют поверхностный омертвевающий слой кожи.

Мезодермальный слой кожи (дерма) образуется соедини­тельнотканными клетками, происходящими из кожных листков сомитов (дерматомов). За счет деятельности клеток дермы формируются коллагеновые, эластические и ретикулярные волокна.

Кротовым придаткам кожи относят чешуи и щитки рептилий и птиц, перья птиц, рога и волосы млекопитающих. Рассмотрим вкратце развитие пера и волоса. Оба зачатка вначале представляют собой эпидермальные плакоды — линзовидные утолщения эпидермиса. При развитии пера под плакодами вскоре возникают сгущения дермальных клеток, которые как бы приподнимают эпидермис, придавая ему вид бугорка, обращенного вершиной назад. Из дермальных клеток формируется мякоть пера, а из эпидермиса — его поверхностный ороговевающий слой.

При развитии волоса эпидермальная плакода глубоко вдается в подлежащую дерму, образуя волосяной узелок. Наружные слои узелка дают начало влагалищу волоса и сальным железам, а внутренние — собственно волосу. На дне волосяного узелка имеется камбиальная зона, поддерживающая рост волоса. Дно узелка вогнутое, и в это углубление вдается дермальный сосочек, куда прорастают нервы и питающие волос кровеносные сосуды.

Работами французского ученого Ф. Санжеля и других исследователей установлено, что дифференцировка кожи и ее придатков зависит от индукционных воздействий дермы на эпидермальную часть. Даже нормальная многослойная структура эпидермиса может появиться лишь при его контакте с дермой. Такой контакт необходим также для образования перьев и волос. Более того, если взять эпидермис куриного зародыша с участка в норме лишенного оперения, и подостлать его дермой с оперенного участка, то образуются перья, структура которых соответствует тому участку тела, откуда была взята дерма.

Начальные этапы формирования кожных придатков можно индуцировать дермой, взятой от зародышей других классов амниот. Например, если неоперенный участок эпидермиса куриного зародыша срастить с дермой покрытых волосами участков зародыша мыши, то из эпидермиса возникнут зачатки перьев, правда, не достигающие полного развития. Дерма ящерицы индуцирует образование зачатков волос в эпидермисе мыши. Таким образом, начальные индукционные стимулы для развития кожных придатков одинаковы для всех амниот, что свидетельствует о гомологичности этих придатков. Однако для их полной дифференцировки необходим контакт с дермой животных своего класса. Например, у зародышей курицы полноценные перья развиваются из участков эпидермиса, подостланных дермой утки, и наоборот.

Дерма не только индуцирует развитие придатков, но определяет порядок их возникновения и окончательное расположение. Однако воспринимающий индукционные воздействия эпидермис не полностью индифферентен: характерный клон перьев назад детерминирован какими-то внутренними свойствами эпидермиса и не изменяется, например, при повороте подстилающей дермы на некоторый угол.

Развитие центральной нервной системы и органов чувств. Нервная трубка зародышей всех позвоночных вскоре после своего замыкания состоит из более широкого переднего и более узкого заднего отдела. Расширенный передний отдел называют первичным мозговым, пузырем (первичным головным мозгом — archencephalon). Первичный головной мозг открывается наружу невропором, а задний отдел посредством нервно-кишечного канала связан с задним отделом гастроцеля (в области дорсальной губы бластопора). Невропор II нервно-кишечный канал впоследствии зарастают.

Нервная трубка по средней линии подстилается хордой, которая доходит до задней границы первичного головного мозга. Последний подстилается тканью, происшедшей из прехордальной пластинки. Как правило, задняя граница первичного головного мозга также отмечена резкой складкой вентральной стенки нервной трубки (вентральная мозговая складка), спереди от которой вентральная стенка первичного мозгового пузыря образует воронкообразный выступ (infundibulum), или воронку мозга. Вентральная мозговая складка и воронка формируют характерный для всех позвоночных теменной, или среднемозговой, изгиб. В дальнейшем передняя часть нервной трубки дифференцируется на три мозговых пузыря: передний (prosencephalon), расположенный спереди от вентральной складки, средний (mеsencephalon), находящийся над этой складкой, и задний (rhombencephalon), без резкой границы переходящий в спинной мозг. У зародышей высших позвоночных уже на стадии трех мозговых пузырей при взгляде сверху отчетливо видны боковые выступы переднего мозгового пузыря, впоследствии дающие начало глазным зачаткам.

Позже передний мозговой пузырь подразделяется на два отдела: передний (telencephalon) и промежуточный (diencephalon) мозг. Из боковых стенок последнего в дальнейшем развиваются глазные зачатки. Средний мозговой пузырь в дальнейшем не расчленяется, а первичный задний мозговой пузырь подразделяется на задний (metencephalon) и продолговатый (myelencephalon) мозг, переходящий без резкой границы в спинной мозг. У низших позвоночных эти отделы мозга лежат примерно в одной плоскости, а у высших — головной мозг вскоре после формирования названных отделов образует новые резкие изгибы: затылочный и мостовой. Затылочный изгиб находится на месте перехода спинного мозга в продолговатый и направлен в ту же сторону, что и теменной, мостовой изгиб располагается в области заднего мозга и назван так потому, что в вентральной стенке этого мозгового пузыря впоследствии возникает варолиев мост. Этот изгиб направлен -в сторону, обратную двум другим изгибам. Все мозговые изгибы особенно хорошо выражены у высших млекопитающих и человека. Дальнейший ход развития головного мозга высших позвоночных будет изложен в общих чертах.

Уже на ранних стадиях развития разные отделы мозга отличаются друг от друга неравномерным утолщением стенок, что является прямым результатом интенсивности клеточного размножения в них. В области переднего мозга разрастаются переднебоковые стенки, что приводит к образованию пары выступов—зачатков полушарий головного мозга, которые особенно сильно разрастаются у высших позвоночных, где они накрывают собой все находящиеся сзади отделы мозга, вплоть до мозжечка. Неравномерное разрастание их поверхности приводит к появлению глубоких борозд. У низших позвоночных полушария переднего мозга развиты значительно слабее. Из них образуются лишь обонятельные доли мозга.

Из боковых стенок промежуточного мозга выпячиваются зачатки глаз — глазные пузыри. Утолщения боковых стенок промежуточного мозга образуют зрительные бугры. Дно промежуточного мозга формирует глубокое выпячивание — воронку мозга. Из ее нижнего конца возникает нейральная часть важнейшей железы внутренней секреции — гипофиза. Железистая часть гипофиза развивается, как уже говорилось, из выступа стомодеума — так называемого кармана Ратке. Из стенки промежуточного мозга, расположенной сзади от воронки, образуется подбугровая область мозга — гипоталамус.

По гистологическому строению стенка нервной трубки (нейроэпителий) относится к ложномногослойным эпителиям. Это означает, что ядра слагающих ее клеток (нейробластов) находятся на разных уровнях, но все нейробласты прикреплены к внутренней поверхности нервной трубки (к поверхности невроцеля). Во время деления нейробласты округляются, и их ядра смещаются в сторону невроцеля; в промежутках между делениями нейробласты вытягиваются, а ядра смещаются в сторону наружной поверхности нервной трубки. Таким образом, ядра нейробластов совершают как бы челночные движения. На более поздних стадиях развития, перед началом дифференцировки, нейробласты отрываются от внутренней поверхности нервной трубки и выходят из нейроэпителия наружу, образуя рыхлую клеточную массу — мантийный слой. В этом слое нейробласты приобретают характерные для нервных клеток отростки— дендриты (обращенные внутрь) и аксоны (направленные наружу) и превращаются в дифференцированные и не способные к клеточным делениям нейроны. Следующие поколения нейробластов, выходящих в мантийный слой, дифференцируются в клетки нейроглии — опорной ткани нервной системы. Клетки, оставшиеся во внутреннем (прилежащем к невроцелю) слое нервной трубки, образуют эпендимную выстилку полостей головного и спинного мозга.

Та часть нервной трубки, где расположены клеточные тела нейронов и нейроглии, называется серым веществом головного и спинного мозга. Этот слой неоднороден: в определенных местах нейроны могут концентрироваться (передвигаясь по мантийному слою параллельно его поверхности) и образовывать нервные ганглии (в области спинного мозга) или так называемые ядра (в области головного мозга). Снаружи от серого вещества находится слой, образованный отростками нейроглиальных клеток и аксонами нейронов,— белое вещество.

Развитие глаз. Глаза позвоночных формируются из парных боковых выпячиваний зачатка промежуточного мозга. По мере развития эти выпячивания (глазные пузыри) все более отшнуровываются от зачатка промежуточного мозга, но полностью от него не отделяются, оставаясь соединенными с ним узким каналом— глазным стебельком.

Глазные пузыри растут немного назад и кнаружи, по направлению к покровной эктодерме, и затем соприкасаются с нею. В этом месте покровная эктодерма утолщается, образуя зачаток хрусталика — хрусталиковую плакоду. Та часть глазного пузыря, которая оказывается в контакте с хрусталиковой плакодой, начинает впячиваться, в результате чего глазной пузырь превращается в двухслойный глазной бокал. Инвагинация начинается в передненижней части пузыря, захватывая глазной стебелек. По мере углубления впячивания края глазного бокала начинают расти по направлению друг к другу, но некоторое время между ними остается щель, называемая глазной зародышевой щелью. Внутренний слой глазного бокала становится зачатком нейральной сетчатки, а наружный — зачатком пигментного эпителия. Край глазного бокала (место перехода наружного листка во внутренний) становится зачатком радужки и цилиарного тела. Деление клеток приводит к утолщению и увеличению площади развивающегося зачатка сетчатки. Клетки же наружного листка истончаются и уплощаются, становясь зачатком пигментного эпителия.

Перед тем как превратиться в сетчатку, внутренний слой глазного бокала должен пройти несколько этапов дифференцировки. Вначале клетки этого зачатка имеют одинаковое строение, сходное со строением клеток исходного мозгового зачатка; все они интенсивно делятся. Первыми прекращают деления и вступают на путь специфической дифференцировки глиальные элементы сетчатки, ядра которых занимают наиболее центральное положение в зачатке. Эти клетки называют мюллеровыми. Их отростки выходят на обе поверхности сетчатки и формируют ее наружную и внутреннюю пограничные мембраны. Следующими начинают дифференцировку будущие ганглиозные клетки, которые располагаются под внутренней пограничной мембраной. Аксоны ганглиозных клеток укладываются рядами вдоль внутренней поверхности сетчатки и, соединяясь в ее центре, выходят из глаза по глазной зародышевой щели, а позже, после ее замыкания,— по глазному стебельку. Эти аксоны образуют зрительный нерв, подрастающий к первичному зрительному центру,— крыше будущего среднего мозга.

Вслед за ганглиозными клетками дифференцируются клетки внутреннего ядерного слоя — биполяры, амакрины, горизонтальные клетки. Аксоны биполяров и амакриновых клеток вступают в контакт с отростками (дендритами) ганглиозных клеток, формируя внутренний сетчатый слой. Далее дифференцируется на­ружный ядерный слой сетчатки. Ядра его клеток располагаются под наружной пограничной мембраной, отростки же (аксоны) направляются в сторону внутреннего ядерного слоя и вместе с дендритами этого слоя образуют наружный сетчатый слой. Наружные отростки наружного ядерного слоя (по происхождению дендриты) преобразуются в наружные сегменты фоторецепторов— палочек и колбочек. Эти сегменты, проходя сквозь поры наружной пограничной мембраны, располагаются в узкой щелевидной первичной полости глаза — в том ее остатке, который сохранился после инвагинации глазного пузыря.

По мере впячивания глазного бокала утолщенная часть покровного эпителия (хрусталиковая плакода) сама впячивается в полость глазного бокала (она же — вторичная полость глаза), а затем полностью отшнуровывается от покровного эпителия. Возникает хрусталиковый пузырек — зачаток глазного хрусталика. Клетки внутреннего, обращенного к сетчатке слоя зачатка хрусталика сильно вытягиваются и превра­щаются в первичные хрусталиковые волокна, а клетки внешнего слоя сохраняют высокую пролиферативную активность и другие свойства эмбрионального эпителия. Из этих клеток в течение всей жизни организма возникают новые (вторичные) хрусталиковые волокна. Они образуются из краевых клеток хрусталикового эпителия, которые при этом вытягиваются и утрачивают ядро. В них начинают синтезироваться специфические белки — альфа и бета кристаллины. Перед этим в клетках активируются гены и синтезируются мРНК кристаллинов. Позже клетки, накопившие кристаллины, отмирают, и их остатки в виде волокон выталкиваются в центр хрусталика, где формируется прозрачное хрусталиковое ядро.

Расположенный над хрусталиком покровный эпителий тоже испытывает сложные гистологические изменения, приводящие к тому, что он истончается, теряет пигмент и становится роговичным эпителием. Мезенхима, подстилающая покровный эпителий, дифференцируется в строму роговицы, выделяющую боуменову мембрану. Изнутри роговица выстлана тонким клеточным слоем— десцеметовым эпителием, который также является производным мезенхимы.

Наконец, в построении глаза участвуют и клетки эмбриональ­ной мезенхимы, происходящие частично из среднего зародышевого листка — мезодермы, но главным образом из нервного гребня. Эти клетки образуют сосудистую оболочку глаза — облегающие его кровеносные сосуды, а также склеру — опорную оболочку глазного яблока.

В ходе развития части, из которых формируется глазной зачаток, вступают между собой в сложные индукционные взаимодействия. Еще в начале нашего столетия было открыто, что у зародышей амфибий развитие хрусталика из покровной эктодермы индуцируется глазной чашей. Под влиянием пересаженной глазной чаши хрусталик может возникнуть на необычном месте, например, развиться из брюшной или боковой эктодермы. Такая же индукция наблюдается при развитии глаза птиц и млекопитающих. Впрочем, у некоторых амфибий (зеленая лягушка) индуцировать развитие хрусталика глазной чашей не удалось. Однако, как показал Д. П. Филатов, это зависит не от отсутствия индуцирующих свойств у глазной чаши, а от более ранней детерминации покровной эктодермы. Действительно, у зародышей зеленой лягушки к моменту образования глазного пузыря эктодерма туловищной части зародыша уже утратила компетенцию к восприятию индукционных воздействий со стороны глаза. У этого вида амфибий индукция хрусталика происходит на более ранней стадии развития, причем индуктором служит передний конец хорды.

На более поздних стадиях развития и даже во взрослом состоянии глаз способен оказывать еще одно индукционное воздействие: он вызывает просветление покрывающей его эктодермы, превращая ее в роговицу.

Развитие и дифференцировка самого глазного зачатка (глазной чаши) в свою очередь испытывают разнообразие воздействия со стороны окружения. Некоторое влияние на рост и форму глазного зачатка оказывает зачаток им же индуцированного хрусталика: удаление зачатка хрусталика ведет к превращению роста глазного зачатка. Если же к глазному зачатку подсадить более крупный хрусталик от зародыша другого вида, то объем глазного зачатка тоже увеличивается.

Дифференцировка стенок глазной чаши в сетчатку и пигментный эпителий в значительной степени контролируется мезенхимным окружением. Та часть стенки глазного зачатка, которая (в норме или в опыте) окружена мезенхимой, дает начало пигментному эпителию; напротив, в сетчатку развивается та часть, которая лишена контактов с мезенхимой и утолщается в ходе развития.

Развитие органа слуха. Орган слуха позвоночных, как и орган зрения, имеет составное происхождение; в его образовании участвуют покровная эктодерма и головная мезенхима. Из покровной эктодермы формируется основная часть органа слуха — внутреннее ухо, развитие которого начинается с образования парных утолщений покровной эктодермы на уровне заднего мозга — слуховых плакод. Подобно хрусталиковым плакодам, слуховые плакоды впоследствии впячиваются и почти полностью отшнуровываются от эктодермы, образуя слуховые пузырьки. Каждый слуховой пузырек некоторое время связан с внешней средой узким эндолимфатическим каналом; при дальнейшем развитии у большинства позвоночных этот канал замыкается. Слуховой пузырек подразделяется на верхний и нижний отделы, между которыми имеется слабый перехват. В верхнем отделе образуются три полукруглых уплощения, первоначально расположенных в вертикальной плоскости, а затем в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждое из них позже прорывается посередине и превращается в полукружный канал. Полукружные каналы представляют собой органы равновесия позвоночных. В нижней части слухового пузырька появляется мешковидное вздутие, а на его конце — слепой вырост, который у высших позвоночных удлиняется и закручивается в канал слуховой улитки. В стенке этого канала развивается орган слуха — кортиев орган.

Образование слухового пузырька индуцируется продолговатым мозгом. Под воздействием самого пузырька из окружающей мезенхимы формируется хрящевая слуховая капсула, которая в точности повторяет сложную форму внутреннего уха, в частности полукружных каналов и улитки. В то время как стенка внутреннего уха образует внутренний, или перепончатый, лабиринт, слуховая капсула формирует подобный ей по форме внешний скелетный лабиринт.

Развитие органа обоняния. Органы обоняния позвоночных развиваются из обонятельных плакод — парных утолщений эктодермы в передней части головы. Эпителий обонятельных плакод (обонятельный эпителий) содержит нервночувствительные клетки, которые посредством аксонов связаны с обонятельным отделом головного мозга. В результате разрастания обонятельного эпителия плакоды превращаются в обонятельные мешки, открывающиеся наружу уже упоминавшимися обонятельными ямками.

Нервный гребень и его производные. При смыкании нервной трубки клетки нервных валиков располагаются над ее дорсальной частью. Образованная ими структура называется нервным гребнем. Уже в процессе замыкания нервной трубки клетки нервного гребня выходят из состава нервных валиков и мигрируют в разных направлениях, проявляя удивительно широкие формообразовательные потенции. Некоторые клетки нервных валиков хрящи висцерального скелета, мышцы кожи и ресничного тела глаза, рыхлую соединительную ткань лица, языка и нижней челюсти, входят в состав аденогипофиза, паращитовидных желез и мякоти зуба. Таким образом, клетки нервного гребня проявляют способность формировать такие закладки (например, хрящи), которые в других случаях возникают из мезодермы.

По современным данным, выбор того или иного пути дифференцировки клеток нервного гребня частично определяется их происхождением, а частично — окружением, в которое они попадают. Так, клетки головного отдела нервного гребня всегда дифференцируются в хрящевые, мышечные и соединительнотканные клетки, даже если этот отдел пересадить в другую область (например, в туловищную). Дифференцировка же клеток, выселяющихся из туловищных отделов нервного гребня, зависит в основном от того, куда эти клетки попадут. Например, клетки, концентрирующиеся поблизости от хорды, независимо от своего происхождения превращаются в нейроны, синтезирующие катехоламины. О факторах, определяющих движения и места концентрации клеток нервного гребня.

Морфологические преобразования и клеточные процессы, лежащие в основе органогенезов

Мы могли убедиться, насколько сложны и многообразны процессы органогенезов даже при сравнительно беглом их рассмотрении. Тем не менее, оказывается возможным выделить общие немногочисленные типы морфологических преобразований, которые лежат в основе большинства из них.

Прежде всего, заметим, что почти все органы и структуры позвоночных животных формируются из участков столбчатого (поляризованного) эпителия. Наиболее существенными исключениями из этого правила являются элементы скелета и кровеносные сосуды, строящиеся из мезенхимных клеток. Другие закладки, даже если они сходно возникают из отдельных, разрозненных мезенхимных клеток мезодермального происхождения (сомиты, зачатки органов выделения), по ходу своего развития непременно проходят эпителизацию, т. е. превращаются в участки эпителиальных пластов.

По современным данным, в основе которых лежат работы американского ученого Д. Эдельмана, эпителизация мезенхимы, а также усиление контактов между эпителиальными клетками (происходящее при их поляризации) связаны с синтезом в данных клетках так называемых молекул клеточной адгезии (по-английски — cell adhesion molecules, сокращенно САМ, по-русски читается «кам»). Они представляют собой гликопротеины. Описаны и выделены гены, кодирующие различные виды САМ. Широкое распространение в зародышах и взрослых организмах имеет разновидность этих молекул, названная N-CAM. Эти молекулы определяют, в частности, адгезию нейроэпителиальных клеток зародыша друг к другу (отсюда и название N-neural). У зародышей шпорцевой лягушки они появляются перед началом нейруляции, когда возрастают контактные зоны между поляризующимися клетками нервной пластинки. Присутствуют они и в других столбчатых эпителиях. Другая разновидность молекул клеточной адгезии называется L-CAM. Она выделена из печени (liver — печень), но встречается и во многих типах клеток. При подавлении синтеза САМ клетки данного типа не образуют между собой контактов. Наоборот, если в мезенхимные клетки, лишенные генов L-CAM, ввести эти гены, то клетки склеиваются в плотный эпителий. Наконец, описаны так называемые Ng-CAM, ответственные за установление контактов между нейронами и клетками нейроглии.

Наличие и распределение различных видов САМ резко меняются по ходу развития зародышей. Например, в бластодерме куриного зародыша до начала гаструляции наблюдается более или менее равномерное распределение как N-CAM, так и L-CAM по всему эпибласту и гипобласту. При миграции мезодермальных клеток через первичную бороздку на их поверхности вообще не обнаруживается САМ. Вскоре, однако, на поверхности клеток презумптивной нервной системы и осевых органов обнаруживаются исключительно молекулы N-CAM, а на клетках будущей покровной эктодермы и энтодермы — исключительно L-CAM.

Сходные молекулы клеточной адгезии — кадгерины — обнаружены у зародышей млекопитающих, причем один из них (Е-кадгерин) выявляется уже на стадии зиготы. Позже в трофобласте, а также в стенке матки обнаруживается другой вид молекул — Р-кадгерин, возможно, ответственный за клеточные контакты при имплантации зародыша. Клетки нейроэктодермы утрачивают Е-кадгерин, но приобретают новый — N-кадгерин. Таким образом, параллельно с морфологическими изменениями происходят сложные молекулярные перестройки клеточных поверхностей, определяющие, какие клетки будут в дальнейшем развиваться совместно, а какие — отделяться друг от друга.

Поляризация эпителиальных клеток, конечно, не сводится к синтезам молекул клеточной адгезии. Она связана со сложными процессами преобразования элементов цитоскелета и клеточной мембраны, распространяющихся на весь поляризующийся участок пласта. В той же главе говорилось, что изменения формы клеточных пластов при гаструляции и нейруляции связаны с активными сокращениями поляризованных и часто при этом скошенных клеток. Судя по всему, такая же последовательность событий — поляризация клеток и их сокращение вдоль длинных осей — лежит в основе формообразования и других зачатков органов. Важно понять, что такой способ формообразования не требует особых факторов, направляющих клеточные движения. Например, если участок эмбрионального эпителия выпячивается в какую-либо сторону, это вовсе не значит, что должен существовать некоторый фактор, привлекающий клетки в эту сторону: направление выпячивания заранее и однозначно задано ориентацией поляризованных клеток, а эта ориентация — тем, какая из двух поверхностей пласта (внешняя или внутренняя) сократилась. Последнее обычно определяется исходной полярностью клеток данного пласта. Как правило, в поляризованных участках эктодермы (нейроэпителий, плакоды органов чувств) сокращается наружная поверхность, отчего последующие впячивания направлены всегда внутрь. Но после завершения нейруляции исходно наружная поверхность нейроэпителия оказывается внутри (образует выстилку невроцеля),-поэтому ее же дальнейшие сокращения образуют выпячивания, направленные наружу (глазные пузыри, отделы головного мозга).

Таким образом, в основе морфологических преобразований при органогенезах лежат процессы поляризации и сокращения клеток.

Размножение клеток вопреки ряду прежних представлений играет в морфологических преобразованиях при органогенезах сравнительно малую роль. Клеточное размножение, конечно, необходимо, чтобы создать определенный запас клеток, но не оно определяет форму зачатка. Например, четко показано, что наиболее существенные морфологические преобразования в развитии центральной нервной системы происходят в период минимальной митотической активности ее клеток.

Формообразующая роль гибели клеток

Некоторую, хотя и ограниченную, роль в формообразовании может играть гибель клеток. Пальцевые фаланги у птиц и млекопитающих разъединяются потому, что клетки в промежутках между ними гибнут. Известны мутантные расы млекопитающих, у которых гибели клеток не происходит; фа<