Лекция №7. Обзор раннего развития различных классов позвоночных.

Знакомство с эмбриогенезом позвоночных позволяет оценить с позиции сравнительной эволюционной гистологии постепенное изменение основных эмбриологических и гистогенетических процессов и в то же время преемственность этих изменений в их общебиологической основе. В определенной степени знание развития позвоночных позволяет экстраполировать некоторые этапы их эмбриогенеза на развитие человека. В эксперименте на животных можно моделировать различные условия развития, изучать действие тератогенных веществ на органо- и гистогенезы, а также критические периоды развития позвоночных.

Развитие ланцетника. Классическим объектом эмбриологических исследований является ланцетник, подробно изученный А. О. Ковалевским. Ланцетник является представителем класса хордовых животных подтипа бесчерепных, размером до 8 см и обитает на песчаном дне в теплых морях. Свое название получил из-за формы, напоминающей ланцет (хирургический инструмент с обоюдоострым лезвием, современный скальпель).

Яйцеклетка ланцетника олиго- и изолецитальная, размером 110 мкм, ядро располагается ближе к анимальному полюсу. Оплодотворение наружное. Место проникновения сперматозоида в яйцеклетку определяет вентральную сторону зиготы, а на дорсальной стороне зиготы ниже экватора возникает серый серп. Появление последнего связывают с перераспределением материала в яйце и маркированием участка, где в будущем появится дорсальная (спинная) губа бластопора. Движение материала зиготы завершается тем, что белково-липидные включения скапливаются у одного края зиготы, определяя вегетативный полюс зародыша.

Дробление зиготы полное, почти равномерное, синхронное и заканчивается образованием однослойной бластулы. На примере развития ланцетника можно представить, как формируется пространственная организация тела зародыша. Первая борозда дробления проходит меридианально от анимального к вегетативному полюсу. При этом серый серп разделяется пополам, таким образом, детерминируются правая и левая стороны зародыша. Вторая полоса дробления также меридианальная, но проходит в плоскости, перпендикулярной первой, и разделяет два бластомера (правый и левый) на два новых (дорсальные и вентральные) — возникает стадия 4 бластомеров.

Итак, в зародыше ланцетника уже на стадии 4 бластомеров различаются вентральная и дорсальная стороны, и формируется билатеральная симметрия. Третья борозда дробления проходит несколько выше экватора четырех предыдущих бластомеров, — так возникает стадия 8 бластомеров. Из этих 8 бластомеров более мелкие — анимальные, а более крупные — вегетативные. В результате чередования меридианальных и широтных борозд дробления формируется однослойная бластула с полостью, заполненной жидкостью, — бластоцелем. Бластула сохраняет полярность, ее дно представляет собой вегетативный полюс, крыша — анимальный; между полюсами находятся краевые зоны. В процессе развития деление клеток постепенно становится асинхронным, в краевой зоне наблюдается наибольший темп пролиферации. Это отражается на размерах бластомеров в разных частях бластулы. Наиболее крупные из них находятся в вегетативной части бластулы. В связи с этим бластула плавает в воде анимальным полюсом кверху.

Начало гаструляции отмечается формированием впячивания на вегетативном полюсе бластулы. Впячивание постепенно углубляется, и, наконец, формируется двухстенная чаша с широко зияющим отверстием, ведущим в новообразованную полость зародыша. Такой способ гаструляции называется инвагинацией. Полость самой чаши именуется гастроцелью, или полостью первичной кишки, которая сообщается с внешней средой посредством бластопора, что соответствует заднепроходному отверстию. В бластопоре различают дорсальную, вентральную и две латеральных губы. В результате инвагинации центр тяжести зародыша смещается, и зародыш поворачивается бластопором кверху. Постепенно происходит смыкание краев бластопора и удлинение зародыша. Топография клеток в составе губ бластопора определяет развитие разных частей зародыша. Завершается гаструляция образованием хорды и мезодермы. У ланцетника мезодерма возникает энтероцельным способом. Это значит, что в составе материала, который инвагинировал и представляет собой стенку первичной кишки, находятся клетки будущей хорды и мезодермы. Последние выселяются из внутреннего листка гаструлы и располагаются между двумя первыми. Принцип выселения и образования частей зародыша следующий: источником развития хорды являются клетки из состава внутреннего листка, которые мигрировали через область дорсаль­ной губы бластопора. Те клетки, которые выселялись через латеральные губы, создают мезодерму; остальные клетки являются составной частью внутреннего листка, они остаются на месте и формируют энтодерму.

Образовавшаяся хорда индуцирует развитие нервной трубки из материала дорсальной эктодермы. Образующаяся нервная пластинка прогибается, затем по средней линии превращается в желобок и погружается во внутреннюю среду зародыша. Края желобка постепенно смыкаются в нервную трубку. Оставшаяся часть эктодермы — кожная — срастается над нервной трубкой. Однако на самом переднем и заднем концах зародыша нервная трубка некоторое время сообщается с внешней средой с помощью двух отверстий — нейропоров. Возникает осевой комплекс зачатков. В последующем происходит разделение мезодермы наспинные сегменты — сомиты, количество которых нарастает от 15 до 60—65 пар у взрослого ланцетника. Часть латерально расположенной мезодермы не сегментируется и расщепляется на наружный (париетальный) и внутренний (висцеральный) листки спланхнотома. Эти листки растут между экто- и энтодермой и, достигнув середины на вентральной стороне зародыша под кишечной трубкой, срастаются, формируя единую вторичную полость — целом. На заднем конце зародыша кожная эктодерма нарастает на нейропор и бластопор и полностью их покрывает. При этом между задним нейропором и бластопором возникает нервно-прямокишечный канал, который существует недолго и зарастает. На переднем конце зародыша возникает углубление (ротовая бухта), растущее по направлению к переднему отделу кишечной трубки. При контакте эктодермы ротовой бухты и слепого конца кишечной трубки происходит апоптоз клеток и возникает сообщение кишки с внешней средой. Аналогичный процесс протекает на заднем конце зародыша. По бокам головного отдела зародыша также возникает контакт кожной эктодермы и кишечной энтодермы, и в результате его прорыва полость передней кишки сообщается с внешней средой (формирование жаберного аппарата). После этого зародыш выходит из яйцевой оболочки во внешнюю среду в виде личинки.

Методы маркирования для изучения процессов миграции бластомеров позволили выделить определенные области зародыша на ранних стадиях развития (зиготы—бластулы), которые позднее развиваются в зародышевые листки и эмбриональные зачатки тканей. Эти области были названы презумптивными (предполагаемыми) участками, или зачатками.

Таким образом, на примере развития ланцетника можно наблюдать раннюю детерминацию билатеральной симметрии, расположение презумптивных зачатков органов, закономерное перемещение и выселение материала будущих эмбриональных зачатков тканей с формированием зародышевых листков и в последующем — осевого комплекса. Основные черты развития ланцетника. Данный обзор целесообразно начать с краткого рассмотрения развития ланцетника — животного, относящегося к подтипу бесчерепных (Acrania) типа хордовых, т. е. формально не являющегося даже позвоночным животным. Однако, начиная с классических работ А. О. Ковалевского, выполненных в 60-х гг. прошлого века, стало ясным, что развитие ланцетника может рассматриваться как переходное между типом развития вышестоящих позвоночных и их эволюционных предков — иглокожих и полухордовых.

Развитие амфибий. Представители класса амфибий и земноводных сохранили примитивный тип развития с личинкой и последующим метаморфозом. Однако, в связи с изменением типа яйцеклетки у амфибий и земноводных наряду с процессами, имевшими место ранее, появились новые черты эмбрионального развития, на которые необходимо обратить внимание.

Яйцеклетка амфибий мезо- и телолецитальная. Ядро располагается в анимальной части клетки. Эта часть в будущем даст передний отдел тела зародыша. Оплодотворение — наружное (бесхвостые амфибии) или внутреннее (хвостатые амфибии — тритон). Сперматозоид проникает в икринку в анимальной части. Через 1 ч после оплодотворения регистрируются локальные движения цитоплазмы, перераспределение материала и возникновение серого серпа несколько ниже экватора зиготы на стороне, противоположной месту проникновения спермия. Через 2 ч на анимальном полюсе возникает первая полоса дробления, которая пересекает серый серп и замыкается на вегетативном полюсе. Вторая и третья борозды дробления, как и у ланцетника, приводят к возникновению стадии 8 бластомеров. Однако вследствие того, что яйцеклетка телолецитальная, третья борозда проходит не по экватору, а выше — ближе к анимальному полюсу. Поэтому бластомеры вегетативного полюса значительно крупнее бластомеров анимального. Такой тип дробления называется полным (голобластическим), но неравномерным.

В течение последующих 16 ч происходит интенсивное дробление, причем, кроме двух описанных ранее борозд дробления, появляется тангенциальная, которая проходит параллельно поверхности зародыша. В результате появления новой борозды дробления возникает многослойная бластула — амфибластула, полость которой заполнена жидкостью. Бластомеры крыши располагаются в 3— 5 слоев (мелкие пигментированные клетки), а дна — в 10 и более слоев (крупные клетки).

Как отмечалось выше, серый серп намечает место будущей спинной (дорсальной) губы бластопора. Через 19 ч после оплодотворения под экватором бластулы амфибии появляется спинная губа бластопора, что означает начало перемещения клеток внутрь зародыша и переход в стадию гаструлы. По причине перегруженности бластомеров вегетативной части белково-липидными включениями инвагинация этой части бластулы не столь эффективна по сравнению с аналогичным процессом у ланцетника. Поэтому у амфибий возникает новый механизм образования гаструлы путем эпиболии — обрастания вегетативного полушария клетками анимального.

Однако для понимания эпиболии необходимо представлять механизм формирования бластопора. Продолжающееся локальное перемещение материала и формирование спинной губы бластопора приводит к тому, что спинная губа бластопора распространяется билатерально и замыкается в брюшной части зародыша. В динамике формирование губ бластопора можно представить следующим образом: если прорывать наклонный канал в сыпучем материале (песке) из глубины кнаружи, то при приближении к поверхности песок начнет проваливаться, постепенно формируя стенки канала. Так формируется бластопор.

К 24—28 ч развития бластопор практически сформирован, однако остается закрытым бластомерами вегетативной части (так называемой желточной пробкой). Новая полость, вначале небольшая, возникшая в результате инвагинации (гастроцель), деформирует бластоцель. Разрастание гастроцели приводит к дальнейшей деформации и уменьшению полости бластоцеля, так как через губы бластопора подворачивается и перемешается материал анимального полушария зародыша, который разрастается по внутренней поверхности крыши бластулы. При этом через область дорсальной губы бластопора перемещается материал прехордальной пластинки, часть клеток которого включается в состав энтодермы головной части будущей кишки. Другая часть клеток становится источником развития материала ларвальных сегментов. Далее мигрирует материал хорды, который располагается по центральной части зародыша под будущей нервной трубкой. Через латеральные губы бластопора перемещается материал постларвальной туловищной мезодермы, располагающийся по бокам от зачатка хорды, а через брюшную губу мигрирует материал желточной пробки.

Таким образом, в процессе гаструляции клетки крыши бластулы как бы «натягиваются» и обрастают дно бластулы. Подворачиваясь в области бластопора, они мигрируют внутрь зародыша, формируя его многослойное строение. Истонченная часть крыши бластулы составляет эктодерму. Материал, который подвернулся и разросся по внутренней поверхности крыши бластулы, составляет хордо-мезодермальный плащ, а клетки дна бластулы — энтодерму. По мнению некоторых авторов, часть клеток энтодермы и их желточные включения расходуются на питание зародыша (являются желточной, или провизорной, энтодермой) и не принимают учас­тие в формировании стенки кишки. В конце гаструляции бластопор постепенно уменьшается, и от него остается лишь небольшое углубление — проктодеум — место, где в последующем сформируется отверстие клоаки.

Нейруляция заметна через 36 ч развития и протекает под индукционным влиянием хорды. В проекции хорды эктодерма утолщается, ее края приподнимаются, образуя нервные валики. Затем валики срастаются и формируется нервная трубка, которая погружается внутрь зародыша, располагаясь между хордой и кожной эктодермой. Параллельно с образованием нервной трубки происходит развитие сомитов мезодермы, которые, как и нервная трубка, форми­руются под влиянием хорды. Следует заметить, что первые две пары сомитов — ларвальные, или личиночные, возникают в виде самостоятельных образований; остальные сомиты (постларвальные) возникают путем постепенного подразделения на отдельные части третьего туловищного сегмента в краниокаудальном направлении. Туловищные сомиты подразделяются на дорсальные, которые постепенно теряют полость и превращаются в плотную округлой формы клеточную группу, и вентральные — спланхнотомы, которые сохраняют полость и при этом не сегментируются в противоположность дорсальным сомитам. Спланхнотомы разделяются на вентральный и дорсальный листки. В последующем одноименные листки сливаются друг с другом и формируют замкнутую полость целома. Так возникает комплекс эмбриональных зачатков органов и тканей.

Дальнейшее развитие зародыша заключается в формировании тканей и органов. К моменту вылупления личинки возникает впячивание кожной эктодермы в области переднего отдела головной кишки и формирование первичного рта, а также жаберных щелей. Личинка после вылупления способна самостоятельно плавать.

Как и в случае развития ланцетника, важным морфологическим маркером процесса гаструляции амфибий является особая область, клеточный материал которой обладает наиболее высокими метаболическими свойствами и потенциями к клеточному делению и перемещению. Это область формирования бластопора. Здесь происходит закономерное перемещение материала. Наиболее активные клеточные перемещения наблюдаются в области дорсальной и латеральных губ, где клетки, расположенные снаружи, перемещаются внутрь зародыша. Это материал прехордальной пластинки, часть которого входит в состав передней (головной) части гастроцеля и в будущем сформирует эпителиальную выстилку передней кишки. Некоторые исследователи считают, что материал прехордальнои пластинки содержит также клетки, являющиеся источником развития мезодермы ларвальных сегментов. Большая часть клеточного материала, перешедшая через дорсальную губу бластопора, будет источником развития хорды — важнейшего эмбрионального органа, индуцирующего нейруляцию и сегментацию туловищной мезодермы. Через латеральные губы бластопора происходит перемещение материала туловищной (постларвальной) мезодермы, располагающейся по бокам от хорды. Заметные эволюционные изменения яйцеклетки амфибий, заключающиеся в возрастании ее объема за счет трофических включений, выражаются в появлении многослойной бластулы, вяло протекающем процессе инвагинации (из-за большой разницы в содержании белково-липидных включений в бластомерах анимального и вегетативного полюсов) и появлении нового способа гаструляции — путем эпиболии. Однако количество включений в яйцеклетке амфибий еще не достигает такого размера, когда часть белкового материала могла бы расходоваться на построение внезародышевых органов (что наблюдается у рептилий и птиц в связи с их сухопутным образом жизни). Но есть пример, когда увеличение питательного материала в яйце привело к возникновению временного органа — желточного мешка у рыб (боковая ветвь эволюции позвоночных).

Развитие рыб. У рыб яйцеклетка поли- или резко телолецитальная. Она содержит много желтка, например, у акулы диаметр яйца может достигать 20 см. Оплодотворение — наружное, а у акуловых — внутреннее. Дробление зиготы вследствие большого объема питательного материала неполное, неравномерное, дискоидальное. Процесс дробления затрагивает лишь небольшую — анимальную — часть зиготы. Меридианальные, широтные и тангенциальные борозды дробления приводят к образованию нового вида бластулы — многослойной дискобластулы. Бластоцелем в этом случае является небольшая полость между бластодиском и желтком. Сам бластодиск является крышей и краевой зоной, а нераздробившийся желток — дном бластулы. Процесс гаструляции у рыб описывается по-разному. Одни авторы приводят данные о расщеплении бластодиска с образованием наружного (элибласта) и внутреннего (гипобласта) листков. Этот процесс называется деламинацией. Типичный бластопор при этом не возникает. Поэтому приводятся примеры инвагинации края эпибласта и распространения клеток будущей хорды и мезодермы между эпибластом и гипобластом. Так возникает трехслойный зародыш. Наружный листок — это эктодерма, средний — мезодерма, внутренний — энтодерма. Для понимания эволюции высших позвоночных важно на примере развития рыб проследить формирование первого внезародышевого органа — желточного мешка.

Образованию желточного мешка предшествует обособление тела зародыша от внезародышевой части бластодиска. Это происходит за счет образования кольцеобразного перехвата так называемой туловищной складки. Клеточный внезародышевый материал всех трех зародышевых листков обрастает желток, формируя таким образом желточный мешок — орган зародыша, без которого невозможно его дальнейшее развитие. В энтодермальном слое мешка возникают клетки, которые расщепляют желток на составные элементы, идущие на питание зародыша. В мезодермальном слое появляются кровеносные сосуды, по которым питательные вещества попадают в зародыш. Наружная часть желточного мешка образована эктодермальными эпителиальными клетками, осуществляющими газообмен. Желточный мешок с помощью желточного стебелька соединяется с полостью средней кишки. По мере расходования желточных включений мешок втягивается в тело зародыша, энтодерма становится частью кишечной стенки, эктодерма входит в состав кожных покровов, а сосудистая система желточного мешка постепенно исчезает. Следовательно, желточный мешок является временным органом, появляющимся в эволюции позвоночных. Это означает переход от голобластического типа развития (при котором весь материал зиготы идет на построение тела зародыша) к меробластическому типу (когда часть материала зиготы используется для построения внезародышевого органа — желточного мешка рыбы).

Итак, на примере развития низших позвоночных прослеживаются изменение типа оплодотворения, постепенное усложнение строения женской половой клетки, накопление в ней питательного материала. Это приводит к изменению характера дробления и строения бластулы, появлению внезародышевого органа — желточного мешка (у рыб). Гаструляция, несмотря на то, что основными движущими силами ее остаются пролиферация и пространственно организованная миграция клеток, завершается у всех представителей позвоночных образованием многослойного зародыша — гаструлы. Дальнейшая дифференцировка зародышевых листков на эмбриональные зачатки является основой для последующего развития тканей и органов.