Материал: Kurs_Lektsiy_po_Biologii (1)

Стадия зиготы. После проникновения сперматозоида в яйцеклетку начинается стадия зиготы. Заканчивается мейоз, формируется ядро яйцеклетки, которое нередко называют женским пронуклеусом. В период завершения женского мейоза ядро головки сперматозоида преобразуется. При этом оно увеличивается, происходит набухание и разрыхление хроматина, также как и в ядре яйцеклетки. Происходит перемещение пронуклеусов по цитоплазме. В процессе движения пронуклеусов и разрыхления хроматина в каждом из них реплицируется ДНК. Перед завершением сближения в каждом из пронуклеусов количество ДНК возрастает вдвое. Но общего ядра у млекопитающих и человека не образуется. Конечная стадия сближения пронуклеусов – это образование одной метафазной пластинки деления зиготы. В зиготе интесивно продолжается ооплазматическая сегрегация.

Стадия дробления. После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеусов тотчас начинается ряд последовательных митотических делений зиготы, заканчивающихся формированием многоклеточного однослойного зародыша – бластулы. Клетки дробящегося яйца называют бластомерами. Побуждает зиготу делиться несоответствие величины ядерно-цитоплазматического отношения зиготы величинам, которые характерны для соматических клеток. За первым делением дробления следует серия следующих делений, так называемых делений дробления. Для всех этих делений характерны общие свойства: 1) разделившиеся клетки зародыша не растут. Суммарный объем и масса всех возникших клеток не превышает объема и массы яйцеклетки сразу после оплодотворения; 2) количество ДНК в ядрах удваивается после каждого деления, как при обычном митозе; 3) дробление зигот фактически у всех видов характеризуется асинхронностью, т. е. не одинаковыми циклами деления. У млекопитающих уже со второго деления, дробление идет асинхронно. Строение бластулы зависит от типа дробления яйца, а тип дробления во многом определяется количеством и распределением желтка в яйце, т.е. типом яйцеклетки.

Все типы дробления можно разделить на полное (голобластическое) и неполное (меробластическое). При полном дроблении дробится вся яйцеклетка, при неполном частичное дробление. Голобластическое (полное) дробление делят на: равномерное и неравномерное. При полном равномерном дроблении образуются бластомеры равной величины, при полном неравномерном - бластомеры оказываются разной величины. Полное равномерное дробление характерно для изолецитальных яиц, например, ланцетника. Полное неравномерное дробление характерно для умеренно телолецитальных яиц амфибий. Неполное (меробластическое) дробление также подразделяется на два: дискоидальное дробление резко телолецитальных яиц (птиц и некоторых рептилий) и поверхностное дробление центролецитальных яиц (членистоногих).

Рассмотрим на примере ланцетника полное равномерное дробление (рис. 1). Ему характерен радиальный тип дробления. Это значит, плоскости деления клеток в последовательных делениях проходят перпендикулярно друг другу. В результате бластомеры располагаются симметрично друг над другом. Первая борозда делит яйцо меридиально на два бластомера, а затем вторая борозда проходит тоже по меридиану, перпендикулярно первой борозде. Третья борозда проходит экваториально, образуется 8 бластомеров. Затем происходит чередование экватореальных и меридиальных борозд. На стадии 16 бластомеров образуется плотный комочек клеток. Зародыш на этой стадии называется морулой. В дальнейшем в результате дробления зародыш приобретает вид шара с полостью внутри. Стенка бластулы образована одним слоем клеток – бластодерма. Все бластомеры при этом имеют одинаковый размер. Полость бластулы – бластоцель.Такая бластула с тонкой однослойной стенкой и обширным бластоцелем получила название целобластула или типичная бластула.

Рис. 1. Полное равномерное дробление (у ланцетника)

Голобластическое неравномерное дробление характерно для умеренно телолецитальных яиц амфибий (рис. 2). Неравномерное распределение желтка и образование вследствие этого вегетативного и анимального полюсов ведет к задержке дробления у вегетативного полюса. Когда борозда дробления доходит до вегетативного полюса, ее дальнейшее продвижение замедляется настолько значительно, что последующие клеточные деления начинаются на анимальном полюсе раньше, чем на вегетативном успевает закончиться первое деление. В результате бластомеры имеют неодинаковую величину: на анимальном полюсе они мелкие (микромеры), на вегетативном полюсе крупные (макромеры), бластоцель при этом смещена в анимальное полушарие. Бластулу такого типа называют амфибластулой.

Рис. 2. Голобластическое неравномерное дробление (у амфибий)

При неполном дискоидальном дроблении резко телолецитальных яиц дробление идет только на анимальном полюсе. В результате образуется дискобластула, а бластоцель располагается под слоем бластодермы на анимальном полюсе в виде щели (рис 3).

Рис. 3. Неполное дискоидальное дробление (у птиц)

При неполном поверхностном дроблении центролецитальных яиц членистоногих ядра яиц многократно делятся и перемещаются к периферии, где в цитоплазме нет желтка. Образуется на периферии один слой бластомеров, а бластоцель заполнен желтком (рис. 4).

Рис. 4. Неполное поверхностное дробление (у членистоногих)

Дробление и формирование бластулы у млекопитающих. У высших (плацентарных) млекопитающих яйца изолецитальные (алецитальные) – имеется небольшое количество желтка. Дробление полное, неравномерное, почти с самого начала асинхронное. В результате дробления образуется морула, состоящая из 16-32 клеток. В моруле очень скоро выделяется слой светлых наружных клеток и более темная плотная масса внутренних клеток. Из наружного слоя впоследствии развивается особая внезародышевая ткань – трофобласт, а из внутренней массы (эмбриобласта или зародышевого узелка) формируется сам зародыш и его провизорные органы. В конце дробления в зародыше возникает обширная полость (бластоцель). На этой стадии зародыш млекопитающих называется бластоцистой. Наружный слой клеток бластоцисты представляет собой трофобласт, из которого позднее разовьется наружная оболочка плода – хорион. Трофобласт играет важную роль в имплантации зародыша в стенку матки. У анимального полюса бластоцисты располагается эмбриобласт (рис. 5).

Рис. 5. Бластоциста млекопитающих

Стадия гаструляции. Одно из главных изменений, происходящих в начале гаструляции – это приобретение клетками способности к направленным морфогенетическим перемещениям. После прохождения стадии бластулы в зародыше начинается интенсивное перемещение как отдельных клеток, так и обширных участков стенки бластулы. Это приводит к тому, что более менее однородный перед этим зародыш расчленяется на два или три слоя, которые называются зародышевыми листками. У губок и кишечнополостных формируется два зародышевых листка: поверхностный листок- эктодерма и внутренний листок – энтодерма. У всех остальных животных формируется еще и третий, средний зародышевый листок – мезодерма, который располагается между двумя первыми. Способы гаструляции довольно разнообразны, отчасти они связаны со строением бластулы. Различают четыре основных способа гаструляции: инвагинация (впячивание), деламинация (расслоение), иммиграция (вселение), эпиболия (обрастание).

При инвагинации часть однослойной бластодермы (стенки бластулы) впячивается внутрь бластоцеля. В результате чего из однослойного полого шара образуется двуслойная чаша (двуслойный зародыш). Наружный слой клеток двуслойного зародыша представляет эктодерму, внутренний слой клеток – энтодерму. Энтодерма выстилает новую полость двуслойного зародыша, называемую - гастроцель или полость первичной кишки. Отверстие, ведущее в гастроцель принято называть бластопором или первичным ртом. Края бластопора называют губами бластопора. У первичноротых животных (черви, моллюски, членистоногие) бластопор в дальнейшем превращается в ротовое отверстие. У вторичноротых – в анальное отверстие, а рот образуется на противоположном конце (хордовые, ланцетник). Инвагинация характерна для ланцетника, а также других организмов (рис. 6).

Рис.6. Гаструляция путем инвагинации

Деламинация в чистом виде характерна для кишечнополостных, имеющих бластулу в виде морулы (без полости). При деламинации происходит расслоение клеток бластодермы бластулы на два слоя, расположенных друг над другом. Наружные клетки будут формировать эктодерму. Клетки внутреннего слоя образуют энтодерму (рис. 7).

Рис. 7. Гаструляция путем деляминации

При иммиграции отдельные клетки стенки бластулы вычленяются (выселяются) в полость бластоцель. Выселившиеся клетки формируют внутренний слой гаструлы (энтодерму), наружный слой клеток образует эктодерму (рис. 8).

Рис. 8. Гаструляция путем иммиграции

Эпиболия – это перемещение с анимального полюса мелких быстро делящихся клеток (микромеров) в направлении вегетативного полюса и обрастание ими более крупных и менее подвижных клеток вегетативного полюса (макромеры). При этом формируется два слоя клеток – наружный (эктодерма) и внутренний (энтодерма). Такой способ выражен у амфибий (рис. 9).

Рис. 9. Гаструляция путем эпиболии

Рассматривая способы гаструляции, надо иметь ввиду, что в чистом виде они редко встречаются, имеет место сочетание этих способов у разных видов. Так у амфибий имеет место инвагинация и эпиболия, у рептилий и птиц - деламинация и иммиграция. У млекопитающих, в том числе человека, гаструляция идет путем деламинации и иммиграции.

Способы закладка мезодермы. Различают два принципиально отличных способа закладки мезодермы (рис. 10). Первый – телобластический, характерен для первичноротых животных. При телобластическом способе мезодерма развивается из двух бластомеров симметрично расположенных в области губ бластопора. При делении этих клеток возникает пара мезодермальных полосок. Позже они подразделяются на сомиты. Принципиально другой способ закладки мезодермы – энтероцельный, свойственен вторичноротым животным. При этом способе мезодерма формируется из клеток энтодермы (участков первичной кишки), которые симметрично впячиваются в полость бластоцель. В последующем эти участки отделяются, дифференцируются в мезодерму и подразделяются на сомиты.

Рис. 10. Телобластический (первичноротые) и энтероцелный (вторичноротые) способы закладки мезодермы

Из зародышевых листков образуются различные ткани, органы и системы органов. Процесс формирования тканей и органов получил название гисто- и органогенез. В процессе формирования органов можно условно выделить две фазы. Первая фаза (начало органогенеза) – нейруляция. Сущность ее состоит в образовании комплекса осевых органов – нервной трубки и хорды. Вторая фаза – это построение всех остальных структур и органов. Остановимся только на нейруляции. Зародыш на стадии нейруляции называется нейрулой (рис. 11).

Рис. 11. Нейрула

Образование нервной трубки происходит следующим образом: дорзальная эктодерма гаструлы около срединной линии начинает утолщаться и превращается в нервную пластинку. Вскоре ее боковые края приподнимаются, образуются нервные валики. Нервные валики постепенно сближаются, а нервная пластинка начинает прогибаться вдоль средней линии, образуя углубление нервной пластинки, которое называется нервным желобком. Чуть позже края нервной пластинки смыкаются и формируется нервная трубка, полость которой называется невроцелем. Из переднего отдела нервной трубки в дальнейшем образуется головной мозг, из остальной части – спинной мозг. Параллельно формируется и хорда. Она образуется путем обособления участков первичной кишки по срединной линии. Образуется хорда из зачатка общего с энтодермой и мезодермой. По бокам от образовавшейся хорды лежат обширные участки мезодермы. Вначале мезодерма на каждой стороне представлена единой массой, но вскоре она делится на «блоки» - сомиты. Из них образуются повторяющиеся сегментарные структуры тела позвоночного животного, сомит - сегмент. Сомиты обособляются последовательно один за другим по направлению от головы к хвосту.

Не рассматривая более позднюю фазу органогенеза, тем не менее надо знать какие производные образуются из разных зародышевых листков. Из эктодермы развивается: нервная система, органы чувств, кожный эпидермис, кожные и молочные железы, придатки кожи, эпителий передней и задней кишки (эпителий ротовой полости и анального отдела прямой кишки), эмаль зубов. Из энтодермы: эпителий средней кишки (желудка и кишечника), пищеварительные железы (клетки печени и поджелудочной железы), дыхательная система. Из мезодермы: опорно-двигательный аппарат, кровеносная и лимфатическая система, мочеполовая система, соединительная ткань.

Лекция 16

Механизмы эмбрионального развития на молекулярно-генетическом, клеточном и организменном уровне.

На прошлой лекции мы останавливались на общей характеристике эмбрионального развития, рассмотрели периодизацию онтогенеза и морфологические события соответствующие дроблению, гаструляции зародыша с образованием трех зародышевых листков, из которых образуются соответствующие ткани и органы. В этой лекции мы должны остановиться на молекулярно-генетических, клеточных механизмах, которые имеют место в эмбриональном развитии и с которыми в конечном итоге связано формирование окончательного фенотипа с присущими для данного вида формами. Мы будем это рассматривать настолько, насколько это изучено на современном этапе. Все дело в том, что в биологии развития много нерешенных проблем. Например, в настоящее время мы разобрались в строении и функции невидимых глазу генов. А вот как и почему в процессе развития изменяется форма клеток, хорошо видимых под микроскопом, мы еще недостаточно знаем. А понять как создается форма органов, видимых уже невооруженным глазом, каковы механизмы формообразования (морфогенеза) пока полностью не представляется возможным. Одно становится ясным, что в основе морфогенеза, как и развития в целом, лежат конкретные цитогенетические и клеточные механизмы.

Но прежде чем останавливаться на этих механизмах, необходимо коснуться такого важного вопроса эмбрионального развития как молекулярно-генетические аспекты раннего развития. Что следует считать ранним развитием? Это стадия зиготы, превращение одноклеточной системы в многоклеточную в результате дробления, начало дифференцировочных и морфогенетических процессов. Одной из важнейших задач молекулярных исследований раннего развития заключается в выяснении: а) когда начинают функционировать собственные гены зародыша; б) на каких стадиях синтезируются и начинают функционировать собственные РНК и белки зародыша; в) есть ли различия в синтезируемых РНК и белках в разных частях зародыша, в разных зародышевых клетках. Имеющиеся на этот счет данные свидетельствуют, что в ранний период развития зародыша у генов зародыша транскрипционная активность низкая. В зиготе гены не активны, будучи прочно связаны с основными белками-гистонами. Отсутствие активности генов в самом раннем развитии создает видимость того, что в этот период развитие контролируется факторами цитоплазмы. И действительно, запасание в ооплазме большого количества продуктов генной активности в период овогенеза (о чем говорилось в прошлой лекции) делает ооплазму относительно самостоятельной, способной определенное время обходиться без ядра. В многочисленных опытах роль ядра и цитоплазмы выяснялась путем микрохирургического удаления ядра или его разрушения. Исследования показали, что у видов, на которых проводились эти опыты, все факторы, необходимые для раннего развития вплоть до формирования бластулы и начальных этапов гаструляции, имеются в цитоплазме. Для прохождения этих стадий функционирование ядра в этот период не обязательно.

По мере развития активируются определенные группы генов. Включение в работу собственных генов по мере развития зародыша происходит не одновременно. Первыми активируются гены, обусловливающие способность клеток к пролиферации, и гены, регулирующие общий метаболизм клетки. По мере того как продолжается дробление и зародыш вступает в стадию гаструляции, начинают активироваться первые тканеспецифические гены. Уже в период гаструляции функционирование ядра необходимо. Позднее, в процессе гисто- и органогенеза, вступают в действие другие гены, которые регулируют более специфические функции клеток. Однако у разных видов животных транскрипционная активность генов повышается не одновременно и синтез РНК и белков начинается, соответственно, неодновременно. Это определяется во многом количеством питательных веществ в яйцеклетке. Так у зародышей амфибий в период дробления образуется очень мало новой РНК. И лишь при вступлении в стадию бластулы начинается синтез значительных количеств как иРНК, так и тРНК. У зародышей мышей синтез РНК начинается уже на стадии двух бластомеров, а уже на стадии четырех бластомеров синтезируются все основные типы РНК. В настоящее время имеются лишь отдельные указания на различия в синтезируемых РНК и белках в разных частях зародыша. Но эти данные свидетельствуют о количественных различиях и пока не ясно, существуют ли отличия между наборами РНК и белков, которые синтезируются в разных клетках раннего зародыша.