Хронобиологический аспект клеточной 15 страница
7.4.2. Гаструляция
7.4.2.1. Сущность стадии гаструляции
Сущность гаструляции заключается в том, что однослойный зародыш — бластула — превращается в многослойный — двух- или трехслойный, называемый гаструлой (греч., gaster — желудок; позднелат., gastrula – желудочек).
У двухслойных примитивных хордовых, например у ланцетника, однородная однослойная бластодерма во время гаструляции преобразуется в наружный зародышевый листок — эктодерму — и внутренний зародышевый листок — энтодерму. Энтодерма формирует первичную кишку с полостью внутри — гастроцель. Отверстие, ведущее в гастроцель, называют бластопором или первичным ртом. Два зародышевых листка являются определяющим морфологическим признаком гаструляции. Их существование на определенной стадии развития у всех многоклеточных животных, начиная с кишечнополостных и кончая высшими позвоночными, позволяет думать о гомологии зародышевых листков и единстве происхождения всех этих животных.
У позвоночных помимо двух упомянутых зародышевых листков во время гаструляции образуется еще третий — мезодерма, занимающая место между экто- и энтодермой. Развитие среднего зародышевого листка можно расценивать как эволюционное усложнение стадии гаструляции у позвоночных, связанное с ускорением у них развития в ранних фазах эмбриогенеза. У примитивных хордовых животных, таких, как ланцетник, аналог 3-го зародышевого листка хордомезодерма обычно образуется в начале следующей после гаструляции стадии — первичного органогенеза. Изменение времени закладки органов и структур в процессе эволюции (гетерохрония) встречается достаточно часто.
Процесс гаструляции характеризуется важными клеточными преобразованиями, такими, как направленные перемещения клеточных групп (пластов) и отдельных клеток, избирательное размножение и сортировка клеток, начало цитодифференцировки и индукционных взаимодействий. Перечисленные клеточные механизмы онтогенеза – см. 8.2.
Способы гаструляции различны. Выделяют четыре разновидности направленных перемещений клеток, приводящих к преобразованию зародыша из однослойного в многослойный.
Инвагинация — впячивание одного из участков бластодермы внутрь целым пластом. У ланцетника впячиваются клетки вегетативного полюса, у земноводных инвагинация происходит на границе между анимальным и вегетативным полюсами в области серого серпа (см. рис. 7-3). Процесс инвагинации возможен только в яйцах с небольшим или средним количеством желтка.
Эпиболия — обрастание мелкими быстро делящимися клетками анимального полюса более крупных, отстающих в скорости деления и менее подвижных клеток вегетативного полюса. Такой процесс ярко выражен у земноводных.
Деламинация — расслоение клеток бластодермы на два слоя, лежащих друг над другом. Деламинацию можно наблюдать в дискобластуле зародышей с неполным дроблением, таких, как пресмыкающиеся, птицы, яйцекладущие млекопитающие. Деламинация проявляется в эмбриобласте плацентарных млекопитающих, приводя к образованию гипобласта и эпибласта.
Иммиграция — перемещение клеточных групп или отдельных клеток, не объединенных в единый пласт. Иммиграция встречается у всех зародышей, но в наибольшей степени характерна для второй фазы гаструляции высших позвоночных (рептилии, птицы, млекопитающие).
В каждом конкретном случае эмбриогенеза, как правило, сочетаются несколько способов гаструляции.
7.4.2.2. Морфология гаструляции
У представителей разных классов типа Хордовые гаструляция имеет свои особенности. Более детальное рассмотрение гаструляции у ланцетника, лягушки, цыпленка и млекопитающих поможет глубже понять эволюционные связи и разобраться в закономерностях индивидуального развития.
7.4.2.2-а. Гаструляция у ланцетника
Гаструляция у ланцетникапроисходит путем инвагинации (рис. 7-5). Разными маркерами на стадии бластулы (рис. 7-5, I) помечены презумптивные (предполагаемые) зачатки. Это области бластулы, из клеточного материала которых, в ходе гаструляции и раннего органогенеза (нейруляции), обычно образуются совершенно определенные зародышевые листки и органы (рис. 7-5, II и III).
Рис. 7-5. Презумптивные зачатки, гаструляция и нейруляция у ланцетника. I – презумптивные зачатки на стадии бластулы (вид снаружи) и ранней гаструлы – ниже (вид на срезе); II — поздняя гаструла и нейруляция на сагиттальном (левый ряд) и поперечном (правый ряд) разрезах; III — пластическая модель зародыша в конце периода нейруляции: 1 — анимальный полюс, 2 — вегетативный полюс, 3 — бластоцель, 4 — гастроцель, 5 — спинная и брюшная губы бластопора, 6 — головной конец зародыша, 7 — медулярная пластинка, 8 — хвостовой конец зародыша, 9 — спинная часть мезодермы, 10 — полость вторичной кишки. 11 — сегментированные сомиты, 12 — брюшная часть мезодермы; а, б, в, г, д — обозначения презумптивиых и развивающихся органов: а — эктодерма кожная, б — нервная трубка, в — хорда, г — энтодерма, эпителий кишки, д — мезодерма.
Инвагинация начинается на вегетативном полюсе. Из-за более быстрого деления клетки анимального полюса разрастаются и толкают внутрь бластулы клетки вегетативного полюса. Этому способствует изменение состояния цитоплазмы в клетках, образующих губы бластопора и прилежащих к ним. Вследствие инвагинации бластоцель уменьшается, а гастроцель увеличивается. Одновременно с исчезновением бластоцеля эктодерма и энтодерма приходят в тесный контакт. У ланцетника, как и у всех вторичноротых животных (к ним относят тип Иглокожие, тип Хордовые и некоторые другие относительно малочисленные типы животных), область бластопора превращается в хвостовую часть организма, в отличие от первичноротых, у которых бластопор соответствует головной части. Ротовое отверстие у вторичноротых образуется на противоположном бластопору конце зародыша.
7.4.2.2-б. Гаструляция у земноводных
Гаструляция у земноводных имеет много общего с гаструляцией ланцетника, но так как в яйцеклетках у них желтка намного больше и расположен он преимущественно на вегетативном полюсе, крупные бластомеры амфибластулы не способны впячиваться внутрь. Инвагинация проходит несколько иначе, причем настолько, что выделяют особый способ гаструляции (образования экто- и энтодермы) - эпиболию. На границе между анимальным и вегетативным полюсами в области серого серпа клетки сначала сильно вытягиваются внутрь, принимая вид «колбовидных» (рис. 7-6, а), а затем тянут за собой клетки поверхностного слоя бластулы. Возникают серповидная бороздка и спинная губа бластопора (рис. 7-6, б).
Рис. 7-6. Образование бластопора ранней гаструлы амфибий: а — колбовидные клетки в области спинной губы бластопора, б — общий вид серповидной бороздки и спинной губы. 1 — колбовидные клетки, 2 — спинная губа бластопора.
Одновременно более мелкие клетки анимального полюса, делящиеся быстрее, начинают перемещаться в сторону вегетативного полюса. В области спинной губы они подворачиваются и впячиваются, а с боков и со стороны, противоположной серповидной бороздке, концентрируются более крупные клетки. По-существу включается процесс эпиболии, который приводит к образованию боковых и брюшной губ бластопора. Бластопор смыкается в кольцо, внутри которого некоторое время видны крупные светлые клетки вегетативного полюса в виде так называемой желточной пробки. Позднее они полностью погружаются внутрь, а бластопор сужается.
С помощью метода маркировки прижизненными (витальными) красителями у земноводных детально изучены перемещения клеток бластулы во время гаструляции, Установлено, что конкретные области бластодермы, называемые презумптивными (лат. praesumptio — предположение), при нормальном развитии оказываются сначала в составе определенных зачатков органов, а затем в составе самих органов (рис. 7-7). Известно, что у бесхвостых амфибий материал презумптивной хорды и мезодермы на стадии бластулы лежит не на ее поверхности, а во внутренних слоях стенки амфибластулы, однако примерно на тех уровнях, как это показано на рисунке.
Рис. 7-7. Карта областей презумптивных зачатков органов на ранних стадиях эмбрионального развития амфибий. а — стадия бластулы (вид слева);б–д — последовательные этапы гаструляции (сагиттальные срезы); е — начало нейруляции (поперечный срез): 1 — кожная эктодерма, 2 — нервная трубка, 3 — хорда, 4 — мезодерма сомитов, 5 — мезодерма спланхнотомов, 6 — энтодерма, 7 — бластоцель, 8 — серповидная бороздка, 9 — гастроцель, 10 — спинная губа бластопора, 11 — желточная пробка, 12 — полость вторичной кишки, 13 — нервные валики.
Определенное сходство процессов гаструляции и областей презумптивных органов у земноводных и ланцетника, т.е. гомология основных органов, таких, как нервная трубка, хорда, вторичная кишка, указывает на их филогенетическое родство.
7.4.2.2-в. Гаструляция у птиц
Гаструляция у зародышей птиц с меробластическим типом дробления имеет свои особенности. Есть мнение, что она начинается вслед за дроблением и образованием бластулы еще во время прохождения зародыша по яйцеводу. К моменту откладки яйца зародыш как следствие процесса деляминации внутренней клеточной массы бластулы (эмбриобласта в терминологии классической гистологии и эмбриологии) состоит из нескольких слоев: верхний слой называют эпибластом, нижний — первичным гипобластом(см. рис. 7-4, в). Между ними находится узкая щель — бластоцель. Затем образуется вторичный гипобласт, способ образования которого не вполне ясен. Имеются данные о том, что в первичном гипобласте птиц берут начало первичные половые клетки, а вторичный образует внезародышевую энтодерму. Образование первичного и вторичного гипобласта ряд эмбриологов рассматривает как явление, предшествующее гаструляции (во всяком случае основных ее событий).
Основные события гаструляции у птиц начинаются после откладки яиц с началом инкубации. Возникает скопление клеток в задней части эпибласта как результат неравномерного по скорости деления клеток и перемещения их с боковых участков эпибласта к центру, навстречу друг другу. Образуется так называемая первичная полоска, которая вытягивается в направлении головного конца. В центре первичной полоски образуется первичная бороздка, а по краям — первичные валики. На головном конце первичной полоски возникает утолщение — гензеновский узелок, а в нем — первичная ямка (рис. 7-8).
Рис. 7-8. Куриный зародыш на стадии первичной полоски (вид со спинной стороны): 1 — темная область, 2 — просвечивающая область зародышевого диска, 3 — головной конец, 4 — гензеновский узелок, 5 — первичная ямка, 6 — первичная бороздка, 7 — первичный валик, 8 — хвостовой конец.
Когда клетки эпибласта входят в первичную бороздку, их форма изменяется. Они напоминают по форме «колбовидные» клетки гаструлы земноводных. Затем эти клетки приобретают звездчатую форму и погружаются под эпибласт, образуя мезодерму. Часть мигрирующих клеток, встраиваясь в гипобласт, дает в дальнейшем начало зародышевой энтодерме (рис. 7-9). Таким образом, энтодерма образуется на основе первичного и вторичного гипобласта с добавлением нового поколения энтодермальных клеток, мигрирующих из верхних слоев бластодермы. Наличие нескольких генераций энтодермальных клеток указывает на растянутость периода гаструляции во времени.
Рис. 7-9. Куриный зародыш на стадии первичной полоски (поперечный срез):
1 – первичная бороздка; 2 – эпибласт (эктодерма); 3 – мигрирующие клетки (мезодерма); 4 – зародышевая
энтодерма; 5 – гипобласт (энтодерма); 6 – бластоцель; 7 – гензеновский узелок.
Часть клеток, мигрирующая из эпибласта через гензеновский узелок, образует будущую хорду. Одновременно с закладкой и удлинением хорды гензеновский узелок и первичная полоска постепенно смещаются в направлении от головного к хвостовому концу и исчезают. Это соответствует сужению и закрытию бластопора. По мере сокращения протяженности первичная полоска оставляет за собой сформированные участки осевых органов зародыша в направлении от головных к хвостовым отделам. Представляется обоснованным рассматривать перемещения клеток в курином зародыше как гомологичные таковым у земноводных, а первичную полоску и гензеновский узелок — как структуры, гомологичные спинной (дорзальной) губе бластопора амфибий.