Доэмбриональный онтогенез человека
Индивидуальное развитие организмов - онтогенез - последовательное развитие каждой особи, в основе которого лежит реализация генетической информации на всех стадиях существования в определённых условиях среды. Онтогенез подразделяется на 3 периода - прогенез (доэмбриональный), эмбриональный, постэмбриональный.
Прогенез -процесс образования гамет, которые в отличие от соматических клеток являются гаплоидными и содержат разнородную генетическую информацию. Сперматозоиды человека образуются в течение всего активного полового периода и в больших количествах. Продолжительность развития зрелых сперматозоидов из родоначальных клеток - сперматогоний - составляет около 72 дней. Сформированный сперматозоид имеет длину около 70 мкм. В ядре сперматозоида человека содержится 23 хромосомы, одна из которых является половой (X и Y), остальные - аутосомами. Среди сперматозоидов 50% содержат X-хромосому и 50% - Y-хромосому. Показано, что масса X-хромосомы больше массы Y-хромосомы, поэтому сперматозоиды, содержащие X-хромосому, менее подвижны, чем содержащие Y-хромосому.
У человека объём эякулята в норме составляет около 3 мл; в нём содержится в среднем 350 млн. сперматозоидов. Для обеспечения оплодотворения общее количество сперматозоидов в сперме должно быть не менее 150 млн., а концентрация их в 1 мл - не менее 60 млн. В половых путях женщины после копуляции их число уменьшается по направлению к дистальному концу маточной трубы. Благодаря высокой подвижности сперматозоиды при оптимальных условиях могут через 30 мин- 1 час достигать полости матки, а через 1,5-2 часа находиться в дистальной части маточной трубы, где происходит встреча с яйцеклеткой и оплодотворение. Сперматозоиды сохраняют оплодотворяющую способность до 2 суток.
Образование женских половых клеток (овогенез) совершается в яичниках циклически, при этом в течение овариального цикла каждые 24-28 дней образуется, как правило, один овоцит I порядка. Вышедший яз яичника при овуляции овоцит I порядка имеет диаметр около 130 мкм и окружён плотной блестящей зоной, или мембраной, и венцом фолликулярных клеток, число которых достигает 3-4 тыс. Он подхватывается бахромками маточной трубы (яйцевода) и продвигается по ней. Здесь и заканчивается созревание половой клетки. При этом в результате второго деления созревания образуется овотида (яйцеклетка), которая утрачивает центриоли и тем самым способность к делению. В ядре яйцеклетки человека содержится 23 хромосомы, одна из них является половой X-хромосомой.
Яйцеклетка женщины (как и млекопитающих животных) вторично изолецитального типа, содержит небольшое количество желточных зёрен, более или менее равномерно расположенных в ооплазме. Свой резерв питательных веществ яйцеклетка человека обычно расходует в течение 12 - 24 ч после овуляции, а затем погибает, если не будет оплодотворена. Оптимальные условия для взаимодействия сперматозоидов с яйцеклеткой обычно создаются в пределах 12 ч после овуляции. При осеменении многочисленные спермии приближаются к яйцеклетке и вступают в контакт с ее оболочкой. Яйцеклетка начинает совершать вращательные движения вокруг своей оси со скоростью 4 вращения в минуту. Эти движения обусловлены влиянием биения жгутиков сперматозоидов и продолжаются около 12 ч. В процессе взаимодействия мужской и женской половых клеток в них происходит ряд изменений. Для сперматозоидов характерны явления капацитации и акросомальная реакция. Капацитация представляет собой процесс активации спермиев, который происходит в яйцеводе под влиянием слизистого секрета его железистых клеток. В механизмах капацитации большое значение принадлежит гормональным факторам, прежде всего прогестерону (гормон желтого тела), активизирующему секрецию железистых клеток яйцеводов. После капацитации следует акросомальиая реакция, при которой происходит выделение из сперматозоидов ферментов гиалуронидазы и трипсина, играющих важную роль в процессе оплодотворения. Гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, содержащуюся в блестящей зоне. Трипсин расщепляет белки цитолеммы яйцеклетки и клеток лучистого венца. В результате происходят диссоциация и удаление клеток лучистого венца, окружающих яйцеклетку, и растворение блестящей зоны. В яйцеклетке цитолемма в области прикрепления сперматозоида образует приподнимающий бугорок, куда входит один сперматозоид, при этом за счет кортикальной реакции образуется плотная оболочка - оболочка оплодотворения, препятствующая вхождению других спермиев и явлению полиспермии. Ядра женской и мужской половых клеток превращаются в пронуклеусы, сближаются, наступает стадия синкариона и образуется зигота с диплоидным набором хромосом. Масса ДНК в зиготе меньше, чем в соматической клетке, в два раза. Поэтому, для начала эмбриогенеза требуется синтез ДНК, (что и происходит) и хромосомы становятся двухроматидными.
Эмбриональный онтогенез
За процессом оплодотворения следует эмбриональный период.Это период, включающий развитие от зиготы до формирования плода. Начальный этап эмбрионального онтогенеза носит название- дробления. Суть этой стадии заключается: в повторяющихся митотических делениях клеток зародыша, при которых происходит точное распределение генетической информации, затем следует удвоение ДНК, без роста дочерних клеток. В результате такого деления, клетки, называемые бластомерами, уменьшаются в размере, и общий объем тела зародыша не изменяется, он становится многоклеточным. Биологический и генетический смысл дробления заключается в том, что в результате повторяющихся циклов редупликации разделения ДНК происходит размножение генотипа.
Дробление зародыша человека начинается к концу 1-х суток и продолжается в течение 3—4 суток после оплодотворения, по мере продвижения зародыша по яйцеводу к матке. Движение зародыша обеспечивается перистальтическими сокращениями мускулатуры яйцевода, мерцанием ресничек его эпителия, а также перемещением секрета желез маточной трубы. Питание зародыша осуществляется за счет небольших запасов желтка в яйцеклетке и, возможно, содержимого маточной трубы. Дробление зиготы человека полное неравномерное асинхронное. В течение первых суток оно происходит медленно. Первое деление завершается через 30 ч; при этом борозда дробления проходит по меридиану и образуется два бластомера. За стадией двух бластомеров следует стадия трех бластомеров. Через 40 ч образуются 4 клетки.
С первых же делений формируются два вида бластомеров «тёмные» и «светлые». «Светлые» бластомеры дробятся быстрее и располагаются одним слоем вокруг «тёмных», которые оказываются в середине зародыша. Из поверхностных «светлых» бластомеров в дальнейшем возникает трофобласт, связывающий зародыш с материнским организмом и обеспечивающий его питание. Внутренние «тёмные» бластомеры формируют эмбриобласт - из него образуются тело зародыша и все остальные внезародышевые органы. Начиная с трех суток, дробление идет быстрее и на 4-е сутки зародыш состоит из 7-12 бластомеров. Уже через 50—60 ч образуется морула, а на 3-4-е сутки начинается формирование бластоцисты — полого пузырька, заполненного жидкостью.
Бластоциста в течение 3 суток находится в яйцеводе, через 4—4,5 суток она состоит из 58 клеток, имеет хорошо развитый трофобласт и расположенную внутри клеточную массу эмбриобласта. Через 5— 5,5 суток бластоциста попадает в матку. К этому времени она увеличивается в размерах благодаря росту числа бластомеров до 107 клеток и объема жидкости вследствие усиленного всасывания трофобластом секрета маточных желез, а также активной выработке жидкости самим трофобластом.
Бластоциста покрыта оболочкой оплодотворения. В трофобласте увеличивается количество лизосом, в которых накапливаются ферменты, обеспечивающие разрушение (лизис) тканей матки и тем самым способствующие внедрению зародыша в толщу слизистой оболочки матки. Появляющиеся в трофобласте выросты разрушают оболочку оплодотворения и начинается подготовка к первой фазе гаструляции. Гаструляция - это фаза, при которой происходит распределение клеточного материала на три зародышевых листка. Параллельно происходит имплантация зародыша. Внедрение зародыша в стенку матки начинается с 7-х суток после оплодотворения и продолжается около 40 ч. При имплантации зародыш полностью погружается в ткани слизистой оболочки матки. Различаются две стадии имплантации: адгезия (прилипание) и инвазия (проникновение). В первой стадии трофобласт прикрепляется к слизистой оболочке матки. Во время второй стадии трофобласт, продуцируя протеолитические ферменты, разрушает слизистую оболочку матки- При этом формирующиеся ворсинки трофобласта, внедряясь в матку, последовательно разрушают ее эпителий, затем подлежащую соединительную ткань и стенки сосудов, и трофобласт вступает в непосредственный контакт с кровью материнских сосудов. Образуется имплантационная ямка, в которой вокруг зародыша появляются участки кровоизлияний. Трофобласт вначале (первые 2 недели) потребляет продукты распада материнских тканей (гистиотрофный тип питания), затем питание зародыша осуществляется непосредственно из материнской крови (гематотрофпый тип питания). Из крови матери зародыш получает не только все питательные вещества, но и кислород, необходимый для дыхания.
Период имплантации является первым критическим периодом развития зародыша. Гематотрофный тип питания, сменяющий гистиотрофный, сопровождается переходом к качественно новому этапу эмбриогенеза - ко второй фазе гаструляции и закладке внезародышевых органов.
Гаструляция у человека осуществляется в две фазы. Первая фаза предшествует имплантации или идет в процессе ее, т, е. совершается на 7-е сутки, а вторая фаза начинается только на 14— 15-е сутки. В период между этими фазами активно формируются внезародышевые органы, обеспечивающие необходимые условия для развития зародыша.
Первая фаза гаструляции происходит путем деляминации, при этом клетки эмбриобласта расщепляются на два листка: наружный – эпибласт (включает материал эктодермы, нервной пластинки, мезодермы и хорды), обращенный к трофобласту, и внутренний - гипобласт (включает материал зародышевой и внезародышевой - энтодермы), обращенный в полость бластоцисты. На 7-е сутки развития обнаруживаются клетки, которые располагаются в полости бластоцисты и формируют внезародышевую мезодерму (мезенхиму). К 11-м суткам она заполняет полость бластоцисты. Мезенхима подрастает к трофобласту и внедряется в него, при этом формируется хорион - ворсинчатая оболочка зародыша. Таким образом, 1 фаза гаструляции заканчивается образованием зародышевых листков и внезародышевых оболочек - хориона, амниона.
Зародышевые листки – это динамичные скопления клеток, характеризующиеся определенным пространственным
взаиморасположением, что в дальнейшем приводит к развитию органов и систем органов. Выделяют четыре основных способа гаструляции, но чаще всего встречаются комбинация их. Этими способами являются - инвагинация, деляминация, эпиболия и иммиграция.
Вторая фаза гаструляции продолжается до 17 суток развития и заканчивается закладкой зачатков осевых органов - нервной трубки, хорды, пищеварительной трубки.
Закладки будущих органов возникают благодаря закономерному распределению клеточною материала. Исследования показали, что на этом этапе развития синтезируются специфические белки, направляющие клеточную дифференцировку.
В течение 3-6-й недели эмбриогенеза осуществляется процессплацентации - образование плацентыиз хориона. Процесс плацентации совпадает с периодом формирования зачатков органов. Этот период является вторым критическим в эмбриогенезе человека, так как различные патогенные воздействия в это время наиболее часто могут вызвать нарушения.
Плацента - внезародышевый, временный орган с многообразными функциями, обеспечивающий связь плода с материнским организмом. Плацента выполняет трофическую, экскреторную (для плода), эндокринную (вырабатывает хориальный гонадотропин, прогестерон,
плацентарный лактоген, эстрогены и др.), защитную (включая иммунологическую защиту). Однако через плаценту (через гематоплацентарный барьер) легко проникают алкоголь, наркотические и лекарственные вещества, никотин, а также многие гормоны - из крови матери в кровь плода.
Процесс формирования систем органов в эмбриональном развитии называетсяорганогенезом. В ходе воссоздания структуры органа принимает участие комплекс клеток, тканей и неклеточных элементов. Стадию органогенеза можно разделить надве фазы:
1. нейруляция - образование нервной трубки и хорды.
2. фаза построения остальных органов, формирование черт внутренней и внешней организации.
Отличительной чертой первой фазы является то, что в формировании ЦНС вовлекается весь зародыш. Материалом для развития нервной системы служит пласт клеток эктодермы над зачатком хорды. Вначале образуется нервная пластинка, края которой образуют валики. В средней части пластики образуется нервный желобок, края пластинки смыкаются с образованием нервной трубки с полостью – невроцелем. Передний отдел нервной трубки у позвоночных образует стадию трех, затем 5-ти пузырей и соответственно, пять отделов головного мозга. Часть нервной трубки развивается в спинной мозг. Часть нейроэктодермы не вошедшая в состав нервной трубки, образует нервные клетки спинномозговых и симпатических нервных узлов, клетки мозгового вещества надпочечников, пигментные клетки эпидермиса кожи, волос, хрящевые и костные клетки. Формирование хорды идет из стенки первичной кишки - зачатка энто - и мезодермы. По бокам от хорды формируется еще один компонент осевого комплекса - сомиты (из мезодермы).
Развитие отдельных органов включает прогрессивное изменениеих формы, состава тканей, структурно-химические преобразования клеток и закономерную смену биохимических и физиологических характеристик.
Обобщая, можно отметить, что из материала наружного зародышевого листка развивается эпидермис кожи и его производные (кожные, молочные железы), компоненты органов зрения, слуха, обоняния, эмаль зубов.
Из энтодермы формируется эпителий желудка и кишечника, клетки пищеварительных желез, (печени, поджелудочной, гипофиза, щитовидной и т.д.).
Клеточный материал сомитов (мезодерма) распределяется между несколькими:
- дерматом, образующий соединительную ткань дермы,
- склеротом, дающий скелетные структуры,
- нефрогонотом - зачаток органов мочевыделения и половой системы.
- мезенхима (мезодерма + эктодерма), формирующая все виды соединительной ткани, гладкую мускулатуру, кровеносную и лимфатическую системы.
Следует отметить, что данная классификация является условной, ибо в построении любого органа принимают участие производные нескольким зародышевых листков, но с преимуществом какого-то одного.
В эмбриональном развитии позвоночных большую роль играют провизорные органы (амнион, хорион), которые функционируют у зародыша и отсутствуют во взрослом состоянии. Зародыш развивается в водной среде, ближайшая оболочка, примыкающая к нему амниотическая, следующая - хорион.
Процесс, в результате которого однородный клеточной материал зародыша в ходе эмбрионального онтогенеза преобразуется и устойчивые структуры, разнородные по морфологии, биохимическим показателям и функциям называется дифференцировкой. Конечный результат дифференцировки предопределен: так из определенных зачатков мезодермы развиваются строго детерминированные структуры.
Процесс внутриутробного развития зародыша человека продолжается в среднем 280 суток (10 лунных месяцев). Эмбриональное развитие человека можно разделить на три периода: начальный (I -я неделя развития), зародышевый (2—8-я неделя развития), плодный (с 9-й недели развития до рождения ребенка). К концу зародышевого периода заканчивается закладка основных эмбриональных зачатков тканей и органов и зародыш приобретает основные черты, характерные для человека. К 9-й неделе развития (начало 3-го месяца) длина зародыша составляет 40 мм, а масса около 5г.
Краткая хронология эмбрионального развития человека следующая:
- в течении 3-х суток перемещение по яйцеводу и одновременно дробление
-на 4-е сутки образуется бластоциста
-на 7-е сутки имплантация в слизистую матки
-на 14-е сутки формируется плацента
-на 16-е сутки формируется зародышевая мезодерма
-на16-21-е сутки - нервная пластинка, а затем нервная трубка с пузырями, сегментация мезодермы на сомиты (их 10), длина зародыша 2 мм, выявляются зачатки сердца, щитовидный железы, пупочных сосудов
-между 21-32 сут. длина зародыша 3,5мм, 25 сомитов, сердце сокращается, устанавливается односторонний ток крови, зачатки рук, ног. К концу этого срока длина зародыша составляет 7,5 мм.
-6-недельный зародыш имеет 5 первичных отделов мозга, формируется пищеварительный тракт, дифференцируются гонады
- до конца 8-ой недели зародыш характеризуется интенсивным ростом и дифференцировкой органов. Масса его 5 г., длина 40 мм, обособляется шея, голова становится круглой, возникают зачатки наружного уха и носа. Глаза с латеральных поверхностей смещаются вперед, появляются веки, хвост редуцируется. К концу 8-ой недели завершается зародышевый период развития. Все основные системы органов дифференцированы, после чего начинается плодный период, завершающийся родами.