Лекция № 2. Гаметогенез и оплодотворение

Гаметогенез (прогенез) – это процесс образования половых клеток – гамет, их развития и созревания. Образование половых клеток начинается на ранних этапах эмбриогенеза задолго до образования половых желез – гонад. Первичные половые клетки – гоноциты – можно обнаружить среди энтодермальных клеток желтка или желточного мешка. Миграция гоноцитов из области желточного мешка к гонадам осуществляется по кровеносным сосудам у птиц или по дорсальной брыжейке у млекопитающих благодаря способности к амебоидному движению. Попав в гонады, гоноциты делятся митозом, и их количество значительно увеличивается. Одно из основных условий, необходимых для полового размножения у любого биологического вида, – это сохранение нормального числа хромосом, что достигается путем редукции числа хромосом в гаметах вдвое во время гаметогенеза и образование зрелых гамет с гаплоидным набором хромосом. С генетической точки зрения в мужских и женских половых клетках мейоз протекает приблизительно одинаково и включает два последовательных деления (рис. 1):

- первое деление созревания – редукционное, протекающее без интерфазы и синтеза ДНК. Ответственным этапом мейоза является профаза первого деления, в ходе которой хромосомы обмениваются гомологичными участками в процессе кроссинговера;

- второе деление созревания – эквационное – протекает как обычный митоз, но из-за отсутствия интерфазы клетки из телофазы первого деления мейоза переходят в профазу второго деления мейоза без удвоения содержания ДНК. В образующихся дочерних клетках расходятся хроматиды от каждой из метафазных хромосом, поэтому гаметы получают гаплоидный набор генетического материала.

Соответственно двум видам гамет различают овогенез и сперматогенез.

Сперматогенез у всех позвоночных протекает сходным образом и включает четыре фазы: размножения, роста, созревания и формирования (рис. 2).

В фазу размножения первичные половые клетки делятся митозом и образуют сперматогонии – стволовые (у млекопитающих они обозначаются как сперматогонии типа А), которые остаются в недифференцированном состоянии и способны к редкому митотическому делению. После каждого деления стволовые клетки изменяют свою величину и форму и становятся способными к регулярному и частому митотическому делению (полустволовые или сперматогонии типа В). После определенного для каждого вида животных количества делений сперматогонии вступают в период 1 первого деления созревания и становятся сперматоцитами первого порядка.

В фазу роста клетки увеличиваются в размерах приблизительно в четыре раза.

Рис. 1. Схематическое изображение стадий мейоза в половых клетках [6]

В фазе созревания каждый сперматоцит первого порядка проходит первое деление созревания, образуя два одинаковых сперматоцита второго порядка. Каждый из них при эквационном делении образует по две сперматиды, обладающие, как и зрелые клетки, гаплоидным числом хромосом. До стадии сперматиды мужские половые клетки связаны между собой цитоплазматическими мостиками, образуя ассоциации клеток.

Сперматиды теряют синцитиальные связи и вступают в фазу формирования, когда в результате сложных цитоплазматических преобразований, не сопровождающихся клеточным делением, дифференцированная половая клетка с гаплоидным набором хромосом преобразуется в зрелый сперматозоид. Процесс формирования спермия из сперматиды называется спермиогенезом и включает следующие преобразования: уплотнения ядра, конденсация хроматина, отторжение почти всей цитоплазмы, перемещение органелл, формирование акросомы, появление у большинства биологических видов органа движения – жгутика.

В процессе сперматогенеза из одной первичной половой клетки образуется четыре зрелых сперматозоида.

Рис. 2. Мужской женский гаметогенез [6].

В отличие от сперматогенеза овогенез более разнообразен и зависит от биологии развития вида.

В фазу размножения происходит митотическое деление первичных половых клеток и образование овогоний. У низших позвоночных способность к митотическому делению сохраняется на протяжении всего репродуктивного периода. У животных с наружным оплодотворением эта фаза протекает очень активно, при этом образуются миллионы половых клеток. У животных с внутренним оплодотворением половых клеток образуется значительно меньше, а у млекопитающих размножение овогоний происходит только в период эмбрионального развития и к моменту рождения прекращается (рис. 2).

В фазу роста различают период малого роста, при котором образовавшийся из овогонии овоцит первого порядка незначительно увеличивается в размерах и вступает в первое редукционное деление мейоза. При этом основные изменения происходят в ядре овоцита, там образуются многочисленные копии с участков ДНК, где расположен код рРНК (амплификация генов). На уже законченных копиях образуются новые и т.д. Происходит заготовка впрок рРНК и мРНК, которые будут использованы в процессе дробления. Период большого роста наиболее продолжительный и может длиться от нескольких дней до десятков лет у более организованных животных (млекопитающих). На протяжении этого периода овоцит находится в профазе 1. Происходит увеличение клетки за счет отложения в цитоплазме питательных веществ (желтковых включений, жира, гликогена).

В фазу созревания заканчивается первое деление мейоза, при этом половина хромосомного набора выталкивается в маленькую клетку, называемую редуционным или полярным тельцем. Образуется овоцит второго порядка. Он вступает во второе эквационное деление, которое у большинства млекопитающих блокируется на стадии метафазы, покидает яичник в процессе овуляции и у большинства млекопитающих под активизирующим действием сперматозоида завершает второе деление мейоза в маточной трубе, превращаясь в зрелую яйцеклетку с гаплоидным набором хромосом. Если контакта со сперматозоидом не происходит, то овоцит второго порядка не завершает мейоз и погибает. У большинства животных для завершения мейоза при овогенезе требуется оплодотворение сперматозоидом или действие другого активизирующего агента.

Различают следующие типы блока мейоза:

- на стадии диакенеза, когда участие сперматозоида необходимо для протекания обеих митотических делений (губки, черви, некоторые млекопитающие);

- на стадии метафазы первого деления созревания (моллюски, насекомые);

- на стадии метафазы второго деления созревания (почти все хордовые и млекопитающие).

Лишь у немногих видов (некоторые кишечнополостные) мейоз доходит до конца без участия сперматозоида.

В результате мейоза в овогенезе образуется одна дифференцированная яйцеклетка и три редукционных тельца.

Оплодотворение – это процесс слияния мужской и женской половых клеток и образование одноклеточной зиготы. При этом происходит восстановление диплоидного набора хромосом и образующийся новый одноклеточный организм – зигота – приобретает свойство тотипотентности – способности дать начало всему многообразию клеток и тканей будущего организма.

В зрелых половых клетках все жизненные процессы подавлены, и половые клетки фактически находятся в анабиотическом состоянии. Оплодотворение служит толчком к выходу клетки из неактивного состояния. Функция сперматозоида в процессе оплодотворения заключается в активации яйцеклетки, что дает начало всем последующим преобразованиям в ней.

В процессе оплодотворения сперматозоид выполняет следующие функции: вносит в яйцеклетку отцовский генетический материал; активизирует яйцеклетку.

В ходе оплодотворения условно выделяют три фазы:

- фазу дистантного взаимодействия, во время которой гаметы взаимодействуют на некотором расстоянии;

- фазу контактного взаимодействия, во время которой все процессы происходят при непосредственном соприкосновении поверхностей гамет;

- фазу синкариона – это фаза оплодотворения, при которой все процессы происходят после вхождения спермия в яйцеклетку.

В фазу дистантного взаимодействия основные процессы направлены на обеспечение встречи гамет. В зависимости от вида оплодотворения (внешнего или внутреннего) у разных биологических видов существуют различные механизмы повышения вероятности встречи гамет: одновременность выделения спермия и яйцеклетки, перенос сперматозоидов в сперматофоре, кожное осеменение и др.

Основным фактором сближения гамет в фазу дистантного взаимодействия является хемотаксис – направленное движение сперматозоида по градиенту концентрации веществ, выделенных яйцеклеткой с последующим узнаванием и активацией сперматозоида. Такой метод видоспецифического привлечения гамет был выработан в ходе эволюции. Явление хемотаксиса доказано для многих видов животных. У млекопитающих наблюдается разновидность хемотаксиса – реотаксис – способность сперматозоида двигаться против встречного течения жидкости маточной трубы. При этом яйцеклетка выделяет химические вещества небелковой природы – гиногамоны. Одни из них активизируют движение спермиев, другие в определенный период времени вызывают их склеивание, что предохраняет яйцеклетку от полиспермии. В свою очередь сперматозоиды продуцируют андрогамоны, которые участвуют в растворении оболочек яйцеклетки.

При нахождении сперматозоида в половых путях самки он выходит из неактивного состояния и приобретает оплодотворяющую способность. Такой процесс называется капацитацией. Сущность капацитации заключается в дестабилизации мембраны акросомного пузырька, удалении с поверхности сперматозоида веществ, блокирующих активные центры, способные узнавать поверхность яйцеклетки и активизации ферментов акросомы, которые в последующем разрушают оболочки яйцеклетки.

В фазе контактного взаимодействия происходит разрушение оболочек яйцеклетки с последующим образованием оболочки оплодотворения.

В эту фазу при непосредственном контакте сперматозоида с оболочками яйцеклетки происходит разрыв акросомного пузырька и выход ферментов акросомы, которые разрыхляют и разрушают оболочки яйцеклетки, что обеспечивает последующее слияние гамет. Этот процесс называется акросомной реакцией(рис. 3).

Рис. 3. Акросомная реакция сперматозоида [3].

Разрыв акросомного пузырька происходит в результате изменения ионного состава мембраны акросомы под действием белков половых путей самки. У многих биологических видов при этом образуется акросомный вырост, мембрана которого содержит определенный белок, обеспечивающий видоспецифическое узнавание яйцеклетки. После того как осуществилось разрыхление лучистого венца и разрушение прозрачной оболочки яйцеклетки, происходит слияние плазматических мембран гамет.

Непосредственный контакт между половыми клетками приводит к образованию восприимчивого бугорка – участка на поверхности яйцеклетки, где в последующем произойдет слияние мембран обоих гамет. С этого момента в яйцеклетке включаются механизмы, предупреждающие полиспермию и одновременно создающие определенную среду для развития будущего зародыша. Этот процесс называется кортикальной реакцией яйцеклетки. После контакта с первым сперматозоидом мембрана яйцеклетки мгновенно деполяризуется и утрачивает способность соединяться с мембраной другого сперматозоида. Этот так называемый быстрый блок полиспермии поддерживается в течение одной минуты. За это время образуется медленный блок полиспермии, который обеспечивается кортикальной реакцией.

Механизм кортикальной реакции заключается в следующем. Под воздействием увеличения концентрации ионов кальция в яйцеклетке происходит слияние мембран кортикальных гранул с плазматической мембраной яйцеклетки и выход притеолитических ферментов вокруг внедрившегося сперматозоида. Этот процесс передается по кортикальному слою на противоположный полюс яйцеклетки. Под действием протеолитических ферментов растворяются белки, связывающие плазматическую мембрану с блестящей оболочкой. При этом выделяются мукополисахариды, которые создают осмотический градиент, привлекающий воду в перивителиновое пространство. Таким образом, формируется жидкое перивителиновое пространство с характерным ионным составом, необходимое для развития будущего зародыша.

Затем прозрачная оболочка отделяется от поверхности яйцеклетки, уплотняется и образуется оболочка оплодотворения, которая препятствует проникновению спермиев.

У ряда животных (рептилии, некоторые птицы) в процессе оплодотворения в цитоплазму яйцеклетки проникает несколько сперматозоидов, но оплодотворяющей способностью обладает только один из них, остальные разрушаются в самой яйцеклетке.

Кортикальная реакция является первым этапом активации яйцеклетки, которая заключается в серии биохимических изменений:

- возрастает потребление кислорода;

- усиливается углеводный обмен;

- начинается интенсивный синтез белка с помощью заранее заготовленных, но заблокированных в информосомах рРНК и мРНК;

- возрастает обмен фосфатов, калия, кальция.

В этот период времени одновременно с активацией метаболизма в яйцеклетке происходит сегрегация цитоплазмы, перераспределение органелл и включений. Цитоплазма яйцеклетки становится биохимически неоднородной, что в дальнейшем определяет направление развития зародыша.

Фаза синкариона – третья фаза оплодотворения, во время которой происходит слияние гамет. Она начинается с момента проникновения в яйцеклетку головки и шейки сперматозоида. Ядро сперматозоида набухает, хроматинные нити раскручиваются, исчезает ядерная оболочка, и формируется мужской пронуклеус. К этому времени в яйцеклетке млекопитающих и большинства амфибий завершается второе деление мейоза и происходит формирование женского пронуклеуса (рис. 5). Пронуклеусы сближаются, и мужские и женские хромосомы смешиваются. Этот процесс в фазе синкариона называется сингамией.

У многих видов животных спермии проникают в яйцеклетку на более ранних стадиях развития. Так, у лисиц и собак – на стадии овоцита первого порядка, у насекомых – в метафазу первого деления мейоза. У морских ежей, напротив, фаза синкариона протекает на стадии окончательно сформированного женского пронуклеуса с уже завершенных мейозом.

Рис. 4. Процессы ооплазматической сегрегации в яйцеклетках разных групп животных до начала их дробления [9]:

A₁—А₃ — смещение вещества полярной плазмы (мелкие точки) от вегетативного (вег) к анимальному (ан) полюсу в период между 1-м делением созревания и слиянием пронуклеусов в яйцеклетке моллюска прудовика; Б—Б₃ — сегрегация в яйцеклетках асцидий, связанная с детерминацией их сагиттальной плоскости (Б₁ — неоплодотворенное яйцо, Б₂ — яйцо сразу после вхождения сперматозоида, Б₃ — яйцо перед первым делением дробления; В — вхождение сперматозоида в яйцо лягушки (Д — дорсальная, V — вентральная сторона, д.пр.— дорожка проникновения сперматозоида, с.с. — зона серого серпа); Г₁, Г₂, Г₃ — сегрегация внутренних компонентов ооплазмы в яйце хвостатой амфибии Discoglossus pictus через 15, 75 и 135 мин после оплодотворения (Д — дорсальная, V — вентральная сторона, с.с. — серый серп.

В ходе оплодотворения происходит важный процесс образования различий между отдельными частями зиготы, то есть оотипическая дифференцировка (рис. 4). При сегрегации цитоплазмы происходит перераспределение пигментированных гранул и морфогенных детерминант – белков кортикальных гранул и мРНК. Такое перераспределение в кортикальном слое яйцеклетки особым образом определяет ход дальнейшего развития зародыша. После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеусов начинается митотическое деление ядра зиготы – дробление, в результате которого формируется многоклеточный организм – бластула. Правильное пространственное распределение морфогенных детерминант является решающим условием нормального развития организма. Попадая в последующем в разные клетки, морфогенные детерминанты активизируют или угнетают специфические гены, в результате чего клетки приобретают определенные свойства и развиваются в заданном направлении. Таким образом, в основе оотипической дифференцировки лежит дифференциальная экспрессия генов. По сути это первый этап детерминации, который определяет пути дальнейшего развития.

Лекция № 3. Гаструляция

Темпы и ритм дробления регулируются многими факторами и зависят от вида животного. Характер дробления определяется количеством желтка и разным распределением его в яйцеклетке. Желток мешает закономерным движениям составных частей ядра и цитоплазмы, и выстраивания веретена деления. Существует зависимость между количеством и распределением желтка и положением борозд дробления (правила О. Гетрвига):

1) клеточное ядро стремится расположиться в центре свободной от желтка цитоплазме;

2) веретено клеточного деления стремится расположиться по направлению свободного от желтка пространства цитоплазмы, поэтому борозда каждого последующего дробления перпендикулярна борозде предыдущего;

3) плоскость дробления всегда перпендикулярна оси веретена деления, поскольку компоненты веретена деления воздействуют на кортикальный слой и стимулируют появление борозды дробления в определенной плоскости.

У маложелтковых (олиголецитальных) яйцеклеток дробление полное (голобластическое), равномерное. Яйцеклетки с умеренным содержанием желтка (мезолецитальные) дробятся полно, но неравномерно, так как желток, сосредоточенный на вегетативном полюсе, замедляет темпы дробления.

Яйцеклетки с очень высоким содержанием желтка (полилецитальные) дробятся частично и неравномерно (меробластический тип дробления). У плацентарных млекопитающих и человека яйцеклетка содержит небольшое количество желтка, распределенного в цитоплазме равномерно. Такая яйцеклетка называется вторичной олигоизолецитальной. Дробление голобластическое, неравномерное и асинхронное, что связано с особенностями строения бластомеров. В зависимости от формы и перемещения бластомеров различают:

- голобластическое радиальное дробление (ланцетник) – бластомеры правильной сферической формы, расположены один над другим;

- голобластическое спиральное (черви, моллюски) – бластомеры отличаются по форме и размерам, в ходе дробления поворачиваются вокруг оси веретена деления;

- голобластическое билатеральное (асцидии) – дробление осуществляется вокруг единственной плоскости симметрии, и половины зародыша являются зеркальным отражением друг друга;

- голобластическое анархическое – бластомеры располагаются неправильными цепочками (голотурии);

- голобластическое чередующее (млекопитающие) – первое деление меридиальное, при втором один бластомер делится меридиально, второй – экваториально. При этом темпы деления клеток неодинаковы, поэтому на определенных этапах дробления зародыш содержит нечетное количество бластомеров.

Для процесса дробления характерна компактизация. Сначала в бластуле млекопитающих бластомеры располагаются рыхло, затем они сближаются и образуют компактный шар, поскольку между клетками устанавливаются плотные контакты. Клетки, лежащие на поверхности бластоцисты, образуют трофобласт, а сгруппированные внутри – эмбриобласт. Между бластомерами, изолированными внутри бластоцисты устанавливаются щелевые контакты, которые позволяют малым молекулам и ионам перемещаться из клетки в клетку;

- меробластическое дискоидальное дробление – характерно для рыб, птиц. При этом деление бластомеров ограничено диском цитоплазмы, свободной от желтка и расположенном на анимальном полюсе зародыша;

- мероблатстическое поверхностное (насекомые) – дробление возможно только по периферии.

Главным итогом процесса дробления является увеличение числа клеток зародыша до того критического значения, при котором в клеточных слоях начинают возникать механические напряжения, инициирующие перемещение клеток в определенные участки зародыша.

Отличие дробления от обычного митотического деления клетки заключается в следующем:

- у дробящихся бластомеров пропускается период интерфазы. Это происходит потому, что удвоение ДНК осуществляется не в S-периоде интерфазы, как при обычном митозе, а в телофазе предыдущего деления, поэтому после окончания митоза бластомер вступает в S-период интерфазы, а не в Z-период, как у соматических клеток. Таким образом, пропускается период, в котором должно произойти восстановление обычных размеров клетки, поэтому бластомеры не растут и их суммарный объем не превышает объема и массы зиготы;

- ядерно-цитоплазматическое отношение при дроблении достигает величины соматической клетки;

- в начальном периоде дробления собственный геном зародыша не активен. Усиленный синтез белка осуществляется за счет мРНК, рРНК, которые были заготовлены в яйцеклетке в период роста в овогенезе. Но на определенном этапе развития появляется потребность не только в материнской, но и в отцовской информации, и начинается трансляция с генома зародыша, причем у разных биологических видов это происходит в разные периоды эмбриогенеза: у морского ежа – на стадии тридцати двух бластомеров; у прудовика – на стадии восьми бластомеров; у млекопитающих – на стадии двух бластомеров. Такой период дробления выделяется в отдельную фазу – бластуляцию.

В процессе дробления происходит увеличение числа клеток до определенного критического уровня. Как только клетки бластулы достигают так называемой критической массы, они приобретают способность к направленным перемещениям, образуя многослойный зародыш. При этом продолжается дальнейший рост и дифференцировка клеток. Такой период эмбрионального развития, при котором клетки приобретают способность к направленным перемещениям, образуя многослойный зародыш, называется гаструляцией.

В зависимости от типа перемещения клеток и клеточных пластов условно выделяют следующие типы гаструляции.

Инвагинация– впячивание стенки бластулы (характерно для ланцетника).

Эпиболия– обрастание крупных бластомеров более мелкими делящимися бластомерами (амфибии, рыбы).

Деламинация– расщепление бластодермы на два слоя (рыбы, птицы, млекопитающие).

Иммиграция– выселение бластомеров внутрь бластулы (рыбы, птицы, млекопитающие).

Также условно выделяют раннюю гаструляцию, в ходе которой образуется двухслойный зародыш и позднюю, при которой зародыш становится трехслойным, при этом происходит закладка осевых органов – хорды, нервной и кишечной трубки.

В процессе гаструляции могут иметь место одновременно несколько типов активных перемещений бластомеров, поэтому такое разделение условно. Также условно выделяют раннюю гаструляцию, в ходе которой образуется двухслойный зародыш, и позднюю, при которой зародыш становится трехслойным. При этом происходит закладка осевых органов – хорды, нервной и кишечной трубки.

В ходе оотипической дифференцировки образуются различия между отдельными частями зиготы. Перемещения пигментных гранул и морфогенов в разные отделы зиготы активизирует определенные гены. Следовательно, первый механизм, запускающий бластомерную дифференцировку – это дифференциальная экспрессия генов. В последующем включается второй механизм – формирование межклеточных контактов между бластомерами.

Таким образом, в основе бластомерной дифференцировки лежит контактное межклеточное взаимодействие. В ходе бластомерной дифференцировки устанавливаются пути клеточных перемещений, которые осуществляются при гаструляции.

В ходе гаструляции выделяют третий этап дифференцировки – это процесс формирования отличающихся друг от друга зародышевых листков и осевых органов. В процессе гаструляции связи между клетками становятся все более тесными и появляется новый вид взаимодействия – индукция. Именно под действием индукционных контактов между клетками осуществляется этот этап дифференцировки.

Механизм клеточных перемещений у различных биологических видов различен и представляет собой сочетание тех или иных типов гаструляции – эпиболии, инвагинации, деламинации, миграции. Но независимо от того, каким типом осуществляется гаструляция, существуют общие изменения на клеточном уровне, которые приводят к клеточным перемещениям.

Это: а) клеточные деления; б) возникновение механических напряжений в пласте клеток; в) чередование растяжения и сокращения клеточного пласта. Растяжение, или поляризация клетки, осуществляется путем перераспределения органелл и вытягивание клетки в направлении предстоящего движения. Благодаря клеточным контактам процесс поляризации охватывает целый пласт клеток. Затем клетки сокращаются, что приводит к изгибанию клеточного пласта и последующему его перемещению.

В процессе ранней гаструляции образуется двухслойный зародыш, имеющий два зародышевых листка.

Зародышевый листок – это слой клеток, характеризующийся определенными тенденциями развития и принимающий участие в возникновении зачатков определенных органов, то есть каждый зародышевый листок развивается в заданном направлении.

Существует теория зародышевых листков, согласно которой:

1) зародышевые листки формируются у всех классов позвоночных;

2) один и тот же зародышевый листок у представителей различных классов позвоночных обладает одними и теми же свойствами;

3) у всех животных аналогичные органы и ткани происходят из одного и того же зародышевого листка;

4) каждый зародышевый листок представляет собой часть целого и способен дифференцироваться, только взаимодействуя между собой и находясь под воздействием влияния зародыша как целого.

Согласно теории зародышевых листков у всех классов позвоночных из одного и того же зародышевого листка формируются определенные органы и ткани, что подтверждает положение о единстве происхождения животного мира.

Так, из наружного зародышевого листка, образовавшегося на первом этапе гаструляции, в последующем формируются нервные ткани и покровный эпителий. Из внутреннего зародышевого листка – кишечный однослойный эпителий. Средний зародышевый листок – мезодерма – формируется в ходе поздней гаструляции и в последующем образует скелетные мышцы, соединительную ткань, однослойный эпителий почек, гонад и серозных полостей. В свою очередь из мезодермы и энтодермы выселяются клетки, которые заполняют пространство между зародышевыми листками и формируют мезенхиму, клетки которой образуют гладкую мускулатуру и соединительную ткань.

В процессе ранней гаструляции благодаря целенаправленным клеточным перемещениям зародыш становится двухслойным. Наружный зародышевый листок – эпибласт – у высших животных в последующем преобразуется в эктодерму; внутренний – гипобласт – в энтодерму. У низших позвоночных при этом образуется новая полость – гастроцель с отверстием – бластопором (первичный рот) и краями или губами: дорсальной, вентральной и двумя латеральными, которые соответствуют положению тела. У млекопитающих в ходе ранней гаструляции образуются аналоги бластопора и некоторые внезародышевые органы.

При поздней гаструляции формируется третий зародышевый листок – мезодерма, комплекс осевых зачатков органов (хорда, нервная и кишечная трубка) и внезародышевые органы.

Бластопор (или его аналог у позвоночных) является ориентиром для представления о клеточных перемещениях, происходящих в процессе гаструляции. Так, материал дорсальной губы бластопора в дальнейшем преобразуется в хорду, латеральный губы – в мезодерму. Судьба бластопора у различных животных различна. У первичноротых бластопор, развиваясь, превращается в дефинитивный рот; у вторичноротых – преобразуется в анальное отверстие. У высших позвоночных в процессе гаструляции бластопор вообще не образуется и можно говорить только о его аналогах.

Первой из материала дорсальной губы бластопора формируется хорда – плотный клеточный тяж, расположенный по средней линии зародыша. В дальнейшем под индукционным влиянием хорды формируется нервная трубка с последующей закладкой нервной системы. Процесс образования нервной трубки называется нейруляцией. В результате морфогенетических перемещений в ходе гаструляции группы клеток, удаленные друг от друга, сближаются настолько, что между ними становится возможен новый вид взаимодействия – индукция. Нейруляция является результатом таких взаимодействий.

Из всех зародышевых листков, но прежде всего из мезодермы, выселяется зародышевая, или вторичная, мезенхима, которая формирует ткани внутренней среды и гладкую мускулатуру. Так, эктодерма дает начало нейродермальной мезенхиме, энтодерма – энтодермальной мезенхиме. Из мезодермы выселяется дерматомная, спланхнотомная и склеротомная мезенхима. Подвижные мезенхимальные клетки мигрируют между тремя зародышевыми листками и занимают все пространство между ними. Мезенхима образована отросчатыми клетками, которые соединены друг с другом межклеточными контактами и формируют функциональный синцитий. Между клетками находится межклеточное вещество, которое образовано тонкими мезенхимальными фибриллами с тканевой жидкостью.

Функции зародышевой мезенхимы:

- является эмбриональной соединительной тканью, выполняющей в период эмбрионального развития трофическую, опорную и регуляторную функции;

- осуществляет синтез межклеточного вещества;

- является важным эмбриональным зачатком, то есть выполняет морфогенетическую функцию. По сути, это четвертый зародышевый листок, из которого образуются ткани: соединительная, гладкая мышечная, кровь плода и др.

В результате гаструляции из сферической полой бластулы образуется трехслойная зародышевая структура, у которой внутренний слой представляет собой стенку первичной кишки, сформированную энтодермой, наружный слой сформирован эктодермой и промежуточный рыхлый слой сформирован мезодермой и мезенхимой.

Эти три первичных зародышевых листка характерны для всех высших животных, формируются у всех классов позвоночных, обладают одними и теми же свойствами, что подтверждает единство происхождения животного мира.

Организация трехслойного эмбриона в общих чертах соответствует организации взрослого животного с пищеварительной трубкой внутри, эпидермисом снаружи и органами соединительнотканного происхождения между ними.

В дальнейшем энтодерма образует кишечную трубку – зачаток пищеварительной трубки, которая тянется от рта к анусу и дает начало глотке, пищеводу, желудку, кишечнику, железам. Из выростов стенки кишечной трубки в дальнейшем формируется трахея и бронхи. Сначала выросты увеличиваются в размерах, затем превращаются в систему разветвленных трубочек, которые переходят в гортань. Но энтодерма формирует только внутреннюю выстилку – эпителий внутренних органов, а поддерживающие мышечные и соединительнотканные части формирует мезодерма.

После завершения гаструляции мезодерма делится на две части – для правой и левой половины тела по бокам хорды, которая идет вдоль центральной оси тела. Хорда представляет собой клеточный тяж, над которым расположена эктодерма, а под ним – энтодерма. На определенном этапе развития клетки хорды набухают, в них появляются вакуоли, что приводит к удлинению хорды и выпрямлению зародыша. У позвоночных хорда является той осью, вокруг которой собираются клетки мезодермы, образующие в ходе органогенеза позвоночный столб. Таким образом хорда является предшественником позвоночного столба не только в процессе эволюции, но и в онтогенезе. Мезодерма дает начало соединительной ткани, сначала мезенхиме, ее клетки образуют рыхлую сеть и заполняют промежутки между другими тканями. Затем из мезодермы формируется костная, мышечная, хрящевая и фиброзная ткань, а также внутренний слой кожи – дерма. В ходе органогенеза из мезодермы формируется большая часть протоков мочеполовой системы и сердечно-сосудистой системы. Образованию соединительной ткани предшествует сомитная стадия, то есть процесс сегментации мезодермы на отдельные блоки – сомиты. Сначала участки несегментированной дорсальной мезодермы, расположенные по бокам от нервной трубки в виде единой клеточной массы, делятся на сегменты или сомиты. Сомиты обособляются последовательно один за другим по направлению от головного конца к хвостовому. Механизм образования сомитов заключается в том, что в ранней мезодерме существует механизм сопряжения клеток, который в дальнейшем исчезает, но благодаря ему клетки способны собираться в компактные группы – сомиты. Каждый сомит соответствует одному сегменту будущего скелета и в свою очередь делится на три части: склеротом, миотом и дерматом. Склеротом – часть сегмента, обращенного к хорде, в дальнейшем дает начало образованию ребер и позвонков. Дерматом – наружная часть сомита, которая прилежит к дорсальной поверхности тела зародыша и образует соединительнотканный слой кожи – дерму. Миотом представляет собой оставшуюся часть сомита, расположенную между склеротомом и дерматомом, и дает начало скелетной мускулатуре.

На стадии сомитов форма, размеры эмбриона и даже план строения у многих позвоночных приблизительно одинаковы: длина зародыша не превышает несколько миллиметров, центральная нервная система представлена нервной трубкой, кишечник и его производные заложены в виде энтодермальной трубки, соединительная ткань – в виде несегментированной мезенхимы, эпидермальный слой кожи – эктодерма, а сегментам туловища соответствуют сомиты. Но на более поздних стадиях развития эмбрионы различных биологических видов значительно отличаются друг от друга по величине, форме и дальнейшим путям развития.

Эктодерма формирует эпидермис и всю нервную систему. Процесс образования нервной системы – нейруляция – индуцируется хордой и мезодермой. По сути, нейруляция у позвоночных – это начало органогенеза. Образование нервной трубки начинается с утолщения дорсального участка эктодермы и образования нервной пластинки. Затем боковые края нервной пластинки утолщаются и образуются так называемые нервные валики. В самой пластинке появляется желобок, валики над ним сближаются, смыкаются и формируется полая трубка, которая сверху покрыта слоем эктодермы (рис. 5).

Рис. 5. Последовательные стадии (А–В) нейруляции у амфибий. Левый столбец (А–В) – сагиттальные разрезы, средний столбец (А'–В') – вид целых зародышей с дорсальной стороны, правый столбец (А"–В") – поперечные разрезы последовательных стадий: бл. – остаток бластоцеля; бп. – бластопор; мез. – мезодерма; н.в. – нервные валики; н.пл. – нервная пластинка; н.тр. – нервная трубка; п.к. – полость кишечника; пр.х. – презумптивная хорда; х – хорда; экт – эктодерма; энт – энтодерма [8].

В дальнейшем из нервной трубки формируется головной и спинной мозг. Нервная трубка отделяется от оставшейся части эктодермы и вдоль линии отделения часть клеток эктодермы поодиночке мигрирует через слой мезодермы, образуя нервный гребень. Из нервного гребня формируются все компоненты периферической нервной системы, а также клетки надпочечников, секретирующие адреналин и пигментные клетки кожи. В области головы клетки нервного гребня дифференцируются в хрящевую, костную и другие виды соединительно ткани, что составляет исключение из правил соответствия зародышевых листков трем слоям взрослого организма. Органы чувств развиваются из эктодермальных <