Нейруляция и образование осевых органов

По окончании гаструляции начинается следующий этап в развитии зародыша – дифференцировка зародышевых листков и закладка органов. Наличие комплекса спинных органов: нервной трубки, хорды и осевой мускулатуры, известных также под именем осевых, является одной их характерных черт типа хордовых.

Стадия, на которой происходит закладка осевых органов, называется нейрулой. Внешне она характеризуется изменениями, происходящими с зачатком нервной системы. Они начинаются с нарастания эктодермы по краям нервной пластинки. Образующиеся нервные валики растут навстречу друг другу и затем смыкаются. Пластинка же погружается внутрь и сильно прогибается (рис. 5).

Это приводит к образованию желобка, а затем нервной трубки, которая в передней и задней части зародыша некоторое время остается открытой (указанные изменения удобнее всего проследить на поперечном разрезе зародыша). Вскоре, в задней части тела эктодерма нарастает на бластопор и отверстие нервной трубки, закрывая их таким образом, что нервная трубка остается сообщенной с кишечной полостью – образуется нервно-кишечный канал.

Одновременно с формированием нервной трубки существенные изменения происходят и во внутреннем зародышевом листке. Из него постепенно обособляются материалы будущих внутренних органов. Зачаток хорды начинает выгибаться, выделяется из общей пластинки и превращается в обособленный тяж в виде сплошного цилиндра. Одновременно происходит обособление мезодермы. Этот процесс начинается с появления небольших карманообразных выростов по двум сторонам внутреннего листка. По мере роста они отделяются от энтодермы и в виде двух тяжей с полостью внутри располагаются по всей длине зародыша. Кроме продольных желобков от переднего конца первичного кишечника последовательно отчленяются еще две пары целомических мешков. Таким образом, в развитии ланцетника имеется стадия, характеризующаяся наличием трех пар сегментов и свидетельствующая об эволюционном родстве ланцетника с трехсегментарными личинками полухордовых и иглокожих. У ланцетника ярко выражен энтероцельный способ образования целома – его отшнуровка от первичного кишечника. Этот способ является исходным для всех вторичноротых животных, но почти ни у кого из вышестоящих позвоночных, за исключением круглоротых, с такой ясностью не представлен. После отделения хорды и мезодермы края энтодермы постепенно сближаются в спинной части и в конце концов смыкаются, образуя замкнутую кишечную трубку.

В ходе дальнейшего развития мезодерма сегментируется: тяжи разделяются поперечно на первичные сегменты или сомиты. Из них образуются три основные закладки:

· дерматом формируется из наружной, обращенной к эктодерме стенке сомита, – из его клеток впоследствие возникает соединительная часть кожи, представленная преимущественно фибробластами;

· склеротом образуется из внутренней части сомита, примыкающей к хорде (низшие позвоночные) или к хорде и нервной трубке (высшие позвоночные) – представляет зачаток осевого скелета;

· миотом представляет часть сомита, расположенную между дерматомом и склеротомом – является зачатком всей поперечно-полосатой мускулатуры.

Дифференцировка сомитов у ланцетника протекает иначе, чем у позвоночных. Это различие выражается в том, что у позвоночных сегментируется только спинная часть мезодермальных тяжей, тогда как у ланцетника они полностью распадаются на сегменты. Последние вскоре разделяются на спинную часть – сомиты, и брюшную – спланхнотом. Сомиты, из которых развивается туловищная мускулатура, остаются обособленными друг от друга, спланхнотомы же сливаются на каждой стороне, образуя левую и правую полости, которые затем объединяются под кишечной трубкой в общую вторичную полость тела (целом).

В развитии ланцетника, с одной стороны, ясно представлены черты типичных позвоночных (характерное расположение зачатков при гаструляции, формирование хорды из дорсальной стенки первичной кишки и нервной пластинки из дорсальной эктодермы), а с другой – черты беспозвоночных вторичноротых животных (целобластула, инвагинационная гаструла, трехсегментная стадия, энтероцельная закладка мезодермы и образования целома).

В дальнейшем, в связи с образованием хвоста нервно-кишечный канал исчезает. В головной части кишечной трубки прорывается ротовое отверстие, а на заднем конце, под хвостом, образуется анальное – путем вторичного прорыва стенки тела животного на месте закрывшегося бластопора. Зародыш переходит в стадию свободноплавающей личинки.

Развитие амфибий: оплодотворение, дробление, гаструляция. Расположение зародышевого материала на стадии ранней и поздней гаструлы.

Строение и развитие яйцеклеток

Созревание женских половых клеток у амфибий (оогенез) длится 3 года. В течение первых двух лет происходит очень медленное увеличение размеров ооцита, в то время как на третьем году развития отмечается быстрое накопление желтка, что приводит к формированию полноразмерных ооцитов (рис. 1). Созревание ооцитов происходит партиями ‑ первая сразу после метаморфоза (головастик – взрослая лягушка), вторая годом позже.

Яйцеклетки амфибий относятся к умеренно телолецитальным, мезолецитальным клеткам. Большая часть зрелого ооцита пигментирована за счет содержащегося в нем меланина. Пигментная часть расположена сверху (анимальный полюс). Подобное расположение гарантирует максимальное поглощение солнечной радиации и, как следствие, создание оптимальных температурных условий для развития зародыша.

Вегетативный полюс ооцита заполнен желтком. Желточные зерна представляют собой овальные пластинки большого размера. Ближе к анимальному полюсу количество и размеры желточных пластин уменьшаются.

Оплодотворение

Для всех амфибий характерно моноспермное оплодотворение как внутреннее, так и наружное. Сперматозоид проникает в яйцеклетку, как правило, ниже экватора, после чего сразу формируется оболочка оплодотворения. Икринки у амфибий окружены студенистой оболочкой. Метод откладки оплодотворенных яйцеклеток варьируется у разных видов: одни откладывают яйца поодиночке, другие формируют шнуры или цепи икринок, третьи ‑ в виде единой студенистой массы, некоторые вынашивают икринки в карманообразных впячиваниях на спине.

Оплодотворение вызывает радикальные перемещения цитоплазмы ооцита, которые играют решающую роль в процессах клеточной дифференцировки при последующем развитии зародыша. При этом особую роль играет правильное пространственное распределение морфогенетических детерминант, являющееся решающим условием нормального развития.

У многих видов бесхвостых амфибий единственный спермий может проникнуть в любом месте анимального полушария. После этого меняется распределение цитоплазматических компонентов яйца. Наиболее заметны изменения в пигментированном поверхностном слое цитоплазмы. Первоначально слой цитоплазмы, содержащий меланин, покрывает все анимальное полушарие. После проникновения спермия поверхностный слой цитоплазмы смещается примерно на 30^о по отношению к внутренней цитоплазме (рис. 2).

В результате вблизи экватора против места проникновения спермия появляется серповидная, слабо пигментированная область ‑ серый серп.

Серый серп соответствует области, в которой у зародышей амфибий инициируется гаструляция. Перемешивание цитоплазматических масс, которое происходит при таких перемещениях, инициирует цепь реакций, определяющих положение дорсовентральной (спинно-брюшной) оси зародыша лягушки. С возникновением серого серпа можно также определить будущие правую и левую стороны зародыша.

Таким образом, первоначальная организация цитоплазмы яйцеклетки претерпевает глубокие изменения, особенно в будущей спинной области зародыша. При этом часть вегетативного материала яйцеклетки увлекается к анимальному полюсу зиготы.

Дробление

Дробление у амфибий голобластическое (полное), неравномерное и асинхронное. Первая борозда дробления меридиональная, проходит от анимального полюса к вегетативному. Поскольку у амфибий вегетативный полюс перегружен желтком, то чем ближе к нему, тем скорость врезания борозды становится меньшей. Она еще не успевает дойти до вегетативного полюса, как начинает врезаться 2-я борозда (рис. 3).

Вторая борозда тоже меридиональная, проходит перпендикулярно первой. После прохождения первой борозды образуется два, после второй – четыре бластомера. На стадии 4-х бластомеров два анимальных бластомера получают по ½ материала серого серпа, а в 2-х вегетативных бластомерах материала серого серпа нет.

Третья борозда дробления широтная, проходит ближе к анимальному полюсу. В результате ее прохождения образуются 8 бластомеров: 4 анимальных и 4 вегетативных, существенно различающихся своими размерами. Далее следуют две меридиональные борозды. Из-за разницы в размерах бластомеров и количества желтка вначале делятся 4 анимальных (кратковременная стадия 12 бластомеров), а затем 4 вегетативных бластомера (стадия 16 бластомеров).

Следующие две одновременно возникающие борозды ‑ широтные. Более быстрое прохождение верхней широтной борозды обусловливает кратковременную стадию 24 бластомеров. Завершение прохождения нижней широтной борозды приводит к образованию 32 бластомеров. После стадии 64 бластомеров несмотря на то, что последовательность борозд сохраняется, геометрическая последовательность ряда (2 ‑ 4 ‑ 8 ‑ 12 ‑ 16 ‑ 24 ‑ 32 ‑ 64) нарушается. Параллельно с прохождением меридиональных и широтных борозд дробления образуется и тангенциальная борозда, в результате чего зародыш приобретает многослойность.

Зародыш амфибий, содержащий от 16 до 64 клеток, обычно называют морулой из-за отдаленного внешнего сходства с тутовой ягодой (лат. morum). На 128-клеточной стадии появляется хорошо различимый бластоцель и принято считать, что в это время зародыш достигает стадии бластулы, хотя образование бластоцеля прослеживается с самого первого деления дробления.

Бластула

Бластула амфибий (амфибластула) характеризуется целым рядом отличительных особенностей (рис. 4).

Бластоцель имеет меньший, по сравнению с бластоцелем целобластулы, объем и он заметно смещен к анимальному полюсу. Наличие бластоцеля обеспечивает сохранение клетками, предназначенными для образования покровного эпителия и нервной системы, своих исходных свойств. В амфибластуле выделяют 3 составные части: крышу, краевую (промежуточную) зону и дно.

В области крыши насчитывается 2-4 слоя самых мелких клеток (микромеров), краевая (промежуточная) зона состоит из 5-7, а дно из 10 и более слоев средних (мезомеры) и крупных (макромеры) бластомеров, соответственно. В пределах краевой зоны выделяют поверхностный слой клеток и расположенный ниже пласт ‑ глубокие клетки краевой зоны.

На стадии бластулы составляют карты презумптивных органов зародыша амфибий. Это предварительно маркированные витальным красителем участки амфибластулы, определяющие расположение клеточного материала, из которого позднее развиваются определенные зачатки органов и тканей взрослого организма. Карта презумптивных органов бесхвостых амфибий имеет следующий вид (рис. 5).

В области крыши бластулы расположен материал эпидермальной и нейроэктодермы, дающий, соответственно, начало кожному покрову (эпидермис) и нервной системе. Дно бластулы представлено материалом энтодермы и прехордальной пластинки. В краевой зоне, в глубоком слое, находится материал хорды, сегментированной и несегментированной мезодермы.

Участок промежуточной зоны, содержащий будущий материал хорды, соответствует спинной, а материал несегментированной мезодермы – брюшной стороне зародыша. Линия, отделяющая материал крыши бластулы от материала краевой зоны, определяет границу перехода зародышевого материала внутрь в ходе гаструляции.

Гаструляция

Подготовка клеток к гаструляции осуществляется уже в период дробления. У амфибий на стадии перехода к средней бластуле происходит перестройка клеточного цикла ‑ он замедляется в результате появления G₁ и G₂ периодов. Деления клеток становятся асинхронными, клетки приобретают способность перемещаться и впервые в жизни животного в ядрах клеток происходит транскрипция новых мРНК. Цель гаструляции – привести внутрь зародыша области, предназначенные для образования энтодермальных органов, окружить зародыш клетками, способными к формированию эктодермы и поместить между ними в надлежащие места мезодермальные клетки.

У лягушки вегетативная половина бластулы очень массивна и инертна вследствие перегрузки желточными включениями, а бластоцель имеет слишком малые размеры, чтобы вместить вегетативную половину. Вместе эти факторы препятствуют вворачиванию (инвагинации) клеточного материала внутрь.

У зародыша лягушки гаструляция начинается с концентрации пигмента в виде полоски ниже линии экватора в области серого серпа, т.е. в краевой зоне вблизи экватора. Расположенные здесь энтодермальные клетки не столь велики и не содержат так много желтка, как большинство вегетативных бластомеров. Клетки этой области сокращают свою наружную апикальную поверхность и значительно увеличивают площадь базолатеральных мембран. Они приобретают колбовидную форму и начинают погружаться вглубь зародыша, сохраняя при этом связь с его поверхностью. В результате на будущей дорсальной стороне зародыша образуется щелевидный бластопор (рис. 6).

Его анимальный край получил название дорсальной губы бластопора. Щель бластопора продолжает углубляться и удлиняться, охватывая дугой вегетативную массу желточных клеток – образуются боковые или латеральные губы бластопора. Возникающая полость носит название гастроцель (полость первичной кишки или архентерон). Когда бластопор замыкается в кольцо на брюшной стороне зародыша, образуется вентральная губа бластопора. Клетки вегетативной желточной массы внутри кольцевого бластопора получили название желточной (рускониевой) пробки.

Следующая фаза гаструляции включает подворачивание (инволюцию) и миграцию клеток краевой зоны зародыша. Первые колбовидные клетки на дорсальной стороне зародыша, погрузившись внутрь, начинают активно двигаться в анимальном направлении, увлекая за собой клетки краевой зоны, в том числе и колбовидные, образующиеся в области латеральных губ (рис. 7). Клетки анимальной области в это время распространяются вследствие интенсивных клеточных делений к бластопору (эпиболия).

Более активная анимальная половина бластулы начинает как бы нарастать, натягиваться на сравнительно инертную вегетативную половину.

Основной механизм эпиболии заключается в увеличении числа клеток посредством делений и в одновременной интеграции нескольких глубоких слоев клеток в один. За время гаструляции клетки трижды успевают пройти митотический цикл. Вследствие этого их количество увеличивается примерно в 8 раз и соответственно уменьшаются их размеры. К концу гаструляции глубокие клетки крыши бластоцеля, а также подповерхностные клетки краевой зоны из пластов, содержащих 3-4 слоя клеток, интегрируются в однослойный пласт большей площади.

Клетки поверхностного слоя и подповерхностные клетки краевой зоны сначала смещаются в вегетативном направлении к щели бластопора, а достигнув ее, подворачиваются внутрь и продолжают двигаться единой массой уже в анимальном направлении, вдоль внутренней поверхности крыши бластоцеля.

Первые клетки, обнаруживающиеся в составе спинной губы бластопора – энтодермальные, представляющие материал прехордальной пластинки, которые инвагинируя образуют ведущий край архентерона. Эти клетки позже становятся клетками глоточного отдела передней головной кишки. Следующие клетки, вворачивающиеся через спинную губу бластопора, называются клетками хордомезодермы. Эти клетки будут формировать хорду – временный мезодермальный позвоночник, который имеет существенное значение для инициации дифференцировки нервной системы (рис. 8).

По мере перехода новых клеток внутрь зародыша бластоцель оттесняется на сторону противоположную спинной губе бластопора. Тем временем сам бластопор смещается в вегетативную область и расширяется, образуя боковые губы и, наконец, брюшную губу, через которые проходят внутрь дополнительные мезодермальные и энтодермальные клетки-предшественники. Крупные энтодермальные клетки при этом еще остаются на поверхности (желточная пробка). Эпиболия в сочетании с конвергентным растяжением (см. ниже) дорсальной стороны зародыша, а также инволюцией клеток желточной пробки приводят к постепенному сокращению диаметра кольцевого бластопора (губы бластопора смыкаются). В итоге все предшественники энтодермы оказываются внутри зародыша, эктодерма окружает ее поверхность, а мезодерма располагается между ними.

Хотя колбовидные клетки, возможно, и ответственны за образование начального углубления бластопора, однако движущая сила инволюции заключена, по-видимому, в глубоком слое краевых клеток. Кроме того, они, вероятно, определяют продолжающуюся миграцию клеток внутрь зародыша. По-видимому, инволюирующие клетки-предшественники мезодермы мигрируют к анимальному полюсу по фибронектиновой сети, секретируемой клетками крыши бластоцеля.

Фактор или факторы, инициирующие гаструляцию, первоначально содержатся в глубокой цитоплазме, а не в кортексе серого серпа. Известно, что у зародыша шпорцевой лягушки на стадии 64 бластомеров три наиболее дорсально расположенных вегетативных бластомера способны индуцировать образование спинной губы бластопора и полного комплекса осевых структур. Эта маленькая группа вегетативных бластомеров ответственна за появление в прилегающих к ним краевых клетках способности инвагинировать и формировать дорсальные мезодермальные структуры зародыша.

Со стадии средней гаструлы (образование кольцевого бластопора) возникает дополнительное направление движения пластов. Клетки всех слоев краевой зоны начинают смещаться из более латеральных областей (справа и слева) к дорсальной медиальной плоскости зародыша (латерально-медиальная миграция) и здесь встраиваются друг между другом (конвергентное растяжение). Это латерально-медиальное смещение и интеркаляция на дорсальной стороне зародыша приводит к значительному растяжению всех пластов в продольном (анимально-вегетативном направлении), также способствуя эпиболии клетками анимального полюса вегетативного дна бластулы. Таким образом, дорсальная сторона зародыша вытягивается, архентерон сильно удлиняется в анимальном направлении.

Гаструляция завершается, когда кольцо бластопора сокращается до точки, вся желточная пробка погружается внутрь зародыша, а клетки анимального полушария покрывают всю поверхность вегетативного.

Таким образом, клетки в губах бластопора постоянно обновляются. Подворачивание и миграция активнее совершаются на дорсальной стороне зародыша. Гастральное впячивание также значительно глубже на дорсальной стороне.

Через дорсальную губу бластопора подворачивается материал будущей хорды. Вместе с ним, через боковые губы, подворачивается материал сегментированной мезодермы. Инвагинация несегментированной мезодермы происходит через вентральную губу, замыкающую кольцо бластопора. Так как энтодерма не способна полностью перемещаться внутрь гаструлы из-за большого количества желтка, она закрывает вход в гастроцель в виде желточной пробки.

Клетки эктодермы, размножаясь, постепенно обрастают энтодерму, в результате материал энтодермы оказывается внутри гаструлы. Как следствие, снаружи остается лишь темнопигментированный материал анимальной части бластулы, который собственно и образует наружный зародышевый листок ‑ эктодерму.

Внутренний зародышевый листок (энтодерма) образован материалом серого серпа (крыша первичной кишки) и материалом непигментированных клеток бывшей вентральной губы (дно первичной кишки).

В ходе гаструляции у лягушки происходит обособление среднего зародышевого листка (мезодермы). Подворачиваясь через дорсальную губу бластопора, материал медиальной части серого серпа сворачивается в плотный цилиндрический тяж клеток ‑ зачаток спинной струны (хорду). Латеральные сужающиеся к концу части серого серпа подворачиваются внутрь через боковые губы не входят в состав первичной кишки, а с самого начала врастают в промежуток между эктодермой и стенкой первичной кишки. Это и есть образующийся средний зародышевый листок ‑ мезодерма.

После обособления хордального тяжа и мезодермы остальной материал первичной кишки смыкается под хордальным тяжом, образуя зачаток кишечной трубки (эпителий вторичной кишки). Ее материал происходит из массивной вегетативной половины (дна бластулы) и представляет энтодерму. Таким образом, у амфибий идет дифференциация энтодермы на желточную и кишечную части.