Оплодотворение и развитие зародыша.

Оплодотворение, т.е. слияние двух половых клеток, приводит к образованию зиготы с диплоидным набором хромосом. Зигота обладает двойной наследственностью, т.е. несет гены и отцовской, и материнской особей, что, во-первых, увеличивает приспособленность особи к условиям среды, а во-вторых, повышает их жизненность. Рассмотрим процесс оплодотворения на примере морского ежа.

У морского ежа оплодотворение наружное. Сперматозоиды привлекаются специфическими веществами, выделяемыми яйцеклеткой, оказывающими на них положительное хемотаксическое действие. При соприкосновении яйцеклетки и сперматозоида из акросомы образуется акросомная нить, выделяющая ферменты для проникновения через студенистую оболочку яйца. В месте соприкосновения акросомной нити с первичной оболочкой яйца яйцеклеткой образуется воспринимающий бугорок (бугорок оплодотворения). Он втягивает головку и шейку сперматозоида внутрь яйца. Яйцеклетку пытается оплодотворить огромное количество сперматозоидов, однако бугорок оплодотворения обычно формируется только у первого. После проникновения сперматозоида яйцеклетка покрывается оболочкой оплодотворения, образуемой за счет утолщения первичной оболочки. Оболочка оплодотворения отслаивается от яйца, под ней образуется перивителлиновое пространство, заполненное жидкостью. Оболочка оплодотворения является барьером для проникновения новых сперматозоидов в яйцо.

В яйце головка сперматозоида набухает и превращается в мужской пронуклеус, ядро яйца становится женским пронуклеусом. Они сливаются, и зигота начинает делиться. Оплодотворение приводит к интенсификации метаболических процессов в яйце, что проявляется в 1. повышении проницаемости его оболочки к питательным веществам, 2. повышении содержания аминокислот за счет расщепления желтка, 3. возрастании активности ферментов, 4. резком ускорении синтеза белка.

Обычно в яйцеклетку проникает один сперматозоид, что называется моноспермией; у насекомых, рыб, птиц в яйцеклетку могут иногда проникать несколько сперматозоидов (полиспермия). При полиспермии в оплодотворении участвует лишь один сперматозоид, а остальные рассасываются.

Дробление яйца.

Первый этап развития зародыша – дробление. Зигота после оплодотворения интенсивно делится путем митоза (образуются 2, 4, 8, 16, 32 клетки). Делящееся клетки (бластомеры) не успевают расти, поэтому многоклеточный зародыш равен по объему зиготе; дробление происходит под яйцевыми оболочками. Перетяжки, разделяющие бластомеры при дроблении называют бороздами дробления. Они могут проходить в разных направлениях. Особенности процесса дробления определяются двумя основными параметрами: 1) количеством и распределением желтка в цитоплазме и 2) присутствующими в цитоплазме факторами, которые влияют на ориентацию митотического веретена и время его образования.

Если желток в яйце распределен неравномерно, то в области, содержащей меньше желтка (анимальном полюсе), клеточные деления проходят с большей скоростью, чем в противоположной, богатой желтком области (вегетативном полюсе). Ядро зиготы часто бывает смещено к анимальному полюсу.

Борозда дробления, проходящая от анимального к вегетативному полюсу называется меридиональной, борозда, проходящая по экватору клетки – экваториальная, борозды, параллельные экваториальной - латитудинальные, борозды, идущие параллельно поверхности яйца – тангенциальные. Направление борозд дробления определяется положением ахроматинового веретена в делящейся клетке. Немецкий ученый Оскар Гертвиг установил закономерности расположения веретена деления, известные как правила Гертвига:

1. Веретено деления располагается в той части клетки, где меньше всего желтка и других включений;

2. Веретено деления располагается в том направлении, в котором протяженность протоплазмы наибольшая;

3. Скорость прохождения борозд дробления обратно пропорциональна количеству желтка.

Яйцеклетки разных типов дробятся различно. Яйца, лишенные желтка или содержащие его в небольшом количестве претерпевают полное дробление. Яйца, богатые желтком подвержены неполному дроблению, т.е. дробится только часть яйца, лишенная желтка, а часть яйцеклетки, заполненная желтком, остается нераздробленной. Полное дробление бывает равномерным и неравномерным, а неполное дискоидальным и поверхностным. Полное дробление характерно для алецитальных и гомолецитальных яиц.

Примером полного равномерного дробления может быть дробление ланцетника. Яйца ланцетника относятся к гомолецитальному типу. Они слегка сплюснуты с полюсов, и, в соответствии со вторым правилом Гертвига, первое ахроматиновое веретено расположено по экватору, а первая борозда проходит в меридиональной плоскости. В результате образуются 2 идентичных бластомера. Вторая борозда также проходит в меридиональном направлении, третья – в экваториальной плоскости (стадия 8 бластомеров), четвертая – вновь по меридиану (стадия 16 бластомеров), пятая борозда проходит латитудинально, при этом дробятся как верхний, так и нижний ряды бластомеров. Вплоть до стадии 128 бластомеров сохраняется правильное чередование плоскостей деления.

Еще на стадии 4 бластомеров в центре зародыша образуется полость, которая по мере дробления постепенно увеличивается, и в результате из одноклеточного зародыша формируется многоклеточный, имеющий форму правильного полого шара. Эта стадия развития – стадия бластулы, т.е. однослойного зародыша. Стенка бластулы называется бластодермой, полость бластулы называется «бластоцель», она является первичной полостью тела. Она заполнена серозной жидкостью.

У бластулы различают крышу, соответствующую анимальному полюсу и дно, соответствующее вегетативному полюсу. Между крышей и дном находится краевая зона. При полном равномерном дроблении зигота делится целиком и образует примерно одинаковые клетки. В результате образуется бластула, называемая целобластулой, у которой бластоцель расположен точно в центре.

Полное неравномерное дробление можно рассмотреть на примере лягушки. Яйцо лягушки телолецитального типа, протоплазма с ядром располагается на анимальном полюсе, желток – на вегетативном. Первое веретено деления расположено параллельно экватору клетки (2-е правило Гертвига), поэтому клетка делится меридионально на два равных бластомера; вторая борозда дробления также проходит меридионально, и образуются четыре одинаковых бластомера. Третья борозда идет параллельно экватору со сдвигом к анимальному полюсу, т.к. там расположена цитоплазма (1-е правило Гертвига). В результате бластомеры, расположенные на анимальном полюсе (микромеры) оказываются мельче бластомеров, расположенных на вегетативном (макромеров). Микромеры в дальнейшем дробятся значительно более интенсивно макромеров, т.к. скорость дробления зависит от количества желтка (показать на рисунке). В итоге образуется бластула, крыша которой состоит из нескольких рядов микромеров, а дно – из крупных макромеров. Такая асимметричная бластула, полость которой смещена к ее крыше называется амфибластулой.

Неполное дискоидальное дробление характерно для птиц. Яйца птиц резко телолецитальны, т.е. практически заполнены желтком. Протоплазма с ядром расположены на анимальном полюсе в виде небольшого диска (зародышевый диск). Первые четыре борозды дробления проходят только по меридиану протоплазменного диска, не затрагивая желток, а веретена деления параллельны поверхности. Первые две борозды взаимно перпендикулярны. Образуется один ряд бластомеров, связанных своим основанием с общим неразделенным желтком. Пятая борозда проходит тангенциально, в результате чего образуется два ряда бластомеров; бластомеры верхнего ряда оказываются обособлены от желтка. Далее борозды дробления проходят как меридионально, так и тангенциально, и образуется бластула, крыша которой состоит из нескольких рядов бластомеров, а дно из общего неразделенного желтка. Бластула птиц имеет форму двояковыпуклой линзы, ее называют дискобластулой.

Неполное поверхностное дробление свойственно яйцам центролецитального типа членистоногих (напомнить – ядро с околоядерной цитоплазмой, соединенной цитоплазматическими мостиками, проходящими через желток к периферической цитоплазме). Дробление начинается с многократного деления ядра. Образовавшиеся ядра по цитоплазматическим мостикам мигрируют в поверхностный слой цитоплазмы. Вместе с ними уходит и вся центральная цитоплазма. Ядра располагаются в один слой, у каждого ядра обособляется участок цитоплазмы. Из-за желтка, расположенного в центре, дробление может быть только поверхностным. В результате образуется бластула, бластоцель которой заполнен желтком. Она называется перибластулой.

Характер дробления может различаться не только в зависимости от количества желтка в яйце, но и от взаимного расположения бластомеров. По признаку относительного положения бластомеров при полном дроблении различают радиальное, спиральное и билатеральное дробление. При радиальном дроблении веретена деления и борозды проходят строго меридионально или горизонтально, поэтому бластомеры разных ярусов располагаются точно один над другим, так что полярная ось яйца служит осью поворотной симметрии. Этот тип дробления присущ ланцетнику, амфибиям, иглокожим и др. При спиральном дроблении веретена деления располагаются под углом 45º к экватору, поэтому бластомеры разных ярусов расположены спирально. На стадии восьми бластомеров микромеры верхнего яруса находятся в промежутках между макромерами нижнего. Спиральное дробление характерно для различных типов червей, моллюсков и др. билатеральное дробление характеризуется наличием лишь одной плоскости симметрии: 1-я борозда проходит экваториально, далее анимальный бластомер делится меридиональной бороздой, а вегетативный – широтной. В результате получается Т-образная фигура из 4-х бластомеров. Путем поворота вегетативной пары бластомеров Т-образная фигура преобразуется в ромбическую. Этот тип дробления свойственен круглым червям и оболочникам.

Гаструляция.

Следующим этапом развития является образование двухслойного зародыша, т.е. гаструлы. Из бластодермы при гаструляции образуется два зародышевых листка экто- и энтодерма. Различают четыре типа гаструляции:

1. инвагинация (или впячивание);

2. иммиграция (или вселение);

3. деляминация (или расслоение);

4. эпиболия (или обрастание).

Спиральное дробление Гаструляция по типу инвагинации характерно для животных, имеющих целобластулу. Дно целобластулы прогибается вверх идо соприкосновения с крышей. Бластоцель постепенно сокращается, от него остается небольшая щель. Образуется гаструла со стенкой из двух зародышевых листков: наружного – эктодермы и внутреннего – энтодермы. Полость гаструлы называется «гастроцель» (полость первичной кишки), она сообщается с внешней средой отверстием – бластопором. На краю бластопора различают спинную и брюшную губы.

Гаструляция по типу иммиграции характерна для многих кишечнополостных. Клетки бластодермы усиленно делятся и отдельные из них мигрируют в бластоцель. В бластоцеле эти клетки могут сразу образовать энтодерму или изначально они могут быть расположены рыхло, заполняя весь бластоцель, и лишь затем из рыхлой массы клеток сформируется энтодерма. Иммиграция клеток может идти из одной точки бластодермы, тогда это – униполярная иммиграция, или из множества точек – мультиполярная иммиграция. При униполярной иммиграции бластопор прорывается в точке выселения клеток, а при мультиполярной это может происходить в любом месте.

Гаструляция по типу деляминации наблюдается в случаях, когда дробление заканчивается образованием бластулы с невыраженным или почти отсутствующим бластоцелем (такая бластула называется морулой). Это характерно для некоторых кишечнополостных, животных с неполным типом дробления, таких как пресмыкающиеся, птицы, низшие млекопитающие. У них наблюдается расслоение единого клеточного пласта на два параллельных. При деляминации клеточные перемещения практически отсутствуют.

Гаструляция по типу эпиболии характерна для многих животных с неравномерным дроблением (гребневиков, земноводных (полное дробление) и некоторых организмов с резко телолецитальным строением яиц). Интенсивно делящиеся микромеры растут быстрее макромеров и окружают их со всех сторон. Эктодерма формируется в основном из микромеров, а энтодерма в основном из макромеров. Гастральная полость и бластопор образуются позже.

В чистом виде все способы гаструляции встречаются крайне редко. У каждого конкретного организма, как правило, сочетаются несколько типов движений клеток. В результате принято выделять также смешанный способ гаструляции.

Понятие о полости тела.

Пространство, ограниченное внутренней поверхностью стенки тела, в котором расположены внутренние органы, называют полостью тела. У некоторых трехслойных животных (имеющих третий зародышевый листок – мезодерму), а именно плоских червей, полость тела отсутствует, а внутреннее пространство заполнено рыхлой мезодермальной паренхимой. У круглых червей полость тела образуется из бластоцеля зародыша и не имеет собственной эпителиальной выстилки. Такая полость называется первичной полостью тела или схизоцелем (от греч. schizo- разделяю, расщепляю) за то, что образовалась при разрушении паренхимы у предковых форм. Будучи заполненной жидкостью, она выполняет опорную функцию, а также через нее происходит транспорт веществ, усвоенных из пищи и частично осуществляется вынос продуктов обмена к органам выделения. Таким образом, первичная полость тела выполняет функцию внутренней среды организма, подобной кровеносной системе.

У высших многоклеточных имеется вторичная полость тела, или целом, вытесняющий в процессе развития первичную полость тела. Главная особенность целома – наличие собственного эпителия, имеющего мезодермальное происхождение, который покрывает внутреннюю поверхность стенки тела, прилегает к кишечнику и всем внутренним органам. Первичная функция целома – опорная (гидроскелет кольчатых червей), также в нем формируются половые клетки, он может выполнять трофическую, дыхательную, выделительную (целомодукты) и др. функции. У позвоночных целом представлен брюшной полостью и перикардом. У ряда целомических животных первичная полость тела исчезает не до конца: у моллюсков она представлена системой лакун и синусов, являющихся частью кровеносной системы, а у членистоногих остатки первичной полости тела сливаются в процессе эмбрионального развития с редуцированным целомом и образуют так называемую смешанную полость тела, или миксоцель.

Закладка мезодермы.

Погрузившийся в процессе гаструляции внутрь зародыша материал помимо энтодермы также содержит закладку среднего зародышевого листка – мезодермы, который позднее отделяется от энтодермы. Мезодерма закладывается между эктодермой и энтодермой, т.е. в бластоцеле, в результате чего зародыш становится трехслойным. У высших позвоночных трехслойное строение зародышей возникает уже в процессе гаструляции, тогда как у низших хордовых и животных всех остальных типов в результате собственно гаструляции образуется лишь двухслойный эмбрион.

Существует два основных способа закладки мезодермы: энтероцельный и телобластический. При телобластическом способе мезодерма формируется из крупных клеток, расположенных по краям бластопора – телобластов, получивших ходе дробления всю полярную ооплазму (пояснить). Обычно их два, иногда больше. Клетки, образующиеся при делении телобластов, заполняют остаток первичной полости тела между экто- и энтодермой. (Нарисовать, как они разрастаются вверх.) Телобластический способ закладки мезодермы встречается, преимущественно, у спирально дробящихся организмов. При энтероцельном способе мезодерма обособляется от энтодермы (первичной кишки или архентерона) путем образования впячиваний в первичную полость тела. На спинной стороне зародыша в результате ускоренного деления клеток образуются два кармановидных выпячивания гастроцеля. Затем они разрастаются и обособляются от энтодермы, образуя парные зачатки мезодермы, содержащие в себе вторичную полость тела – целом. (Нарисовать начало впячивания и обособленные зачатки мезодермы) Иногда при энтероцельной закладке мезодермы она образуется не инвагинацией стенки архентерона, а путем ее деляминации или иммиграции клеток. Энтероцельный способ закладки мезодермы наблюдается у иглокожих, кишечнодышаших, плеченогих, хордовых и др.

Способы образования мезодермы коррелируют с другими особенностями развития зародыша. У животных с телобластической закладкой мезодермы ротовое отверстие формируется на месте бластопора; их называют первичноротыми (кишечнополостные, все типы червей, моллюски и членистоногие). Энтероцельная закладка наблюдается у вторичноротых животных, т.е. тех, у кого из бластопора образуется анальное отверстие, а рот прорывается на противоположном конце (иглокожие, хордовые и др.).

В ходе следующего за гаструляцией органогенеза изменяются форма, структура, химический состав клеток, обособляются клеточные группы, представляющие собой зачатки будущих органов. Начало органогенеза называют периодом нейруляции (от появления первых признаков формирования нервной пластинки до замыкания ее в нервную трубку). Параллельно формируются прочие осевые органы – хорда у хордовых, вторичная кишка (кишечная трубка). Лежащая по бокам мезодерма расщепляется на сегментированные парные структуры – сомиты.

Из одноименных зародышевых листков у различных групп животных формируются одни и те же ткани и органы. Из эктодермы образуется эпидермис кожи, нервная система и органы чувств, выстилка передней и задней кишки. Из энтодермы – эпителий средней кишки, пищеварительные железы, эпителий дыхательных путей у хордовых. Из мезодермы формируется большинство прочих органов: скелет, скелетная мускулатура, соединительнотканная основа кожи (дерма), органы выделительной и половой систем, сердечнососудистая система, лимфатическая система, плевра, брюшина и перикард. Некоторые ткани образуются из мезенхимы, имеющей смешанное происхождение за счет клеток трех зародышевых листков (все виды соединительной ткани, гладкая мускулатура, кровь и лимфа). Мезенхима – это часть среднего зародышевого листка, представляющая рыхлый комплекс разрозненных амебоподобных клеток. Несмотря на отличное от мезодермы происхождение, мезенхима может рассматриваться как часть среднего зародышевого листка.

Зачаток конкретного органа формируется первоначально из определенного зародышевого листка, но затем орган усложняется и в итоге в его образовании принимают участие два или три зародышевых листка.

Учение о зародышевых листках было создано российскими учеными. Впервые зародышевые листки упоминаются в работах Вольфа и его учеников (изучали развитие курицы). Пандер и Бэр уточнили данное понятие и собственно ввели термин «зародышевые листки». Современную теорию зародышевых листков создал Александр Онуфриевич Ковалевский, который доказал, что развитие всех типов животных идет с образованием одинаковых зародышевых листков, и их дальнейшая судьба одинакова. Ковалевский считается основателем эволюционной эмбриологии. В период становления эволюционного учения Ч. Дарвина открытие одинаковых зародышевых листов в развитии не только позвоночных, но и беспозвоночных явилось важным доказательством единства происхождения и эволюции всех животных.