Гаструла - это двухслойный зародыш, который образуется в процессе эмбрионального развития из бластулы. Это одна из основных стадий формирования зародыша. Ч...

От Masterweb

06.04.2018 12:00

Гаструла - это двухслойный зародыш, который образуется в процессе эмбрионального развития из бластулы. Это одна из основных стадий формирования зародыша. Чтобы понять механизм образования эмбриона, необходимо подробно рассмотреть процессы его формирования и проследить развитие всех внутренних органов будущего организма. В данной статье мы поговорим о каждой из стадий развития эмбриона, узнаем, что такое гаструла зародыша, познакомимся с некоторыми закономерностями, найденными известными учеными на основании процессов эмбриогенеза.

Что такое эмбриональный период?

Каждый живой организм, размножающийся половым путем, способен образовывать репродуктивные клетки - гаметы. Женская и мужская гамета сливаются в процессе оплодотворения, образуется диплоидная клетка - зигота. Именно зигота является одноклеточной стадией развития живого организма.

Эмбриональный период развития, или эмбриогенез, - это первый период индивидуального развития особи, онтогенеза. Эмбриогенез длится с момента образования зиготы до появления на свет полноценного многоклеточного организма.

Стадии эмбрионального периода развития сходны у всех многоклеточных организмов, однако могут протекать по-разному. Основной общей чертой является формирование трех стадий развития зародыша - бластулы, гаструлы и нейрулы. Рассмотрим каждую из этих стадий поподробнее.

Бластула

Бластула - это однослойный зародыш, но для его формирования необходимо протекание большого количества сложных процессов. Как же образуется бластула?

Оплодотворенная яйцеклетка, то есть зигота, начинает делиться посредством митоза. Сначала зигота делится на две абсолютно одинаковые клетки, которые получили название бластомеров. Затем из двух бластомер образуется четыре клетки и так далее.

Бластомеры продолжают свои продольные и поперечные деления, которые происходят очень быстро и приводят к образованию все большего числа бластомеров. При этом бластомеры, которых становится все больше, уменьшаются в своих размерах. Когда образуется достаточное количество бластомеров, они выстраиваются в один слой и образуют пустой внутри пузырек, который и является бластулой.

Внутри бластулы находится кишечная полость, названная первичной полостью тела, или бластоцелью. Такой и является однослойный зародыш будущего организма - бластула.

Гаструла

Следующая стадия развития - гаструла. Приводит к образованию гаструлы дробление бластулы, а именно ее впячивание. То есть область на одной из стенок бластулы начинает впячиваться внутрь бластоцели. Таким образом у бластулы появляется наружный и внутренний листки (слои клеток) - эктодерма и энтодерма. Именно благодаря взаимодействию этих слоев клеток и образуется полноценный двухслойный зародыш - гаструла.

Полость, которая в результате преобразований образуется внутри гаструлы, называется первичной кишкой, а небольшое углубление, или отверстие, которое ведет в первичную кишку, является первичным ртом зародыша. Клетки гаструлы продолжают активные процессы деления, чтобы позволить зародышу перейти к следующей стадии развития - стадии нейрулы.

Гаструла кишечнополостных

Гаструла является образцом простейшего устройства живых организмов, например, таких как кишечнополостные животные. Гаструла - это не только стадия зародышевого развития, но и организм, выполняющий все жизненные функции.

Так, кишечнополостные животные состоят из двух слоев клеток - наружного и внутреннего, то есть эктодермы и энтодермы. Внутри животных находится особая полость тела, называемая кишечной.

Другими словами, кишечнополостные в своем развитии остановились на стадии гаструлы, продолжая функционировать так же, как и многие зародыши на самых ранних стадиях.

Нейрула

В результате деления гаструлы образуется уже трехслойный зародыш - нейрула. Третий слой, появляющийся у нейрулы, получил название мезодермы. Он расположен в средней части между эктодермой и энтодермой.

Нейрула является более организованной и совершенной стадией развития зародыша. Для стадии нейрулы характерно такое явление, как органогенез, то есть формирование будущих внутренних органов живого существа.

Органогенез

На стадии нейрулы из эктодермы закладывается нервная пластинка, которая в будущем превратится в нервную трубку. У высоко организованных животных из этой трубки впоследствии развивается спинной и головной мозг. Эктодерма дает начало развитию всех органов чувств и кожных покровов.

Из энтодермы формируется кишечник, а затем и вся пищеварительная система организма.

Важнейшую роль играет мезодерма, из которой вследствие многочисленных преобразований развивается скелет, выделительная, половая, мышечная и сердечно-сосудистая системы организма.

Таким образом, в процессе прохождения трех стадий - образования бластулы, гаструлы и нейрулы - из зиготы формируется полноценный эмбрион будущего организма. Примечательно, что клетки всех органов и тканей живого существа содержат одинаковый набор генов, то есть генотип.

На основе знаний, полученных при изучении генетики и ее закономерностей, известнейшими учеными были сформулированы и позднее скорректированы два важнейших биологических закона - закон сходства зародышей и биогенетический закон. Рассмотрим каждый из них.

Закон зародышевого сходства

Наблюдая за строением эмбрионов на наиболее ранних стадиях развития и сравнивая их между собой, эстонский ученый Карл Бэр сформулировал закон зародышевого сходства.

Его основная мысль заключается в том, что в пределах какого-либо типа зародыши на самых ранних и более поздних стадиях сходны между собой. При последующем развитии эмбрион каждого организма принимает свою форму и приобретает собственные уникальные свойства.

Например, бластула зародыша человека аналогична колониальным животным, а человеческая гаструла - это вариант развития кишечнополостных организмов.

То есть зародыши организмов в начале их развития очень похожи друг на друга. Особенно хорошо это прослеживается на эмбрионах хордовых животных, в том числе и человека. Так, зародыши рыбы, черепахи, крысы и человека на первой стадии формирования имеют практически одинаковое строение.

Биогенетический закон

Не менее важным биологическим законом является биогенетический закон, сформулированный двумя учеными: Фрицем Мюллером и Эрнстом Геккелем. Его смысл заключается в следующем: онтогенез до определенной степени повторяет филогенез вида. Разберем формулировку закона поподробнее.

Онтогенез, как было сказано выше, - это индивидуальное развитие живого организма. То есть весь период его жизни от зачатия до смерти.

Филогенез - это историческое развитие вида, то есть эволюционные изменения, которые привели к формированию данного вида.

Итак, в биогенетическом законе Мюллера и Геккеля говорится о том, что каждый организм в процессе своего формирования повторяет свое историческое развитие.

После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеусов без всякого перерыва начинается митотическое деление ядра зиготы. За этим первым делением - следует серия следующих делений ядер и цитоплазмы, общие свойства которых таковы: 1. Разделившиеся клетки зародыша не растут, т. е. в промежутке между делениями масса их цитоплазмы не увеличивается. В результате суммарный объем и масса всех возникших клеток не превышает объема и массы яйцеклетки во время оплодотворения; 2. Между тем количество ДНК в ядре удваивается после каждого деления, как и при обычном митозе, так что все клетки сохраняют диплоидность. Эта серия делений называется дроблением яйцеклетки. Действительно, из-за отсутствия роста клеток после деления яйцеклетка как бы дробится на все более мелкие клетки. Последние называются бластомерами, а разделяющие их плоскости - бороздами дробления. Таким образом, дробление - это многократные митотические деления зиготы, в результате которых зародыш становится многоклеточным, не меняя при этом существенно своего объема.

Образование многоклеточности - первая и основная биоло­гическая функция дробления. Вторая его функция состоит в увеличении так называемого ядерно-плазменного отношения. Еще задолго до возникновения современных представлений о роли ДНК в клеточном метаболизме было понято, что для нормальной жизнедеятельности клетки должно поддерживаться определенное отношение между количеством ядерного и цитоплазматического вещества. Это отношение было названо ядерно-плазменным отношением и обозначалось как я/пл.

Основные способы гаструляции

После того как зародыш достиг стадии бластулы, в нем начинаются интенсивные передвижения отдельных клеток и обширных участков стенки бластулы, приводящие, в конце концов, к тому, что более или менее однородный перед этим зародыш расчленяется на два или три слоя, которые называются зародышевыми листками. Самый внутренний зародышевый листок называется энтодермой, внешний - эктодермой. На эти листки расчленяются зародыши всех многоклеточных животных: лишь у губок дальнейшая судьба листков настолько необычна, что некоторые авторы избегают говорить применительно к ним об экто- и энтодерме. У всех животных, кроме губок и кишечнополостных, формируется средний зародышевый листок - мезодерма, располагающийся между двумя первыми. Процесс расчленения зародыша на зародышевые листки называется гаструляцией, а сам зародыш на стадии расчленения - гаструлой.

Способы гаструляции довольно разнообразны. Они отчасти связаны со строением бластулы, но эта связь далеко не однозначна. Особенно разнообразны типы гаструляции у низших беспозвоночных - кишечнополостных. У них распространен иммиграционный тип гаструляции, который был открыт в 1886 г. И. И. Мечниковым у некоторых гидромедуз и может считаться эволюционно наиболее древним. Этот процесс сводится к вселению в полость бластоцеля отдельных клеток, выклинивающихся из стенки бластулы. Иногда процессы иммиграции идут без особого порядка по всей поверхности бластулы. Тогда говорят о мультиполярной иммиграции. Большей же частью выселение идет с одного определенного полюса- униполярная иммиграция.

Известна также биполярная иммиграции, когда выселение идет с противоположных полюсов.

У тех кишечнополостных, где дробление заканчивается морулой без полости, наблюдается другой тип гаструляции, который получил название деламинация (расслоение). Он ограничивается выравниванием внутренних стенок клеток наружного слоя, причем такое выравнивание нередко идет волной, от одной соседней клетки к другой. Вдоль выровненных поверхностей формируется базальная мембрана, отделяющая этот внешний клеточный слой (эктодерму) от внутренней массы клеток, которая вся становится энтодермой. При деламинации, таким образом, клеточные перемещения почти отсутствуют.

Наконец, некоторым высшим кишечнополостным (сцифоидные медузы, коралловые полипы) присущ иной тип гаструляции, широко распространенный у более высших форм: впячивание, или инвагинация (впрочем, небольшое впячивание в месте униполярной иммиграции обнаружено и у некоторых гидроидных полипов). В этих случаях внутрь бластоцеля входят не отдельные клетки, а клеточный пласт, не утративший эпителиальной структуры. Впрочем, этот способ гаструляции легко заменяется другим, более примитивным. Так, сцифоме-дузе Aurelia flavldula свойственна более или менее выраженная инвагинация, Aurelia marginalis - мультиполярная иммиграция, Aurelia aurita - нечто вроде униполярной иммиграции с последующей эпитализацией. Для ряда видов гидроидных полипов тоже характерны различные сочетания иммиграционных и деламинационных процессов или же у них последовательно протекают оба процесса. Во всяком случае, гаструляционные процессы у кишечнополостных крайне вариабельны.

В других группах животных деламинация и иммиграция тоже представляют собой компоненты гаструляционного процесса. Например, у иглокожих путем иммиграции с вегетативного полюса закладывается так называемая первичная мезенхима, из которой потом формируются некоторые временные органы личинки (скелет, органы выделения). В целом же процесс гаструляции приобретает более организованный характер и осуществляется обычно путем инвагинации вегетативной стенки бластулы. Полость вворачивания называется гастроцелем, а ведущее в нее отверстие - бластопором (первичным ртом). Края бластопора называются его губами.

Так как при инвагинации механическая целостность стенки бластулы не нарушается, очевидно, что вворачивание дна бластулы должно сопровождаться более или менее значительным смещением клеточного материала боковых стенок в вегетативном направлении (вегетопетально). Действительно, такие движения всегда происходят, и скорость их, как правило, не меньше скорости вворачивания. Вегетопетальные движения того слоя, который в данный момент еще находился па поверхности гаструлы, называют эпиболией (обрастанием). Существует немало случаев чисто эпиболической гаструляции, когда инвагинация невозможна из-за малых размеров бластоцеля. или инертности крупных, богатых желтком вегетативных макромеров. Так обстоит дело, например, у ряда малощетинковых червем: макромеры здесь просто накрываются наползающими на них микромерами.

Материал, оставшийся на поверхности зародыша после завершения гаструляции, есть наружный зародышевый листок, или эктодерма. Что касается погрузившегося любым способом внутрь материала, то лишь у кишечнополостных он представляет собой чистую энтодерму - внутренний зародышевый листок, формирующий впоследствии стенку пищеварительного тракта с его производными. У всех вышестоящих систематических групп погрузившийся внутрь в ходе гаструляции материал содержит кроме энтодермы еще и материал будущего среднего зародышевого листка - мезодермы, который потом отделяется от энтодермы.

Гаструляции у амфибий

Гаструляция амфибий - сложный комплексный процесс, состоящий из множества разнородных клеточных движений. Основными его компонентами принято считать эпиболию и инвагинацию. В первом приближении это можно принять, но не следует забывать, что сами названные процессы имеют составной характер, и, кроме того, они дополняются процессами иммиграции и деламинации. Как мы знаем, вегетативная стенка бластулы амфибий сложена из крупных, богатых желтком макромеров. Поэтому на вегетативном полюсе не может возникнуть такое обширное впячивание, как у иглокожих и ланцетника. Однако, по-видимому, некоторые богатые желтком наружные макромеры все же погружаются внутрь зародыша.

Эти движения иммиграционного типа получили название предгаструляционных. Они приводят к сокращению светлой вегетативной зоны на поверхности зародыша и к соответственному увеличению темной (пигментированной) анимальной зоны. Последний процесс можно рассматривать как первую, пассивную фазу эпиболии.

Собственно гаструляция начинается в области уже известного нам серого серпа. Там сначала возникает выровненная линия клеточных стенок, проходящая чуть вегетативнее границ анимального (пигментированного) и вегетативного (светлого) полушарий, а затем по этой линии образуется узкая, идущая вглубь щель - зачаток бластопора. Щелевидное впячивание углубляется, вовлекает в себя все новые клетки поверхности зародыша и принимает вид серповидной бороздки. Анимальный верхний край этой бороздки называется спинной, или дорсальной, губой бластопора, так как здесь расположен задний край спинной стороны зародыша. Полость щелевидной бороздки несколько расширяется и превращается в зачаток первичной кишки, или архентерона.

Дальнейший ход гаструляции связан, прежде всего, с подворачиванием клеточного материала через дорсальную губу бластопора: клетки анимальных районов смещаются в вегетативном направлении (вегетопетально) вплоть до губы бластопора и, подвернувшись через нее, образуют дорсальную выстилку углубляющегося архентерона. Таким образом, из вышесказанного видно, что клеточный состав дорсальной губы бластопора непрерывно обновляется.

Вегетопетальные движения клеток наружной поверхности гаструлы в направлении дорсальной губы бластопора представляют собой продолжение движений эпиболии. В результате этих движений бластопор смещается в вегетативном направлении, и площадь поверхности, занимаемая анимальными клетками, все время увеличивается.

Движения эпиболии осуществляются главным образом благодаря следующим двум процессам: 1. Активному схождению (конвергенции) к средней (сагиттальной) линии зародыша клеток так называемой супрабластопоральной области, расположенной непосредственно дорсальнее бластопора. Схождение клеток сопровождается их переупаковкой - сменой соседей. Из-за этого схождения данный участок сужается в поперечном и растягивается в продольном направлении. На зародышах шпорцевой лягушки измерена скорость сдвига, являющегося следствием данного растяжения: она составляет примерно 3,5 мкм/мин. 2. Вдвижению друг между другом клеток внутренних слоев крыши бластоцеля в более анимальных, удаленных от бластопора районах зародыша. В результате такого вдвижения крыша бластоцеля растягивается примерно равномерно по всем направлениям. Оба движения осуществляются согласованно и способствуют увеличению площади анимальной части зародыша, т. е. эпиболии.

Тем временем бластомер продолжает расти в стороны, охватывая, светлую вегетативную зону сначала полукольцом, а потом и полным кольцом, которое по ходу гаструляции постепенно уменьшается до узкого отверстия. Заключенный внутри кольцевидного бластопора светлый вегетативный материал называется желточной пробкой. В кольцевидном бластопоре кроме известной уже нам дорсальной губы различают вентральную дубу (участок, противоположный дорсальной губе) и боковые губы. Через эти губы тоже идет подворачивание материала, но оно несравненно слабее, чем подворачивание через дорсальную губу.

Ввернувшийся внутрь клеточный материал стенки архентерона продвигается сплошным слоем по внутренней поверхности стенки бластоцеля, постепенно оттесняя бластоцель в вентральном направлении и, в конце концов, вытесняя его почти полностью. Это движение называют инвагинацией, но, как и движение эпиболии, оно слагается из ряда компонентов.

Самая ранняя стадия инвагинации (закладка бластопора) связана с возникновением в области бластопора группы так называемых колбовидных клеток с узкими апикальными «шейками» и удлиненными, раздутыми телами. Впячивание бластопора закладывается как раз благодаря активному сужению «шеек» этих клеток и растяжению клеточных тел. Структурные основы этого и других морфогенетических процессов рассматриваются в конце главы. При дальнейшей инвагинации решающее значение имеют следующие процессы.

1. Клетки вершины гастрального впячивания (в том числе бывшие колбовидные), выбрасывая длинные отростки, активно ползут по стенке бластоцеля. Внутренняя выстилка этой стенки к данной стадии развития видоизменяется так, чтобы способствовать направленной миграции по ней клеток: здесь формируются волокна внеклеточного матрикса, состоящие из белка фибронектина и ориентированные в передне-заднем направлении зародыша, т. е. как раз вдоль траекторий движения клеток. На завершающей стадии инвагинации бывшие колбовидные клетки уплощаются и формируют выстилку передней части эмбрионального кишечника. Впоследствии они входят в закладку печени.

2. Клетки внутренних слоев дорсальной губы бластопора при подворачивании через губу резко меняют свою структуру и характер контактов: до подворачивания они представляют собой довольно плотно скрепленные столбчатые клетки эпителиального характера, а в процессе подворачивания превращаются в округлые разобщенные клетки, почти не контактирующие друг с другом. Таким образом, клеточные слои при подворачивании как бы рассыпаются на отдельные клетки. Такое рассыпание считается одним из основных факторов, способствующих подворачиванию. Впоследствии контакты между ввернувшимися клетками вновь восстанавливаются, но судьба ввернувшихся клеток уже необратимо отличается от судьбы клеток, оставшихся в супрабластопоральной области.

3. По мере вворачивания дорсальная губа бластопора смещается в вегетативном направлении. Такое смещение связано с тем, что скорость эпиболии (как уже говорилось выше, около 3,5 мкм/мин) существенно превышает скорость подворачивания клеточного материала через дорсальную губу (около 2,5 мкм/мин). В том же направлении, т. е. к вегетативному полюсу удлиняется деламинациояная борозда, разграничивающая ввернувшийся и еще не ввернувшийся клеточный материал. Удлинение деламинационной борозды - неотъемлемый компонент гаструляции амфибий.

Карты презумптивных зачатков зародышей амфибий

Какое положение займут различные районы бластулы после завершения гаструляции, и какова их окончательная судьба? Это можно установить, нанося на поверхность бластулы метки красками или другими веществами и прослеживая движение меток в ходе гаструляции. Результаты исследования выражают, отмечая на схеме бластулы или ранней гаструлы судьбу каждой меченой точки. Эти схемы названы картами презумптивных (будущих, или, в более точном переводе с латинского, предполагаемых) зачатков. Первым составил такие карты для зародышей амфибий немецкий эмбриолог В. Фохт (Vogt) в 20-х гг. нашего столетия. Он пропитывал кусочки агар-агара красящими веществами, которые поглощались живыми тканями и были для них безвредными (так называемые витальные краски - нильский голубой, нейтральный красный и др.), и прижимал эти кусочки к разным местам поверхности бластулы. Краска диффундировала в зародыш, и определенный его участок прокрашивался. Прослеживая перемещения окрашенного участка, можно было точно судить о том, куда он попадает в ходе гаструляции и в какой зачаток превратится. Позднее методы прижизненного мечения были усовершенствованы, и в составленные Фохтом карты внесены некоторые уточнения и исправления, касающиеся главным образом локализации презумптивной мезодермы. Мы изложим сна­чала классические данные Фохта, а затем упомянем о новейших поправках.

По Фохту, перед началом гаструляции все закладки зародыша расположены на поверхности, точнее - выходят на поверхность. Анимальнее щелевидной бороздки бластопора располагается зачаток так называемой прехордальной пластинки (прехорды), из которой по завершении гаструляции развивается главным образом выстилка ротовой полости.

Анимальнее прехордальной пластинки располагается зачаток будущей хорды. Дорсоанимальную часть зародыша занимает презумптивная эктодерма нервной системы (нейроэктодерма), а вентроанимальную часть-эктодерма покровов тела. Две последние закладки и по завершении гаструляции остаются на поверхности тела зародыша. Вегетативнее их располагается последовательно материал осевой мезодермы (идущей на образование туловищных и хвостовых сомитов), боковой пластинки (несегментированная часть мезодермы) и, наконец, энтодермы. Прехордальная пластинка, хорда, мезодерма (осевая и несегментированная) и энтодерма в ходе гаструляции погружаются внутрь зародыша. При этом первые две закладки подворачиваются через дорсальную губу, мезодерма - через боковые и вентральную губы, а энтодерма накрывается сходящимися губами бластопора. По изложенным данным, материал хорды и мезодермы должен после своего вворачивания непосредственно выстилать полость архентерона, образуя ее дорсальную стенку. В таком случае строение стенки архентерона у зародышей амфибий было бы подобным (гомологичным) строению этой же стенки у зародышей ланцетника или (за вычетом хорды) у зародышей иглокожих.

В последующие годы было выявлено, что применительно к амфибиям такие выводы справедливы лишь для отряда Хвостатых (Urodela). Что касается бесхвостых амфибий (Anura), то, как было установлено Т. А. Детлаф, С. Левтрупом и Р. Келлером, у них материал хорды, осевой мезодермы и боковой пластинки ни на одной стадии развития не выходит на поверхность зародыша, а локализован с самого начала во внутренних слоях его стенки. При гаструляции этот материал подворачивается аналогично наружному, но никогда не приходит в контакт с гастральной полостью. Последняя оказывается выстланной с вентральной стороны крупными клетками желточной энтодермы, а с дорсальной стороны тонким слоем клеток, отделяющих эту полость от хорды и сомитов. Этот слой клеток принято называть гипохордой.

С учетом этой поправки классические карты презумптивных зачатков можно считать справедливыми для зародышей всех классов амфибий.

Современные методы маркировки эмбриональных тканей позволяют получать карты презумптивных зачатков не только для стадии бластулы, но и для более ранних стадий развития, в частности для периода дробления. Такая маркировка осуществляется путем инъекции в отдельные бластомеры флуоресцентных красителей, которые затем выявляются в потомках инъецированного бластомера при рассмотрении гистологических срезов в люминесцентном микроскопе.

Использование такого метода позволило прийти к выводу принципиальной важности: к стадии 32 бластомеров презумптивное значение большинства бластомеров еще не определено с полной точностью - один и тот же бластомер может в различных процентах случаев давать разные закладки и, напротив, разные бластомеры - одни и те же закладки. Например, сомиты могут образовываться из тех же бластомеров, что хорда и нервная трубка (бластомер В1), или из тех же бластомеров, что и боковая пластинка (бластомеры ВЗ, СЗ, В4, С4). С другой стороны, нервная трубка может возникать из любого следующего бластомера: А1, А2, В1, В2, ВЗ, С1 или С2, хотя в других случаях из двух последних бластомеров может возникнуть энтодерма. Это связано с тем, что морфогенетические движения клеток в последующем развитии не идеально точны: потом­ки какого-либо одного бластомера могут до некоторой степени случайно перемешиваться с потомками другого бластомера. Но поскольку это не приводит к нарушениям структуры организма, очевидно, что по крайней мере в период дробления и до его начала (в период ооплазматической сегрегации) судьба бластомера окончательно не определяется. Даже после завершения гаструляции возможно взаимное перемешивание, а значит, и переопределение судеб отдельных клеток.

Надо особо подчеркнуть, что карты презумптивных зачатков, какими бы методами они не составлялись, дают сведения о судьбе отдельных участков зародыша лишь в его нормальном развитии и ничего не говорят о том, может или нет судьба клеток быть переопределена при их перемещении в другое положение. Иными словами, карты не дают сведений о степени детерминации клеточной судьбы. Подобного рода данные рассматриваются в следующей главе.

Нейруляция и формирование осевых органов у зародышей амфибий

Движения гаструляции у зародышей позвоночных без существенного перерыва переходят в движения, связанные с нейруляцией - закладкой центральной нервной системы. Нейруляция - характернейший для всех позвоночных формообразовательный процесс, определяющий главные структурные особенности представителей этого типа. Зародыш позвоночных в период нейруляции называется нейрулой. Мы рассмотрим процесс нейруляции на примере амфибий.

Обычно нейруляцию определяют как процесс скручивания нейральной эктодермы, расположенной на спинной стороне зародыша, в нервную трубку. В действительности это лишь часть тех формообразовательных движений, которые происходят в зародыше по окончании гаструляции. В целом эти движения состоят в конвергентном (сходящемся) смещении материала эктодермы и мезодермы к средней линии спинной стороны зародыша (вентродорсальные движения); происходит также растяжение дорсальной эктодермы зародыша в передне-заднем направлении.

Собственно нейруляционные движения в презумптивной нейральной эктодерме представляют собой часть этих движений и развиваются на их основе. Сначала нейральная эктодерма уплощается и превращается в нервную пластинку, которая в головной части зародыша шире, чем в туловищной. Края пластинки приподнимаются и образуют нервные валики, окаймляющие пластинку сплошной подковой. Затем поверхность нервной пластинки начинает довольно быстро сокращаться в поперечном направлении преимущественно за счет погружения ее наружных клеток в ее же внутренние слои. Одновременно она начинает складываться по средней линии. Возникающее по средней линии углубление нервной пластинки называется нервным желобом. Еще чуть позже края нервной пластинки смыкаются, и образуется нервная трубка, полость внутри которой называют невроцелем. Передняя расширенная часть нервной трубки превращается в головной мозг, а ее невроцель - в полость мозгового пузыря. Более узкая туловищная часть трубки превращается в спинной мозг, а его полость - в спинномозговой канал.

После смыкания нервного желобка в нервную трубку материал нервных валиков, расположенный сначала по периферии нервной пластинки, концентрируется вдоль средней линии зародыша дорсальнее трубки в виде образования, напоминающего петушиный гребень. Поэтому данную структуру называют нервным гребнем. Клетки нервного гребня не входят в состав центральной нервной системы; они дают множество различных производных.

Еще до начала скручивания нервной пластинки в трубку или в самом начале этого скручивания из осевой мезодермы точно по средней (сагиттальной) линии зародыша в виде тяжа обособляется хорда, или спинная струна. Хорда существует длительное время, вплоть до формирования скелетных позвонков, которыми она почти нацело вытесняется. Располагается хорда под туловищной частью нервной трубки; ее передний конец как раз совпадает с границей туловищного и головного отделов. Спереди от хорды находится тонкий пласт клеток прехордальной пластинки, образующих выстилку глотки и ротовой полости.

Сразу латеральнее материала хорды располагается мезодерма будущих сомитов; вентральнее границы нервной пластинки и покровной эктодермы этот материал плавно переходит в мезодерму боковой пластинки. Внутри зачатков сомитов возникает полость, переходящая в узкую щель, разделяющую боковую пластинку на два листка: париетальный, прилежащий к покровной эктодерме, и висцеральный, прилежащий к энтодерме. Внутренняя полость и щель образуют уже знакомую нам вторичную полость тела - целом. У зародышей амфибий, как и у подавляющего большинства других позвоночных животных, целом возникает путем расхождения клеток, т. е. шизоцельным путем. Только применительно к ланцетнику и некоторым акуловым рыбам можно говорить об энтероцельной его закладке (т. е. об отшнуровке от единой полости архентерона).

Формирование хорды и сомитов связано с интенсивной миграцией материала эмбриональной мезодермы в вентродорсальном направлении, к средней линии зародыша, т. е. к линии образования хорды. Таким образом, хорда образуется на месте встречи двух клеточных потоков, причем встречно движущиеся клетки втискиваются друг между другом. Это явление названо интеркаляцией клеток.

В результате интеркаляции хорда удлиняется. Вентродорсальное движение мезодермы (совпадающее по направлению с нейруляционными движениями) характерно для туловищной области зародыша. В шейной и головной областях происходит обратное, дорсовентральное движение мезодермальных клеток, концентрирующихся на вентральной стороне тела, в области будущей закладки сердца.

Вскоре после обособления хорды, еще до завершения нейруляции начинается метамеризация осевой мезодермы, т. е. ее разделение на парные сегменты - сомиты. Это один из важнейших морфогенетических процессов у позвоночных, закладывающий основы их опорно-двигательной системы. Метамеризация мезодермы идет в направлении спереди назад. У амфибий она продолжается и после вылупления зародыша из яйцевых оболочек, по мере роста ее хвоста, где один за другим формируются хвостовые сомиты (из материала заднего отдела нервной трубки). Клеточные механизмы метамеризации у разных позвоночных различны. У бесхвостых амфибий в процессе метамеризации клетки осевой мезодермы поворачивается на 90°, изменяя первоначальную поперечную ориентацию на продольную.

У хвостатых амфибий формирование сомитов связано с группированием мезодермальных клеток в своеобразные «розетки», у зародышей птиц - в сходные с розетками веерообразные структуры, постепенно достраивающиеся до полного сомита.

Механизмы морфогенетических движений гаструляции и нейруляции

Несмотря на все разнообразие описанных выше гаструляционных и нейруляционных морфогенетических движений, все они, равно как и морфогенетические движения, в последующем развитии, основаны на немногих клеточных и молекулярных процессах, а также регуляторных механизмах. Рассмотрим их более подробно.

Активность морфогенетических движений. Прежде всего, надо отметить следующее: подавляющее большинство морфогенетических движений на протяжении всего развития являются активными; это значит, что их источники энергии и исполнительные механизмы находятся внутри клеток как раз того участка зародыша, который испытывает данную деформацию. Это обобщение выработалось в эмбриологии не сразу: на заре исследования морфогенетических движений многие авторитетные исследователи считали, что, например, гаструляционное и нейруляционное впячивания возникают пассивно, в результате бокового давления на впячивающийся клеточный материал. Такое боковое давление могло возникать, по их мнению, за счет размножения клеток сбоку от впячиваний: размножающиеся клетки как бы сминают расположенный между ними участок пласта, заставляя его впячиваться.

Однако эта точка зрения в подавляющем большинстве случаев не получила экспериментального подтверждения. Лучшим свидетельством против нее являются многочисленные эксперименты по изоляции участка, которому предстоит впячиваться, от боковых областей, от которых должно было исходить давление: при такой изоляции впячивание не только осуществляется, но даже протекает быстрее. Отсюда следует, что боковые участки зародыша не только не способствуют впячиванию, но, напротив, оказывают ему сопротивление ввиду своего растяжения. О факторе растяжения тканей и его роли в регуляции морфогенетических движений мы еще поговорим позже.

Поляризация клеток. Любое активное изменение формы эпителиального пласта в период гаструляции и нейруляции, а также в последующих органогенезах, начинается с того, что клетки данного участка пласта поляризуются, то есть вытягиваются в направлении, перпендикулярном или косом к поверхности пласта.

Поляризация клеток эмбриональных эпителиев - пример согласованного коллективного клеточного поведения. Клетки эмбриональных эпителиев практически никогда не поляризуются поодиночке, а всегда целыми группами. Нередко можно проследить волну поляризации, распространяющуюся от одной клетки к другой. Такая волна наблюдается, например, при подворачивании клеток через дорсальную губу бластопора: у зародышей шпорцевой лягушки в процессе подворачивания каждая последующая клетка поляризуется, удлиняясь более чем вдвое, причем каждая последующая клетка поляризуется в течение 3-5 мин. Таким образом, за час поляризуется и подворачивается около 20 клеток, что соответствует инвагинации участка пласта поперечником примерно 200-300 мк. Интенсивная поляризация клеток происходит и в нейроэктодерме при формировании нервной пластинки. Таким образом формируется столбчатый нейроэпителий.

Поляризация клеток основана на сложных и еще недостаточно изученных перестройках цитоскелета и клеточной мембраны: сборке микротрубочек и микрофиламентов и их ориентации по длинной оси поляризующейся клетки, а также движениями так называемых интегральных (встроенных в мембрану) белков в плоскости плазматической мембраны. В результате этих движений перераспределяются ионные каналы и насосы: первые концентрируются преимущественно на апикальной (внешней) стороне поляризующихся клеток, вторые - на боковых и базальных сторонах. В поляризующихся клетках формируется также система связывающих их межклеточных контактов. Поляризация клеток обусловливает протекание в них направленного эндо- и экзоцитоза, о чем будет сказано позже.

Сокращение поляризованных клеток. Формирование сомкнутых зон (или, как иногда говорят, доменов) поляризованных клеток лишь указывает места будущих впячиваннй или выпячиваний, но не приводит непосредственно к изменению формы клеточного пласта. Форма пласта преобразуется в результате последующих изменений формы поляризованных клеток, выражающихся в сокращении определенных участков их поверхности или же всей поверхности. Один из простейших и широко распространенных процессов такого рода - сокращение апикальных поверхностей поляризованных клеток. Именно оно и приводит, в частности, к описанному выше сужению «шеек» колбовидных клеток. Аналогичное сокращение апикальных поверхностей клеток нейроэктодермы играет важную, хотя и не единственную, роль в скручивании нервной трубки. Сокращение апикальных поверхностей обусловлено, прежде всего «самопоеданием» клетками своей апикальной мембраны путем эндоцитоза (захватывания внутрь клетки мембранных пузырьков). По мнению ряда авторов, эти пузырьки направленно транспортируются в противоположные, базальные районы клетки и там встраиваются путем экзоцитоза, наращивая базальные отделы клеточной мембраны за счет апикальных.

Обычно сокращение не ограничивается апикальными клеточными поверхностями: боковые поверхности поляризованных клеток тоже сокращаются, выгибая при этом клеточный пласт. Это особенно ясно проявляется на примере веерообразных группировок из растянуто-скошенных клеток, образование которых предшествует любому впячиванию клеточного пласта. Еще в 1914 г. А. Г. Гурвич обнаружил, что в нейральных пластах зародышей позвоночных направление наклонов осей скошенных клеток как бы предсказывает еще до начала впячивания пласта, куда последний изогнется: изогнутая поверхность будет перпендикулярной осям скошенных клеток. Это правило «прогностических наклонов» клеточных осей объясняется тем, что изгиб пласта осуществляется именно за счет спрямления клеток - перехода формы их сечений от скошенной к прямоугольной. Но такое спрямление и является результатом сокращения боковых поверхностей клеток: понятно, что при неизменном объеме площадь поверхности прямоугольной клетки меньше поверхности скошенной клетки.

Сокращение боковых клеточных поверхностей - тоже активный процесс, в котором, вероятно, участвуют актиновые микрофиламенты.

Роль механических напряжений в организации гаструляционных и нейруляционных движений

Мы уже могли убедиться, что в результате гаструляционных и неируляционных движении возникает сложная и вместе с тем высокоупорядоченная, геометрически правильная организация зародыша. Благодаря чему устанавливается и поддерживается эта правильность? Почему многочисленные отдельные клетки и целые клеточные пласты движутся в строго определенных направлениях, образуя закономерно локализованные скопления клеток или изгибы пластов? Может быть, в каждую отдельно взятую клетку зародыша заранее «вложена» информация о се движении и пункте ее назначения? Такое предположение можно сразу же отклонить, хотя бы ввиду описанного выше «статистического» характера карт презумптивных зачатков: мы уже видели, что даже в ходе ненарушенного, нормального развития движение и окончательная судьба участков зародыша не определяются с «поклеточной» точностью. Чисто случайно отдельные клетки могут двигаться разными путями и входить в состав различных зачатков без того, чтобы это нарушало правильную структуру целого организма. С другой стороны, если изолировать и заставить развиваться вне зародыша небольшие кусочки эмбриональных тканей размером в несколько сотен клеток, то, хотя из данного кусочка и будет, как правило, развиваться набор зачатков, соответствующий его презумптивной судьбе, форма и расположение этих зачатков будут неправильными. Эти данные наряду со многими другими говорят о том, что факторы организации движений гаструляции и нейруляции как-то связаны с целым зародышем. Что могут представлять собой эти организующие факторы?

Ряд данных показывает, что такими факторами могут являться механические натяжения тканей зародыша. Первым по времени фактором, обусловившим натяжение эмбриональных тканей, является тургорное давление в полости бластоцеля, растягивающее крышу бластоцеля. Это натяжение еще сравнительно незначительно. Однако оно заметно усиливается в ходе гаструляции, поскольку движения инволюции через губы бластопора (главным образом через дорсальную губу) приводят к растяжению всей поверхности зародыша в продольном (передне-заднем) направлении. Кроме того, инвагинирующий материал хордомезодермы, ползущий по выстилке бластоцеля, растягивает как сам себя, так и расположенный перед ним участок стенки бластоцеля, на который он наползает.

Роль эпителиально-мезенхимных взаимодействий в дифференцировке энтодермальных зачатков. Для дифференцировки энтодермальных зачатков требуются непосредственные контакты с мезодермой, причем на ранних стадиях развития менее специфические, а для окончательной дифференцировки - более специфические контакты. Так, для формирования выроста легкого из эпителия передней кишки достаточен контакт эпителия с мезенхимой этого же зачатка. Добавление чужеродной мезенхимы может полностью изменить направление развития зачатка: под влиянием мезодермы желудка легочная энтодерма будет образовывать структуры, сходные с железами желудка, под влиянием мезодермы печени - печеночные тяжи. Для начальных стадий морфогенеза зачатка печени необходим его контакт с мезодермальными клетками зачатка сердца, а для дальнейшей биохимической дифференцировки клеток печени - контакт с собственной, печеночной мезодермой. Присутствие специфической мезодермы необходимо также для полной дифференцировки и функционирования щитовидной железы. Несколько менее специфические влияния требуются при развитии поджелудочной железы: для нормальной дифференцировки эпителия поджелудочной железы в клетки, секретирующие гормоны (в том числе инсулин), также необходим контакт с мезенхимой, но в условиях эксперимента собственная мезенхима поджелудочной железы может быть заменена чужеродной мезенхимой слюнных желез или вторичной почки.

Гаструляция и нотогенез у человека протекают более 2 недель и приводят к образованию первичных эмбриональных органов - зародышевых листков и осевых органов (хорда, нервная трубка). Они детерминируют (предопределяют) общий план строения человеческого организма, служат источником развития вторичных органов, провизорных (существуют только у зародыша) и дефинитивных.

Название гаструляции дал английский ученый Э. Геккель (гастрея, лат. - выпуклость или чрево сосуда): наиболее примитивная, инвагинационная форма гаструлы напоминает сосуд, как и губки, представители кишечнополостных, наиболее примитивных дифференцированных многоклеточных животных.

Гаструляция начинается в процессе нидации (внедрения) бластоцисты в толщу эндометрия (иначе - имплантация, с лат. - сажать в): выделяя ферменты, зародыш разрушает оолемму и прилежащие клетки эндометрия в 6,5-7,5 сутки беременности. Одновременно эмбриобласт расщепляется (деламинация) на 2 слоя: наружный слой или зачаток, эпибласт - источник развития эктодермы (наружного зародышевого листка), нейроэктодермы, хорды и мезо дермы (среднего зародышевого листка); внутренний слой или зачаток, гипобласт - источник развития кишечной и желточной энтодермы. Отделение гипобласта начинается в каудальном (хвостовом) отделе эмбриобласта.

Разрастаясь и расслаиваясь, эпибласт образует амниотический пузырек, а гипобласт - желточный пузырек. Участок их соединения определяется как двухслойная гаструла. На 11-е сутки эмбриогенеза она ясно выражена, имеет форму овального диска (зародышевый щиток). В 2 недели его средний диаметр равен 0,2 мм, а бластулы в целом (плодного яйца) - 2,5 мм.

Каудальный край зародышевого щитка обращен к зародышевому стволу-месту сужающегося перехода эмбриобласта в трофобласт («амниотическая ножка»). На 14-е сутки эмбриогенеза именно каудальный конец гаструлы обнаруживает повышенную морфогенетическую активность: клетки эпибласта пролиферируют (увеличиваются в количестве), выселяются из него иммиграция и образуют строго по средней линии скопление - первичная полоска. Она содержит искривление в виде бороздки и удлиняется к будущему краниальном; (головному) концу зародышевого щитка. На переднем конце первичной полоски появляется утолщение - головной узелок Гензена. Первичная полоска детерминирует хвостовой отдел и двустороннюю симметрию тела человека характерную для всех позвоночных животных (у многих беспозвоночных теле построено по плану многолучевой симметрии). Таким образом, уже в конце 2-й недели эмбриогенеза можно определить дорсальную и вентральную (спинную и брюшную), правую и левую стороны, головной и хвостовой концы зародыша.

На третьей неделе эмбриогенеза формируется трехслойная гаструла (хордула или нейрула: хорда- струна, невро -жила/греч.). На 16-е сутки из первичной полоски, в обе стороны от нее выселяются клетки. Они образуют боковые пластинки («крылья») мезодермы. Мезодермальные пластинки проникают в промежутки между экто- и энтодермой, расщепляются и образуют 2 мезодермальных мешка. Таким образом определяются все 3 зародышевых листка.

На 18-е сутки узелок Гензена образует головной отросток (нотохорд) первичной полоски. Он входит в промежуток между экто- и энтодермой, а затем погружается в толщу энтодермы. На 19-е сутки клетки головного отростка образуют плотный осевой тяж (хорду или спинную струну) и осевую (парахордальную) мезодерму, из которой развиваются сомиты.

Одновременно (18-20-е сутки) над формирующейся хордой появляется нервная пластинка. Она имеет вид продольного тяжа, который состоит из крупных, темных клеток нейроэктодермы. Они активно пролиферируют размножаются). Поэтому в плотном окружении нервная пластинка искривляется и погружается вглубь зародышевого щитка, образует нервный желобок. На 4-й неделе края нервного желобка смыкаются, он превращается в нервную трубку. Таким образом протекает развитие осевых органов - нотогенез (эмбрионы 2,5-3,5 неделе).

В конце 3-й неделе длина зародышевого щитка достигает 2 мм при ширине 75 мм, тогда как средний диаметр плодного яйца превышает 6 мм (в 20-25 раз крупнее бластоцисты).

В конце 3-й неделе начинается стадия эмбрионального органогенеза, процессе которого образуются закладки всех дефинитивных систем органов определяется в общих чертах план дефинитивного строения человека. Уже конце 3-й недели обнаруживаются зачатки глаз, внутреннего уха, сердца, первые сомиты. Эмбриональный органогенез протекает в связи с начинающейся плацентацией.

Одновременно изменяется форма зародыша в результате неравномерного юта его частей: преобладает удлинение спинной части в срединной зоне (давление хорды и нервной трубки) и головного конца, где нервная трубка утолщается и образует зачаток головного мозга. Он значительно расширяется и огибает спереди хорду. В результате на 4-й неделе зародышевый щиток изгибается в поперечном направлении, сворачиваясь в трубку, и в переднее - заднем травлении (сближение головного и хвостового концов). Обособление тела зародыша продолжается до середины второго месяца и сопровождается разделением желточного пузырька на две части: дорсальная или зародышевая - первичная кишка, вентральная - желточный мешок. Первичная кишка является ровным источником развития пищеварительной и дыхательной систем, а желточный мешок - местом первичного кроветворения и образования кровеносных сосудов. Одновременно амниотический пузырек также разделяется на две части: зародышевая - кожа, внезародышевая - амнион (водная оболочка зародыша). Кроме того, обнаруживается неравномерный локальный рост тела зародыша. На 4-й неделе под увеличивающейся головой образуется сердечный горб: сердце достигает громадных относительных размеров, через неделю его угоняет», а затем и превышает печеночный горб. Их рост, а также увеличение пупочного стебелька в связи с формированием физиологической пупочной грыжи способствуют разгибанию и расхождению головы и хвоста у эмбрионов 6-7 неделе. На 7-й неделе хвост эмбриона значительно уменьшается, а голова достигает наибольших относительных размеров, как и живот, благодаря громадной печени. Дифференцируется, удлиняется и утоньшается шея с разгибанием головы, формируется лицо. В течение второго месяца вычленяются, удлиняются и разделяются на дефинитивные отделы конечности. На 8-й неделе начинается разделение пальцев руки, уменьшаются печень и живот. На десятой неделе утробной жизни редуцируется пупочный грыжевой мешок.

Четвертая неделя эмбриогенеза - это стадия наиболее интенсивного образования сомитов. Они определяют сегментарное или метамерное строение зародыша: его тело состоит из следующих друг за другом отрезков, сходных по строению - сегментов или метамеров. Метамеры дорсальной мезодермы называются сомитами (греч.: soma - тело). У эмбрионов 10 мм длины (5,5 неделе) их общее число достигает 43-44 пар. Признаки метамерного строения сохраняются в туловище человека на всю жизнь: 1) сегментарное строение собственного аппарата спинного мозга; 2) сегментарное строение позвоночного столба и связанных с ним глубоких собственных мышц спины; 3) сегментарное строение грудной клетки, включая межреберные мышцы, сосуды и нервы; 4) сегментарный выход спинномозговых нервов на протяжении спинного мозга; 5) метамерное размещение париетальных (пристеночных) ветвей нисходящей аорты.

Сомиты (первичные сегменты тела) лежат по обе стороны от хорды и разделяются на 3 части: 1) наружная (латеральная) - дерматом, источник развития соединительнотканной основы кожи; 2) внутренняя (вентромедиальная) - склеротом, источник развития скелета; 3) промежуточная (дорсомедиальная) - миотом, зачаток скелетной мускулатуры. Сомиты располагаются по обе стороны от нервной трубки и дорсальной аорты. Их ветви растут к сомитам и приобретают метамерное положение. Сомиты связаны со спланхнотомами сомитными ножками или нефротомами - суженная, промежуточная мезодерма, источник развития предпочки и первичной почки. Каудальный отдел промежуточной мезодермы не сегментируется и образует метанефрогенныи тяж, источник развития нефронов окончательной почки.

Сплахнотом (парная боковая пластинка мезодермы) разделяется на 2 листка: висцеральный (внутренностный) - спланхноплевра, окружает энтодерму туловищной кишки, участвует в развитии кишечной трубки и ее производных; париетальный (пристеночный)- соматоплевра, участвует в формировании стенок целомической полости зародыша и ее производных.

Мезодерма спланхнотомов служит источником развития мезотелия и главным источником мезенхимы, из которой развиваются все виды соединительной ткани, гладкая мышечная ткань, миокард. Мезенхима- это совокупность полиморфных (разных формы и строения) клеток разного происхождения и с различной судьбой. Первоначально мезенхимные клетки имеют звездчатую форму и благодаря своим длинным тонким отросткам образуют сеть с широкими интерстициальными (межуточными) каналами, по которым осуществляется дососудистая циркуляция тканевой жидкости. Вскоре после образования мезенхима теряет сетевидную структуру и уплотняется в результате увеличения концентрации клеток за счет митозов и продолжающегося выселения мезенхимных клеток из зародышевых листков и их производных.

Эктодерма служит источником развития кожного эпителия (эпидермиса), волос, ногтей; сальных, потовых и молочных желез; части эпителия ротовой полости и прямой кишки, моче- и семявыносящих путей; эмали зубов. Нейроэктодерма образует нейроны и особую соединительную ткань (нейроглию), а также нейрогипофиз и эпифиз, хроматофинные клетки.

Энтодерма является источником развития части выстилки воздухопроводящих путей и легочной паренхимы, части выстилки ротовой полости, эпителиев глотки, пищевода, желудочно-кишечного тракта, печени, поджелудочной железы, щитовидной и паращитовидных желез.

Рис. 7. Последовательные стадии (А - Г) гаструляции амфибий на сагиттальных разрезах:

А, А" - бластула; Б, Б" - ранняя гаструла; В, В" - средняя гаструла; Г, Г" - поздняя гаструла. Изображения А"- Г" повернуты на 90° относительно А-Г. блц - бластоцель; блп - бластопор; гц- гастроцель; д.г. - дорсальная губа бластопора; в.г. - вентральная губа бластопора; ж.пр.- желточная пробка {по Балинскому)

Рис. 8. Составные процессы гаструляции у амфибий:

А- схематическое строение ранней гаструлы, сагиттальный срез; Б-Г - схемы процессов, протекающих в соответственных областях гаструлы; Б - встраивание друг между другом клеток глубинных слоев эктодермы анимальной области (движения светлых клеток, показанные стрелками); В - краннокаудальное растяжение и поперечное сжатие супрабластопоральной области в результате переупаковки клеток (одинаковые клетки помечены одинаковыми номерами); Г - процессы подворачивания и «рассыпания» клеточного пласта на отдельные слабо связанные клетки в дорсальной губе бластопора; кк - колбовидные клетки; 1 - клетки до подворачивания; 2 - клетки после подворачивания (по Келлеру)

Рис. 9. Схема преобразования неполяризованной эмбриональной клетки у амфибий (А) в поляризованную (Б). Поляризация сопровождается перемещением клеточного ядра (я), желточных гранул (жг), элементов цитоскелета - микротрубочек (мт). Возникают новые межклеточные контакты (мк), часто ассоциированные с пучками микрофиламент (мф). Устанавливается направленный транспорт эндоцитозных пузырьков внутри клетки (стрелки)

Рис. 10. Последовательные стадии (А-Д) гаструляции у амфибий, внешний вид: б.г - боковые губы; в.г-вентральная губа; д.г - дорсальная губа бластопора; ж.пр. - желточная пробка (по Балннскому)

Рис. 11. Схема перемещений клеток, происходящих при гаструляции у амфибий (no: Waddington С.Н., из Карлсон, 1983):

А, Б, В - последовательные стадии перемещения клеток в ходе гаструляции: 7 - эктодерма, 2 - материал будущей мезодермы. 3 - богатые желтком клетки энтодермы, 4 - клетки в составе эктодермы, образующие презумлтивную нервную пластинку, 5 - бластопор, 6 - материал хорды, 7 - энтодерма, 8 - кожная эктодерма, 9 - бластоцель, 10 - гастроцель, или первичная кишка, 1; - материал нейроэктодермы, 12 - дорсальная губа бластопора, 13 - вентральная губа бластопора, 14 – материал мезодермы

Рис. 12. Схема образования первичной полоски и иммиграции клеток:

А - вид сверху на зародышевый щиток (стрелки - перемещение клеток в краниокаудальном направлении); Б - вид сбоку; 7 - гензеновский узелок, 2 - первичная ямка, 3 - первичная бороздка, 4 - материал мезодермы в составе первичной полоски, 5 - мезодерма, 6 - энтодерма, 7 - прехордальная пластинка, 8 - хордальный отросток (стрелки - направления перемещения клеток)

По окончании периода дробления у многоклеточных животных начинается период образования зародышевых листков – гаструляция . Она связана с перемещением эмбрионального материала. Сначала образуется ранняя гаструла, имеющая 2 зародышевых листка (эктодерму и энтодерму), затем поздняя гаструла, когда формируется третий зародышевый листок – мезодерма. Образующийся зародыш называют гаструлой.

Образование ранней гаструлы может происходить несколькими способами: иммиграцией, инвагинацией, эпиболией или деляминацией (рис. 5).

При иммиграции (выселении) часть клеток бластодермы с поверхности зародыша уходит в бластоцель. Образуется наружный слой (эктодерма) и внутренний (энтодерма). Бластоцель заполнена клетками. Такой способ образования гаструлы характерен, например, для кишечнополостных.

Инвагинация (впячивание) наблюдается в случае целобластулы. При инвагинации определенный участок бластодермы (вегетативный полюс) прогибается внутрь и достигает анимального полюса. Образуется двуслойный зародыш – гаструла. Наружный слой клеток называют эктодермой, внутренний – энтодермой. Энтодерма выстилает полость первичной кишки – гастроцель. Отверстие, при помощи которого полость сообщается с внешней средой, называется первичным ртом – бластопором. По последующей судьбе бластопора всех животных разделяют на две большие группы: первично- и вторичноротых. К первичноротым относят животных, у которых бластопор остается постоянным или дефинитивным ртом у взрослой особи (черви, моллюски, членистоногие). У других животных (иглокожие, хордовые) бластопор или превращается в заднепроходное отверстие, или зарастает, а ротовое отверстие возникает заново на переднем конце тела зародыша. Таких животных называют вторичноротыми (хордовые).

Эпиболия (обрастание) характерна для животных, развивающихся из телолецитальных яиц. Образование гаструлы идет за счет быстрого деления микромеров, которыми обрастает вегетативный полюс.

Рис. 5. Типы гаструляции (Ю.П. Антипчук, 1983)

I – инвагинация; II – эпиболия, III – иммиграция, IV – деляминация.

Макромеры оказываются внутри зародыша. Образования бластопора не происходит, нет гастроцели. Такой способ гаструляции наблюдается у круглоротых и земноводных.

Деляминация (расслоение) встречается у организмов, бластула которых похожа на морулу. Клетки бластодермы делятся на наружный и внутренний слои. Наружный слой образует эктодерму, внутренний – энтодерму. Такой способ гаструляции наблюдается у многих беспозвоночных и высших позвоночных животных.

У человека гаструляция протекает в две фазы. Первая фаза (7-е сутки) происходит путем деляминации эмбриобласта. Образуются два листка: наружный - эпибласт и внутренний - гипобласт. Вторая стадия (14-15 сутки) происходит с образованием первичной полоски и первичного узелка путем перемещения, иммиграции клеточных масс.

У всех многоклеточных, кроме губок и кишечнополостных, образуется третий зародышевой листок – мезодерма . Он может формироваться четырьмя способами (рис. 6).

Телобластический - мезодерма образуется за счет нескольких крупных клеток на заднем конце зародыша - телобластов, которые располагаются между эктодермой и энтодермой. За счет расслоения клеток мезодермы образуется вторичная полость тела - целом. Такой способ образования мезодермы характерен для первичноротых животных.

Энтероцельный - мезодерма образуется из клеток энтодермы одновременно с формированием целома. Характерно для вторичноротых животных.

Эктодермальный - мезодерма образуется из части клеток эктодермы, которые размещаются между ней и энтодермой. Такой способ образования мезодермы характерен для пресмыкающихся, птиц, млекопитающих и человека.

Или гаструла (gaster – желудок). Процесс, который приводит к образованию гаструлы, называется гаструляцией . Характерной особенностью гаструляциеи эмбрионального развития является интенсивное перемещение клеток, в результате которого будущие зачатки тканей перемещаются в места, предназначенные для них в соответствии с планом структурной организации организма. В возникают клеточные слои, которые называются . Вначале образуется два зародышевых листка. Наружный из них получил название эктодермы (ectos – вне, derma – кожа), а внутренний – энтодермы (entos – внутри). У позвоночных животных в процессе гаструляции образуется и третий, средний зародышевый листок – мезодерма (mesos – средний). Мезодерма образуется всегда позже экто- и энтодермы, поэтому ее называют вторичным зародышевым листком, а экто- и энтодерму – первичными зародышевыми листками. Эти зародышевые листки вследствие дальнейшего развития дают начало эмбриональным зачаткам, из которых будут образовываться различные ткани и органы.

Типы гаструляции

При гаструляции продолжаются изменения, начавшиеся на стадии бластулы, и поэтому разным типам бластул соответствуют и различные типы гаструляции . Переход из бластулы в может осуществляться 4-мя основными способами: инвагинацией, иммиграцией, деляминацией и эпиболией.

Инвагинация или впячивание наблюдается в случае целобластулы. Это наиболее простой способ гаструляции, при котором вегетативная часть впячивается в бластоцель. Вначале появляется небольшое углубление в вегетативном полюсе бластулы. Затем клетки вегетативного полюса все больше и больше впячиваются в полость бластоцеля. В последующем эти клетки доходят до внутренней стороны анимального полюса. Первичная полость, бластоцель, при этом вытесняется и видна только с двух сторон гаструлы в местах изгиба клеток. Зародыш принимает куполообразную форму и становится двухслойным. Его стенка состоит из наружного листка – эктодермы и внутреннего – энтодермы. В результате гаструляции образуется новая полость – гастроцель или полость первичной кишки. Она сообщается с внешней средой с помощью кольцеобразного отверстия – бластопора или первичного рта. Края бластопора называются губами. Различают спинную, брюшную и две боковых губы бластопора.
По последующей судьбе бластопора всех животных разделяют на две большие группы: первично- и вторичноротых. К первичноротым относят животных, у которых бластопор остается постоянным или дефинитивным ртом у взрослой особи (черви, моллюски, членистоногие). У других животных (иглокожие, хордовые) бластопор или превращается в заднепроходное отверстие, или зарастает, а ротовое отверстие возникает заново на переднем конце тела зародыша. Таких животных называют вторичноротыми.

Иммиграция или вселение является наиболее примитивной формой гаструляции. При этом способе происходит перемещение отдельных клеток или группы клеток из бластодермы в бластоцель с образованием энтодермы. Если вселение клеток в бластоцель происходит лишь со стороны одного полюса бластулы, то такая иммиграция называется униполярной, а с различных участков бластулы – мультиполярной. Униполярная иммиграция свойственна некоторым гидроидным полипам, медузам и гидромедузам. В то время, как мультиполярная иммиграция является более редким явлением и наблюдается у некоторых гидромедуз. При иммиграции внутренний зародышевый листок – энтодерма может образовываться сразу в процессе проникновения клеток в полость бластоцеля. В других случаях клетки могут заполнять полость сплошной массой, а затем выстраиваться упорядоченно возле эктодермы и образовывать энтодерму. В последнем случае гастроцель появляется позднее.

Деляминация или расслаивание сводится к расщеплению стенки бластулы. Клетки, которые отделяются внутрь, образуют энтодерму, а наружные – эктодерму. Такой способ гаструляции наблюдается у многих беспозвоночных и высших позвоночных животных.

У некоторых животных в связи с увеличением количества желтка в яйцеклетке и уменьшением полости бластоцеля гаструляция только путем инвагинации становится невозможной. Тогда гаструляция происходит способом эпиболии или обрастания. Этот способ состоит в том, что мелкие анимальные клетки усиленно делятся и обрастают вокруг более крупных вегетативных. Мелкие клетки образуют эктодерму, а клетки вегетативного полюса формируют энтодерму. Такой способ наблюдается у круглоротых и .

Процесс и способы гаструляции

Однако, все описанные способы гаструляции редко встречаются отдельно, обычно они комбинируются. Например, вместе с обрастанием может происходить впячивание (земноводные). Расслаивание может наблюдаться вместе с инвагинацией и иммиграцией (рептилии, птицы и др.).
Следовательно, в процессе гаструляции часть клеток из наружного слоя бластулы перемещается внутрь. Это вызвано тем, что в процессе исторического развития одни клетки приспособились к развитию в непосредственной связи с внешней средой, а другие – внутри организма.
На причины гаструляции единого взгляда не существует. Согласно одним взглядам, гаструляция происходит благодаря неравномерному росту клеток в разных частях зародыша. Румблер (1902) объяснял процесс гаструляции изменением формы клеток внутри и снаружи бластулы. Он считал, что клетки имеют клиновидную форму, внутри бластулы шире, а снаружи уже. Существуют взгляды, что гаструляцию может вызывать резкая интенсивность поглощения воды отдельными клетками. Но наблюдения показывают, что эти различия очень невелики.

Гольтфретер (1943) считал, что анимальный полюс бластулы прикрыт тончайшей пленкой (coat) и поэтому клетки связаны в единую массу. Клетки вегетативного полюса не связаны между собой, имеют бутылковидную форму, удлиняются и втягиваются внутрь. В передвижении клеток может играть роль степень слипания и характер межклеточных пространств. Существует также мнение, что клетки могут передвигаться, благодаря их способности к амебоидному движению и фагоцитозу. Образование третьего зародышевого листка в процессе эмбрионального развития животных осуществляется четырьмя способами: телобластическим, энтероцельным, эктодермальным и смешанным.

У многих беспозвоночных животных (первичноротые) мезодерма образуется из двух клеток – телобластов. Эти клетки обособляются рано, еще на стадии . В процессе гаструляции телобласты располагаются на границе между экто- и энтодермой, начинают активно делиться и образующиеся при этом клетки врастают тяжами между наружным и внутренним листками, образуя мезодерму. Такой способ образования мезодермы называется телобластическим.

При энтероцельном способе мезодерма образуется в виде карманообразных выростов по бокам энтодермы после гаструляции. Эти выпячивания располагаются между экто- и энтодермой, образуя третий зародышевый листок. Такой способ образования мезодермы характерен для иглокожих, .

Фазы гаструляции у человека и птиц

У пресмыкающихся, птиц , млекопитающих и человека мезодерма образуется из эктодермы во время второй фазы гаструляции . В течение первой фазы образуется экто- и энтодерма путем деляминации. Во время второй фазы наблюдается иммиграция клеток эктодермы в пространство между экто- и энтодермой. Они и образуют третий зародышевый листок – мезодерму. Этот способ образования мезодермы называется эктодермальным.
У земноводных наблюдается смешанный или переходный способ образования мезодермы. У них мезодерма формируется в процессе гаструляции одновременно с экто- и энтодермой и в ее образовании принимают участие оба зародышевых листка.

Бластула

Бластула - однослойный зародыш. Она состоит из слоя клеток - бластодермы, ограничивающей полость - бластоцель. Бластула начинает формироваться на ранних этапах дробления благодаря расхождению бластомеров. Возникающая при этом полость заполняется жидкостью. Строение бластулы во многом зависит от типа дробления.

Целобластула (типичная бластула) образуется при равномерном дроблении. Имеет вид однослойного пузырька с большим бластоцелем (ланцетник).

Амфибластула образуется при дроблении телолецитальных яиц; бластодерма построена из бластомеров разного размера: микромеров на анимальном и макромеров на вегетативном полюсах. Бластоцель при этом смещается в сторону анимального полюса (земноводные).

Типы бластул: 1 - целобластула; 2 - амфибластула; 3 - дискобластула; 4 - бластоциста; 5 - эмбриобласт; 6 - трофобласт.

Дискобластула образуется при дискоидальном дроблении. Полость бластулы имеет вид узкой щели, находящейся под зародышевым диском (птицы).

Бластоциста представляет собой однослойный пузырек, заполненный жидкостью, в котором различают эмбриобласт (из него развивается зародыш) и трофобласт, обеспечивающий питание зародыша (млекопитающие).

Гаструла:
1 - эктодерма; 2 - энтодерма; 3 - бластопор; 4 - гастроцель.

После того как сформировалась бластула, начинается следующий этап эмбриогенеза - гаструляция (образование зародышевых листков). В результате гаструляции образуется двухслойный, а затем трехслойный зародыш (у большинства животных) - гаструла. Первоначально образуются наружный (эктодерма) и внутренний (энтодерма) слои. Позже между экто- и энтодермой закладывается третий зародышевый листок - мезодерма.

Зародышевые листки - отдельные пласты клеток, занимающие определенное положение в зародыше и дающие начало соответствующим органам и системам органов. Зародышевые листки возникают не только в результате перемещения клеточных масс, но и в результате дифференциации сходных между собой, сравнительно однородных клеток бластулы. В процессе гаструляции зародышевые листки занимают положение, соответствующее плану строения взрослого организма. Дифференциация - процесс появления и нарастания морфологических и функциональных различий между отдельными клетками и частями зародыша. В зависимости от типа бластулы и от особенностей перемещения клеток, различают следующие основные способы гаструляции: инвагинация, иммиграция, деламинация, эпиболия.

Типы гаструл: 1 - инвагинационная; 2 - эпиболическая; 3 - иммиграционная; 4 - деламинационная;
а - эктодерма; б - энтодерма; в - гастроцель.

При инвагинации один из участков бластодермы начинает впячиваться внутрь бластоцеля (у ланцетника). При этом бластоцель практически полностью вытесняется. Образуется двухслойный мешок, наружная стенка которого является первичной эктодермой, а внутренняя - первичной энтодермой, выстилающей полость первичной кишки, или гастроцель . Отверстие, при помощи которого полость сообщается с окружающей средой, называется бластопором , или первичным ртом . У представителей разных групп животных судьба бластопора различна. У первичноротых животных он превращается в ротовое отверстие. У вторичноротых бластопор зарастает, и на его месте нередко возникает анальное отверстие, а ротовое отверстие прорывается на противоположном полюсе (переднем конце тела).

Иммиграция - «выселение» части клеток бластодермы в полость бластоцеля (высшие позвоночные). Из этих клеток образуется энтодерма.

Деламинация встречается у животных, имеющих бластулу без бластоцеля (птицы). При таком способе гаструляции клеточные перемещения минимальны или совсем отсутствуют, так как происходит расслоение - наружные клетки бластулы преобразуются в эктодерму, а внутренние формируют энтодерму.

Эпиболия происходит, когда более мелкие бластомеры анимального полюса дробятся быстрее и обрастают более крупные бластомеры вегетативного полюса, образуя эктодерму (земноводные). Клетки вегетативного полюса дают начало внутреннему зародышевому листку - энтодерме.

Описанные способы гаструляции редко встречаются в чистом виде и обычно наблюдаются их сочетания (инвагинация с эпиболией у амфибий или деламинация с иммиграцией у иглокожих).

Чаще всего клеточный материал мезодермы входит в состав энтодермы. Он впячивается в бластоцель в виде карманообразных выростов, которые затем отшнуровываются. При образовании мезодермы происходит образование вторичной полости тела, или целома.

Процесс формирования органов в эмбриональном развитии называют органогенезом . В органогенезе можно выделить две фазы: нейруляция - образование комплекса осевых органов (нервная трубка, хорда, кишечная трубка и мезодерма сомитов), в который вовлекается почти весь зародыш, и построение остальных органов , приобретение различными участками тела типичной для них формы и черт внутренней организации, установление определенных пропорций (пространственно ограниченные процессы).

По теории зародышевых листков Карла Бэра , возникновение органов обусловлено преобразованием того или иного зародышевого листка - экто-, мезо- или энтодермы. Некоторые органы могут иметь смешанное происхождение, то есть они образованы при участии сразу нескольких зародышевых листков. Например, мускулатура пищеварительного тракта является производным мезодермы, а его внутренняя выстилка - производное энтодермы. Однако, несколько упрощая, происхождение основных органов и их систем все-таки можно связать с определенными зародышевыми листками. Зародыш на стадии нейруляции называется нейрулой . Материал, используемый на построение нервной системы у позвоночных животных, - нейроэктодерма , входит в состав дорсальной части эктодермы. Он располагается над зачатком хорды.

Нейрула:
1 - экто­дерма; 2 - хорда; 3 - вторич­ная полость тела; 4 - мезо­дерма; 5 - энто­дерма; 6 - кишеч­ная полость; 7 - нерв­ная трубка.

Сначала в области нейроэктодермы происходит уплощение клеточного пласта, что приводит к образованию нервной пластинки. Затем края нервной пластинки утолщаются и приподнимаются, образуя нервные валики. В центре пластинки за счет перемещения клеток по средней линии возникает нервный желобок, разделяющий зародыш на будущие правую и левую половины. Нервная пластинка начинает складываться по средней линии. Края ее соприкасаются, а затем смыкаются. В результате этих процессов возникает нервная трубка с полостью - невроцелем .

Смыкание валиков происходит сначала в средней, а затем в задней части нервного желобка. В последнюю очередь это происходит в головной части, которая по ширине превосходит другие. Передний расширенный отдел в дальнейшем образует головной мозг, остальная часть нервной трубки - спинной. В результате нервная пластинка превращается в нервную трубку, лежащую под эктодермой.

В ходе нейруляции часть клеток нервной пластинки не входит в состав нервной трубки. Они образуют ганглиозную пластинку, или нервный гребень, - скопление клеток вдоль нервной трубки. Позднее эти клетки мигрируют по всему зародышу, образуя клетки нервных узлов, мозгового вещества надпочечников, пигментные клетки и т.п.

Из материала эктодермы, помимо нервной трубки, развиваются эпидермис и его производные (перо, волосы, ногти, когти, кожные железы и т.д.), компоненты органов зрения, слуха, обоняния, эпителий ротовой полости, эмаль зубов.

Мезодермальные и энтодермальные органы формируются не после образования нервной трубки, а одновременно с ней. Вдоль боковых стенок первичной кишки путем выпячивания энтодермы образуются карманы, или складки. Участок энтодермы, расположенный между этими складками, утолщается, прогибается, сворачивается и отшнуровывается от основной массы энтодермы. Так появляется хорда . Возникшие карманообразные выпячивания энтодермы отшнуровываются от первичной кишки и превращаются в ряд сегментарно-расположенных замкнутых мешков, называемых также целомическими мешками. Их стенки образованы мезодермой, а полость внутри представляет собой вторичную полость тела (или целом ).

Из мезодермы развиваются все виды соединительной ткани, дерма, скелет, поперечно-полосатая и гладкая мускулатура, кровеносная и лимфатическая системы, половая система.

Из энтодермы развиваются эпителий кишечника и желудка, клетки печени, секретирующие клетки поджелудочной, кишечных и желудочных желез. Передний отдел эмбриональной кишки образует эпителий легких и воздухоносных путей, секретирующие отделы передней и средней доли гипофиза, щитовидной и паращитовидной желез.

Эмбриональная индукция:
1 - зачаток хордо­мезо­дермы; 2 - полость блас­тулы; 3 - индуци­рован­ная нерв­ная трубка; 4 - инду­цирован­ная хорда; 5 - первич­ная нерв­ная трубка; 6 - пер­вич­ная хорда; 7 - форми­рование вторич­ного заро­дыша, соеди­ненного с заро­дышем-хозя­ином.