7 Уровни регуляции и дифференцировки в развитии

Птицы, рептилии и млекопитающие относятся к группе амниот – животных, эмбриональное развитие которых протекает во внезародышевых оболочках. Всего внезародышевых оболочек (органов) четыре:

1) амнион;

2) хорион (сероза);

3) желточный мешок;

4) аллантоис.

Внезародышевые органы выполняют разные функции и различаются по тому, какие зародышевые листки участвуют в их формировании. Амнион и хорион образуются из слоя клеток, образованного эктодермой и париетальным листком латеральной мезодермы, называемым соматоплеврой. По своему происхождению амнион и хорион являются соматоплевральными внезародышевыми оболочками. Стенка желточного мешка и аллантоис образуются в результате разрастания слоя клеток, образованного энтодермой и висцеральным листком латеральной мезодермы – спланхноплеврой. По своему происхождению желточный мешок и аллантоис являются спланхноплевральными внезародышевыми органами.

Желточный мешок выполняет функцию органа питания. Висцеральный листок мезодермы, входящий в состав стенки желточного мешка, развивает мощную систему кровеносных сосудов и капилляров, по которой питательные вещества из желточного мешка переносятся в тело зародыша. Желточный мешок соединяется со средней кишкой зародыша тонкой трубкой – желточным стебельком, внутри которого находится желточный проток. Однако питательные вещества через желточный проток в тело зародыша не поступают. В утилизации желтка участвуют клетки стенки желточного мешка. Сначала энтодермальные клетки расщепляют белки желтка яйца до растворимых аминокислот, которые потом поступают в кровеносные сосуды мезодермы и с кровотоком переносятся в тело зародыша. Кроме того, желточный мешок является органом внезародышевого кроветворения. В мезодерме желточного мешка закладываются кровяные островки, которые дают первую генерацию клеток крови зародыша и являются источником стволовых кроветворных клеток. Последние мигрируют по внезародышевым кровеносным сосудам и заселяют кроветворные органы зародыша.

Амнион – внезародышевый орган, закладывается вместе с хорионом в виде складки на стенке желточного мешка в его головном отделе (головная амниотическая складка) в середине вторых суток инкубации. Он состоит из внезародышевой экгодермы и париетального листка внезародышевой мезодермы. Складка из этих листков в течение третьих суток инкубации нарастает на тело зародыша до уровня поворота и вдоль его тела.

На третьи сутки инкубации формируется хвостовая амниотическая складка, она начинает подниматься над хвостовой частью тела зародыша, достигая примерно уровня растущей хвостовой кишки.

К началу четвертых суток инкубации амниотические складки все больше нарастают над телом зародыша и покрывают его, образуя сначала заметной величины отверстие, а затем смыкаются, оставляя узкое воронкообразное отверстие – сероамниотический проток.

Таким образом, над телом зародыша создается полость, которая через сероамниотический проток заполняется жидкой фракцией белка из белковой (третичной) оболочки яйца. С этого времени зародыш оказывается погруженным в жидкую среду, соответствующую водной среде обитания низших позвоночных животных. Жидкость амниона примерно на 14-е сутки инкубации становится дополнительным к желтку источником питания цыпленка непосредственно через формирующийся рот и желудочно-кишечный тракт.

Аллантоис формируется как дивертикул задней кишки зародыша, разрастающийся в полость экзоцелома и вытесняющий его. У птиц аллантоис представляет собой большой мешок, в котором накапливаются и хранятся до вылупления цыпленка токсические продукты метаболизма зародыша. В основном это продукты азотистого обмена, накапливающиеся в виде солей мочевой кислоты.

Хорион (сероза) образует внешнюю внезародышевую оболочку эмбриона и выполняет защитную функцию. По мере разрастания аллантоиса висцеральная мезодерма, покрывающая его снаружи, прирастает к париетальной мезодерме хориона – формируется хориоаллантоис. В хориоаллантоисной оболочке из материала висцеральной мезодермы формируется большое число кровеносных сосудов, образующих густую капиллярную сеть. Она осуществляет газообмен, т. е. выполняет функцию дыхания зародыша. Хориоаллантоис обеспечивает также растворение кальция скорлупы, который необходим для остеогенеза, и его транспорт к зародышу.

Раннее развитие млекопитающих

Особенность эмбрионального развития млекопитающих состоит в том, что оно происходит в материнском организме и зависит от его внутренней среды. Внутренние органы половой системы самок млекопитающих состоят из двух яичников, двух яйцеводов (у человека их называют маточными, или фаллопиевыми, трубами) и матки, строение которой имеет видовую специфику. Яйцеводы представляют собой извитые полые трубки, соединенные с одной стороны с маткой, а с другой имеющие воронку, раскрытую в сторону яичника. Изнутри яйцеводы выстланы мерцательным эпителием, который создает ток жидкости в направлении от воронки яйцевода к матке. После овуляции яйцеклетка, окруженная фолликулярными клетками кумулюса, попадает в воронку яйцевода с током жидкости и оказывается в ампулярной части яйцевода, где и происходит оплодотворение. У большинства млекопитающих оно совершается на метафазе второго деления созревания. Исключение составляют лиса, собака и лошадь, у которых оплодотворение приходится на метафазу первого деления созревания. Размер доимплантационных эмбрионов млекопитающих составляет от 70 до 130–150 мкм.

Эмбрион млекопитающих от стадии зиготы и до стадии двухслойной бластоцисты свободно плавает в жидкости, которая заполняет полость яйцеводов и матки, и по мере развития спускается вниз по яйцеводу благодаря нисходящему току жидкости и перистальтическому сокращению мышечных клеток матки.

В период до начала имплантации эмбрион проходит ряд стадий развития:

1) дробление (2–16 бластомеров);

2) компактизацию (16–32 бластомеров);

3) кавитацию и формирование бластоцисты (64 бластомера).

Для плацентарных млекопитающих характерно полное (голобластическое) равномерное ротационное асинхронное дробление. Асинхронность проявляется начиная со второго деления дробления: первые два бластомера делятся не одновременно. Несмотря на это, клетки эмбрионов млекопитающих до стадии 8 бластомеров сохраняют тотипотентность, т. е. способность сформировать все органы и ткани организма. Если, например, эмбрион мыши на стадиях 2 или 4 бластомеров разделить на отдельные клетки, то из каждой может развиться нормальный эмбрион.

Другой особенностью млекопитающих является большая продолжительность первых клеточных циклов развития. Так, у мыши из 19 суток эмбрионального развития период дробления занимает 3 дня. Отсутствие характерных для дробления других животных укороченных клеточных циклов связано с тем, что у млекопитающих собственный геном активируется начиная со стадии двух бластомеров. Первой начинается транскрипция генов, которые кодируют белки теплового шока. Считается, что эти белки участвуют в активации генома зародыша. Далее включаются гены, кодирующие белки митотического веретена, а также гены, кодирующие ряд других белков, необходимых для клеточного деления, и гены некоторых ростовых факторов.

Со стадии 16 бластомеров эмбрион называют морулой. Вначале все клетки морулы имеют округлую форму и почти не связаны друг с другом. Такой эмбрион называют некомпактизированной морулой. На стадии 16–32 бластомеров происходит компактизация – процесс формирования специализированных контактов и более плотной упаковки клеток. Эмбрион на этой стадии состоит из двух клеточных субпопуляций с различной последующей судьбой: внутренних клеток и наружних клеток, контактирующих с внешней средой. В конце 16-клеточной стадии внешние бластомеры уплощаются и более тесно контактируют между собой. В начальный период компактизации этот процесс обратим: в среде, не содержащей Са, бластомеры снова приобретают округлую форму и эмбрион декомпактизируется. Это происходит потому, что ранний этап компактизации происходит за счет появления на поверхности бластомеров увоморулина – белка из семейства кадгеринов, кальцийзависимых молекул клеточной мембраны. Молекулы увоморулина соседних клеток связываются между собой и вызывают их компактизацию. В результате все молекулы увоморулина оказываются сконцентрированными на тех поверхностях клеток эмбриона, которые контактируют с соседними клетками. Позже между соседними клетками образуются щелевые контакты.

Увоморулин – трансмембранный белок, и его цитоплазматический участок связывается с кортикальными белками катенинами, медиаторами взаимодействия увоморулина с белками цитоскелетного комплекса. В результате происходит регионализация поверхностной мембраны внешних бластомеров на апикальный (внешний) и базолатеральный (внутренний) отделы, а на их границе формируются зоны плотных контактов. Одновременно во внешних бластомерах происходит перераспределение клеточных органелл: на внешней поверхности появляются микроворсинки, элементы комплекса Гольджи и митохондрии мигрируют в апикальную (внешнюю) часть клеток, а ядра смещаются в базальную (внутреннюю) часть цитоплазмы. На этой стадии в контактных зонах внешних клеток образуются десмосомы, во внешних бластомерах – система активного транспорта ионов, глюкозы и воды внутрь эмбриона, вода накапливается между клетками и образуется полость. Этот процесс называется кавитицией, а эмбрион на этой стадии развития у млекопитающих называют бластоцистой.

Бластоциста мыши на стадии 3,5 суток развития состоит из 60–70 клеток и представляет собой пузырек, состоящий из стенки (трофэктодермы), полости, заполненной жидкостью, и скопления клеток на одной из сторон внутренней поверхности трофэктодермы (внутренней клеточной массы). Клетки внутренней клеточной массы (их количество – 15–20) связаны между собой только щелевыми контактами.

У бластоциста на стадии 4,5 суток развития внутренняя клеточная масса разделяется на две клеточные линии. Клетки ВКМ, контактирующие с полостью бластоцеля, образуют гипобласт, или первичную энтодерму, а остальные становятся эпибластом, или первичной эктодермой. У эмбриона мыши из клеток трофэктодермы в дальнейшем образуются гигантские клетки трофобласта, а из гипобласта – часть внезародышевой энтодермы. Все остальные зародышевые и внезародышевые ткани эмбриона формируются из эпибласта.

На 5-е сутки развития бластоциста мыши выходит из прозрачной оболочки и имплантируется, погружаясь в глубокую маточную крипту областью бластоцеля вперед. Клетки трофэктодермы вступают в контакт с эпителием маточной крипты и начинают разрушать его, а в маточном эндометрии формируется ответ на инвазию эмбриона – децидуальная реакция.

Плаценты

Продолжением имплантации является процесс образования плаценты – плацентация. Плацента – провизорный орган, который формируется во время беременности, в ее построении участвуют как эмбриональные, так и материнские ткани. Через плаценту осуществляется связь зародыша с материнским организмом. Функции плаценты, обеспечивающие нормальное развитие зародыша, многообразны: трофика и газообмен, защитная, регуляторная, гормональная, антитоксическая и т. д. Основная функция плаценты заключается в передаче веществ, растворенных в крови матери, эмбриону и наоборот. Питательные вещества диффундируют из крови матери в кровь эмбриона, а конечные продукты обмена веществ плода диффундируют в кровь матери и выводятся ее выделительной системой. Через плаценту осуществляется газообмен: кислород поступает от матери к эмбриону, а углекислый газ – от эмбриона к матери. Кроме того, плаценты многих млекопитающих вырабатывают гормоны, которые способствуют сохранению беременности (у человека это хорионический гонадотропин). При рождении плода плацента отторгается.

У разных представителей плацентарных млекопитающих строение плаценты неодинаково. Иногда плаценты различных видов млекопитающих классифицируют по их анатомическому строению. При этом учитывается форма плаценты и расположение на ней ворсин хориона. По этим признакам выделяют четыре типа плацент (классификация по О. Гертвигу):

1) диффузная плацента, для которой характерно образование ворсин по всей поверхности хориона;

2) множественная плацента – хориальные ворсины представлены группами, границами между ними являются участки гладкого хориона;

3) зонарная плацента – ворсины хориона располагаются, как бы опоясывая плод;

4) дискоидальная плацента – хориальные ворсины сконцентрированы в одном участке хориона; характерна для грызунов, приматов и человека.

Однако чаще при классификации плацент используют другой подход – гистологический. В основу его положена степень сближения хориона с материнским кровеносным руслом. Кровоток плода и кровоток матери никогда не смешиваются: их разделяет несколько слоев эмбриональной и материнской ткани, которые образуют так называемый гемоплацентарный барьер. Он обеспечивает селективный обмен растворенными веществами между системами кровообращения материнского организма и плода, используя гистологический подход. Плаценты разных видов млекопитающих подразделяют на четыре типа, в зависимости от количества слоев, разделяющих кровоток матери и плода:

1) эпителиохориальные плаценты – материнские ткани не разрушаются, а ворсины хориона только прилегают к углублениям слизистой оболочки матки (свиньи, лошади и др.);

2) синдесмохориальные плаценты – ворсины хориона разрушают эпителий матки и вторгаются в соединительную ткань слизистой оболочки матки (жвачные животные) ;

3) эндотелиохориальные плаценты – ворсины контактируют с эндотелием кровеносных сосудов слизистой матки (хищники);

4) гемохориальные плаценты – ворсины хориона соприкасаются непосредственно с материнской кровью; разветвленная сеть ворсин расположена в межворсинчатых пространствах, заполненных несвертывающейся кровью матери, т. е. осуществляется наиболее совершенный контакт между плодом и материнским организмом (грызуны, насекомоядные, обезьяны и человек).

В плацентах второго-четвертого типов клетки трофобласта вырабатывают протеолитические ферменты, которые разрушают прилежащие маточные ткани. Глубина проникновения клеток трофобласта в глубь материнских тканей зависит от митотической активности и протеолитической активности клеток трофобласта, а также от их способности мигрировать в глубь материнских тканей на ранних этапах формирования плаценты.

Клетки трофобласта вырабатывают сходные с пепсином гликопротеины, характерные для беременности (PAG – pregnancy-associated glycoproteins). Так, например, у жвачных в клетках трофобласта экспрессируется около 100 генов, кодирующих белки этой группы, и в результате экзоцитоза везикул, содержащих PAG. По крайней мере часть этих молекул имеет высокую протеиназную активность и разрушает окружающие материнские клетки, а другая часть выполняет барьерную функцию, связывая белки, выделяемые материнскими клетками. Белки группы PAG вырабатываются и в трофобласте эпителиохориальной плаценты свиньи, но, по-видимому, они не экзоцитируются в количестве, достаточном для разрушения окружающих материнских тканей. В случае синдесмохориальных плацент (жвачные) клетки трофобласта не проходят глубоко в материнские ткани, так как довольно быстро устанавливают специализированные плотные контакты с окружающими материнскими клетками и теряют мобильность. Клетки трофобласта, которые мигрируют в материнские ткани, являются двух- и трехъядерными, но формирование единого слоя синцитиотрофобласта, как в случае гемохориальной плаценты человека, не происходит.

В случае гемохориальных плацент у приматов и человека слой синцитиотрофобласта, обладающий высокой протеолитической и фагоцитарной активностью, разрушает не только маточный эндотелий и лежащую под ним децидуальную ткань, но и стенки кровеносных сосудов, которыми пронизан эндометрий.

В гемохориальных плацентах грызунов синцитий не формируется и все клетки трофобласта сохраняют свою индивидуальность, но для них также характерны высокий уровень протеолитической и фагоцитарной активности, а на начальных этапах формирования плаценты – активная миграция в глубь материнских тканей. В результате в обоих случаях кровь матери контактирует непосредственно с поверхностью хориона и от кровотока эмбриона ее отделяют только эмбриональные ткани. По степени повреждения материнских тканей при родах все типы плацент подразделяют на отпадающие (или децидуальные) и неотпадающие.

Для свиней, лошадей, верблюдов, многих жвачных животных, лемуров и некоторых других видов плацентарных млекопитающих характерна неотпадающая плацента, состоящая только из плодных тканей. При родах ворсины хориона выходят из углублений в слизистой оболочке матки, не повреждая ее, без кровотечения.

Для хищных, грызунов, насекомоядных, рукокрылых, приматов и человека характерны плаценты отпадающего (децидуального) типа. В состав такой плаценты входят как плодные, так и материнские ткани. При родах происходит так называемое отторжение плаценты – вместе с ворсинами хориона отторгается и часть слизистой оболочки матки, что вызывает довольно значительное кровотечение.

В случаях формирования децидуальной плаценты маточный эндометрий реагирует на имплантацию эмбриона – в нем развивается децидуальная реакция. Клетки эндометрия, расположенные вокруг места имплантации, начинают активно делиться. Позднее плоидность децидуальных клеток увеличивается (например, у крыс – до 64 ⁰С) и они приобретают способность к фагоцитозу. На ранних этапах имплантации децидуальная ткань противостоит инвазивной активности клеток трофобласта, а в процессе плацентации часть ее входит в состав плаценты.

Метаморфоз

Метаморфоз (от греч. metamorphosis – превращение). У животных метаморфоз или метаболия – это глубокое преобразование строения организма, в процессе которого личинка превращается во взрослую особь. Метаморфоз свойствен большинству групп беспозвоночных и некоторым позвоночным – миногам, ряду рыб (например, двоякодышащим), земноводным. Метамофоз связан обычно с резкой сменой образа жизни животного в онтогенезе, например с переходом свободноплавающего к прикреплённному образу жизни, от водного – к наземному или от скрытого в субстрате к крытому воздушному и т. п. В жизненном цикле животных, развивающихся метоморфозом, бывает хотя бы одна личиночная стадия, в крой организм существенно отличается от взрослого животного. При развитии с метаморфозом животные на тех или других гадиях онтогенеза выполняют разные функции, способствующие сохранению и процветанию вида. Для низших прикреплённых беспозвоночных (губки, кишечнополостные – характерен метаморфоз, при котором свободноплавающие личинки (амфибластула, планула) выполняют функцию расселения вида. Часто такой метаморфоз осложняется чередованием поколений (фаз развития), размножающихся бесполым или половым путём. При метаморфозе без чередования поколении из яйца выходит личинка, выполняющая функцию расселения вида (например, трохофора). Своеобразен некротический метаморфоз у немертин, у которых внутри личинки развивается будущая взрослая особь, при этом основная масса тела личинки отмирает. Переход морских организмов к жизни в пресной воде и на суше вызывает утрату личиночных стадий развития. Случаи метаморфоза как, например, у виноградной улитки, которая личиночную стадию, напоминающую велигер морских форм, проходит в яйце, называется криптометаболией. У многих многоножек и бессяжковых насекомых изменения связаны лишь с увеличением числа сегментов тела и члеников усиков – анаморфоз. Для большинства аптеригот и ряда многоножек характерно развитие без существенных изменений – прото метаболия (эпиморфоз). Развитие крыльев у насекомых привело к изменениям онтогенеза. Если образ жизни ранних стадий и имаго сходен, личинка (нимфа) похожа на взрослое насекомое и изменения организации сопровождаются в осн. постепенным ростом зачатков крыльев, то говорят о неполном превращен и и, или теми метаболии (свойственно таким отрядам насекомых, как подёнки, стрекозы, таракановые, богомоловые, термиты, прямокрылые, равнокрылые, полужесткокрылые). Если в онтогенезе происходит резкое разделение основных функций (питание в стадии личинки, расселение и размножение во взрослой стадии), то говорят о полном превращении, или голометаболизм (свойственно жесткокрылым, чешуекрылым, черепончатокрылым, двукрылым и некоторым другим отрядам насекомых). В этом случае червеобразная личинка обычно не похожа на взрослое насекомое и переход личинки во взрослую форму осуществляется на стадии куколки. Среди позвоночных метаморфоз резко проявляется у миног, личинка которых – пескоройка – живёт в грунте, а взрослые особи – полупаразиты рыб; у земноводных из яйца выходит личинка – головастик, по мере метаморфоза личиночные органы утрачиваются и появляются органы взрослого животного. Регуляция метаморфоза осуществляется гормонами.

У растений метаморфоз видоизменения основных органов, происходящие в онтогенезе и связанные со сменой выполняемых ими функций или условий функционирования. Истинный метаморфоз – превращение одного органа в другой со сменой формы и функции – происходит у многих травянистых растений (постепенное отмирание надземного побега и переход в корневище, луковицу, клубнелуковицу на время неблагоприятного периода). В большинстве же случае метаморфозу подвергаются не взрослые органы, а их зачатки, например, при превращении части побегов и листьев в колючки, усики. Детерминация зачатка органа, определяющая его окончательный облик и происходящая на разных этапах его развития, связана с накоплением определённых физиологически активных веществ и зависит от ряда внешних и внутренних факторов.

Контрольные вопросы

1. Какие внезародышевые оболочки существуют? Дайте определение каждому виду внедародышевой оболочки.

2. В период до начала имплантации эмбрион проходит ряд стадий развития. Какие это стадии? Опишите каждую стадию.

3. На какие четыре типа подразделяются плаценты согласно классификации О. Гертвига?

4. Дайте определение понятию метаморфоз.