ББК
28.63
Г!
.
Рецензенты:
.
Кафедра генетики и цитологии Харьковского государственного’
университета
им. А. М.
Горького
(зав.
кафедрой
проф.
В. Г. Шахбазов) и д-р. биол. наук О. Г. Строева (Институт
биологии развития им. Н. К. Кольцова)
..
`
“.
к
|
Г13
у
у
|
#
х
|
:
=”
Газарян К. Г., Белоусов Л. В.
Биология индивидуального развития животных:
Учебник для биол. спец. вузов.М.: Высш. шк.,
1983.— 287 с., ил.
В пер.:
Гр.
.
Учебник
содержит
основы
современных
знаний
©
закономерностях
индивидуального
развития
Животных.
В
нем
систематически
изложены
цито(гисто) морфологические,
биохимические
и
молекудярно-генетические
аспекты
индивидуального
развития
животных.
Рассмотрены
ме-
ханизмы
индукционных,
в
диффереицировочных,
цессов,
лежащих
области
медицины
и
методов
биологии
индивидуального
2005000000—307 83-8
г—
001(01)—83
основе
развития,
сельского’
-
3
©
а
также
хозяйства,
решаемые
развития
°
морфогенетических
прикладные
с
про-
проблемы
в
использованием
ББК 28.63
)
59
Издательство «Высшая школа», 1983
|
и
.
<
ПРЕДИСЛОВИЕ
$.
—
-
Биология индивидуального развития
— область науки, изучающая закономерности онтогенетического развития организмов. Она сформировалась в последние десятилетия на основе
достижений экспериментальной эмбриологии, молекулярной биологии, генетики, цитологин.
`
Задача биологии индивидуального развития
— исследоваиие
макро- и микроморфологических, физиолого-биохимических, молекулярных и генетическнх процессов, протекающих в развивающейся особи, выяснение факторов и механизмов, управляющих процессами развития на всех этапах онтогенеза животных,
растительных организмов, а также одноклеточных форм. Столь
широкий охват обусловлен распространенностью элементарных
и общих закономерностей процессов развнтия в живой природе.
Начало разработки проблем, которыми сегодня занимается
биология индивидуального развития, восходит к 70—80-м годам прошлого столетия, когда на основе успехов сравнительной
и эволюционной эмбриологии зародились методология и основиые
тендеиции
аналитической
и
экспериментальной
эмбриоло-
гни, сформировались первые концепции о цитоэмбрнологнческих
механизмах наследственности. В иачале века был создан фуидамент всех тех областей эмбриологии, цитологии, генетики,
биохимии, которые в последующем легли в основу биологии
индивидуального развития. Бурный прогресс молекулярной биологин создал условия для дальнейшего их объединения, открыв
доступ к пониманию наиболее тонких молекулярных механизмов
эмбрио-цито-генетических
аспектов
процесса
развития.
В настоящее время знания в этой области продолжают углубляться и расширяться. Это создает трудности в однозначном и
четком определении целей, методов и объектов биологни индивидуального развития. Их преодоление связано с дальнейшей
разработкой проблем, относящихся к этой области, с учетом
особенностей ипдивидуального развития организмов, отличающихся уровнем организации.
Настоящее издание
— первый в нашей стране учебник по
биологии индивидуального развития животных, в основу которого положен
курс, чнтаемый
для
студентов
биологического факультета Московского государственного университета
им. М. В. Ломоносова. За основу изложения авторы взяли структуру, типичную для учебников и руководств по общей эмбриологии животных, описывая последовательные стадии индивидуального развития главным образом позвоночных животных с
позиций
современной
описательной
и экспериментальной эмбрио-
логии. В то же время от существующих учебников по эмбриологин иастоящее издание отличается более широким охватом
.
3
[4
‚ проблем
экспериментальной
достижений
Поскольку
лярной
студенты
биологией,
этим вопросам.
Задача
эмбриологии,
молекулярной
биологии,
еще
в начале
решаемых
цитологии
недостаточно
кииги
учебннка
— помочь
дается
студентам
на осиове
и генетики.
знакомы
раздел,
с молеку-
посвяшенный
приобрести
фунда-
ментальные знания о закономерностях индивидуального развитня животных в тесной связи с их историческим развитием,
определить место этой области науки среди других биологических дисциплин, раскрыть ее методологию и роль в познавательном, идейном и прнкладном отношениях. Для рассматриваемой
области
биологии
характерен
синтетический
подход
К
изучению процессов развития, так как ее цель — познаиие закономерностей этих процессов применительно к целостной живой
системе, создание единой концелции онтогеиеза и разработка
способов управления им. Управление онтогенезом
— необходимое условие для решения многих актуальных задач медицины
. И сельского хозяйства, прежде всего животноводства. Биология
индивндуального развития животиых призвана внести весомый
вклад в реализацию задач Продовольственной программы по
резкой интенсификации работ, направленных на выведение иовых, ценных для животноводства пород сельскохозяйственных
животных и их ускоренное воспроизводство. В последние годы
в этой
области
биологии
созданы
фундаментальные
и техниче-
ские предпосылки для решения таких сложных и актуальиых
народнохозяйственных задач. На основе достижений экспериментальной эмбриологии, а также клеточной и генной инженерни разрабатываются методы манипулирования с яйцеклетками, эмбрионами сельскохозяйственных животных и их наследственным аппаратом с целью направленного вмешательства в
процессы их воспроизводства и в их наследственность. Состояние и перспективы решения этих прикладных задач специально
рассматриваются в заключительном разделе учебника. Успешиая
реализация этих перспектнвных возможностей требует подготовки специалистов, способных проводить исследования на стыке эмбриологии, генетики, цитологии, молекулярной бнологии.
Авторы сознают, что первый учебник по биологии индивиду-
ального
развития не лишен
недостатков, и будут признательны
всем, кто пришлет свои замечания. Одновременно они выражают .
сердечную признательность тем, кто уже оказал неоценимую помощь при подготовке данного Издания: сотрудникам Института
биологии развития им. Н. К. Кольцова О. Г. Строевой, Л. В. Даниловой, В. И. Каиторовой, Т. Б. Айзенштадт, сотрудийкам кафедры эмбриологии Московского университета Д. А. Потемкиной, Н. В. Дабагяи, Н. Ю. Сахаровой, М. В. Чунаевой, Л. В. Шилейко, В. Н. Мещерякову, а также заведующему кафедрой
генетики и цитологии Харьковского университета В. Г. Шахба-
зову.
.
Авторы
. %
ГЛАВА1
ИСТОКИ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ
СТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИИ
ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
гических
дисциплин
—
эмбриологии,
гспетики,
цитологии,
ыы.
Биология индивидуального развития
— это область, формирующаяся в последние десятилетия путсм синтеза ряда биолобио-
химии и физико-химических направлений бнологии (молекулярная бнология, биоорганическая химия, биофизика). Процесс синтеза
этих
достижений
должается,
и
пока
в
рамках
существует
биологии
много
развития
неясного
в
еще
вопросах
проо
роли
и вкладе той или нной дисциплины, их взаимоотношениях. Возникает, в частности, вопрос, имеется ли у такой широкой по
профилю, многоплановой области науки единая методология и
едииство
в
понимапии
целей
и
задач,
необходимых
для
любой
научной дисциплины. Дискуссии по поводу этих вопросов будут
продолжаться до тех пор, пока в рамках этой области продолЖается
объединение
методов
и знаний
разиообразных
диениллия
вокруг общей задачи— познания фундаментальных принципов и
механизмов индивидуального
развития живых
существ всех
уровней
организации
управления
и
разработка
воспроизводством
и
на
этой
основе
онтогенетическим
методов
развитием,
Как сориентироваться в современиой бнологии индивидуальиого развития, в ее методологни, как определить будущее этой
науки,
выделнть
главные
ее теиденции?
Понять
будущее
науки
помогает анализ прошлого, в данном случае
— история становления биологии индивидуального развития, выявление ее истоков,
роли
основные
и
вклада
в
нее
цели и задачи
протяжении
отдельных
дисциплин.
Методология,
биологии индивидуального
длительного
времени
развития
формировались
на
главным
образом в области эмбриологии с ее многовековой нсторией
борьбы, которую вели сторонники прогрессивной паучной мысли.
В современную эпоху эмбриология также остается осповой биологии развития, потому что ей в наибольшей мере свойственны
синтетический
подход,
попимание
значения
категорий
целост-
ности в иидивидуальном развитии. Таким образом, эмбриология,
вложив в биологию индивидуального развития основные методологические
принципы
и объединяя
вокруг
себя
аналитические
. науки, направляет их достижения на решение главной задачи —
раскрытне
закономерностей
индивидуального
развития
целост-
ной живой системы. Остановнмся на некоторых этапах истории
эмбриологии.
Эмбриология
— одна из наиболее древних наук. На протяжении длительной истории эта наука, олицетворяя глубокий
интерес
человека к тайнам зарождения живых существ, впитывала научно-технические и идейно-философские достижения,
способствовала формированию научной ндеологии.
.
.
.’
5
Вопросы зарождения и развития новых особей были предметом миогочисленных религиозных легенд и мифов. Не остайавливаясь на этих моментах предыстории, а также на сведениях
© примитивных эмбриологических представлениях в Египте и
Древнем Востоке, обратимся к Древией Греции
— стране, где
впервые в истории человечества началась осозианная работа
над теоретико-философскими
Древнегреческому
377
г.
до
н.
э.)
основами
врачу
и
приписывают
наук.
философу
сборник,
Гиппократу
в
котором
(460—
содержатся
первые научные высказывания о развития эмбрионов и факторах формообразования. В своих воззрениях Гиппократ осиовывался на предположении, что зародьши строится под действием
«внутреннего огня»: части, более податливые огню, выгорают и на
их месте образуются полости, другие — лишь ссыхаются и уплотняются и из них получаются стенки полостей. В результате вознлкают, папример, органы пищеварительного тракта. По мнению Гиппократа, явления органического развития вполне можно объяснить свойствами иеорганической материи. Кроме того,
в их основе заложены принципы, которые позже сталн характерны для концепций преформизма. Отличительная черта преформационных
концепций
— признание
существования
изиачальных различий между частями зародыша (у Гиппократа—
различия
частей»
в
«податливости»
(дифференцировка)
к
огню}
и
мнение,
происходит
лишь
что
«отделение
в некоторый
иа-
чальный момент развития, а в дальнейшем разделившиеся части только растут,
Во многом своеобразными были взгляды одного из величайщих мыслителей древности, основоположиика естественных наук
Арнстотеля (384—322 до н. э.}. Эмбриологические факты, которыми располагал Аристотель, и его воззрения на развитие жизни подробно изложены в сочинении «О возникновении животных». Аристотель знал о развитии куриного зародыша уже почти все, что можно увидеть без специальной обработки и неводруженным глазом. Он имел немалые сведения по анатомии и физиологии организмов. Однако огромное влияние Аристотеля на
последующую науку связано не столько с его фактическими
иаблюдениями, сколько с теоретико-философскими представлениями. Аристотель счел недостаточными для объяснения развития те, по современной терминологии, «механистические» причины, к которым сводил развитие Гнппократ. По Аристотелю, все
природные явления определяются пе только иаличием нужного
«неоформленного» материала («материальная причина») и начальным толчком («действующая причина»), но также «формальной
(финальной)
причиной»
развития.
Последняя
есть
«цель» даниого процесса, та форма, к которой этот процесс
стремится.
В противоположность Гиппократу Аристотель считал (и ар`гументировал конкретными примерами), что органы возникают
не все сразу, а постепенно, один вслед за другнм из бесструктур6
р
иой вначале массы. Такое представление сделало Аристотеля
осиователем эпигенеза
— противоположного
преформизму учения о постеленном развитии, связанном с усложнением организаЦИИ,
Первые после античной эпохи систематические наблюдения
за развитием зародыша цыпленка относятся, по-видимому, к
концу ХУТ в. и прииадлежат итальянскому натуралисту У. Альдрованди
(1522—1605).
Вслед
за ним
еще
более
подробные
опи-
сания дали его ученик В. Койтер (1534—1576) н Д. Фабриций
{1533—1619). Последиий описал и изобразил зародышей многих позвоночных, но его работы имели скорее анатомический
характер н не давали представлений о последовательном ходе
развития.
Огромное
бнологии,
значение
сыграло
для
появление
развнтия
эмбриологии,
в начале ХУП
как
в. первых
и
всей
микро-
скопов. С необозримым миром микроскопических объектов, открывшимся исследователям, знакомились бессистемно. Из числа первых исследователей, применивших микроскоп, были голландцы А. Левеигук (1632—1723) и Я. Сваммердам
(1637—
1680), итальянец М. Мальпиги (1628—1694). Одно из важнейших открытий в эмбриологии
— обнаружение Левенгуком сперматозоидов в 1677 г. Этот же исследователь изучал партеногенез у тлей. Сваммердаму принадлежат первые работы по метаморфозу насекомых, а Мальпиги
— по многим вопросам микроскопической анатомии, а также органогенезу зародыша курнцы.
Быстрое
накопление
фактического
материала
оживило
и
теоретические аспекты эмбриологии; возникло стремление осмыслить полученные факты. С этого времени и на протяжении
более
двухсот
лет
теоретическая
работа
в эмбриологии
концен-
трировалась вокруг борьбы двух зародившихся еще в античные времена основных идейных течений
— преформизма и эпигенеза.
Если представить себе изумление первооткрывателей микромира, увидевыгих множество тончайших структур там, где невооруженный глаз ничего не различал, а также если учесть специфику развития наиболее доступиых для них объектов
— метаморфизирующих насекомых, нетрудно понять, почему в этот
период, несмотря на огромный по тому времени технический
прогресс, предпочтенне отдавалось не эпигенезу, а преформизму.
Действительно, основной тезис древних эпигенетиков о том, что
наиболее ранние зачатки зародыша бесструктурны, легко опровергался данными микроскопии, которые свидетельствовали о
существовании микроструктуры в ранних зачатках. В особеино
яркой форме детальные микроструктуры,
предвосхищающие
организацию взрослых особей, обнаруживались в личинках и
куколках насекомых, в бутонах растений. Широкое распростраиение получил рисунок, изображающнй внутри сперматозоида
готового «человечка» (рис. 1). Первоначально считалось, что
авторы рисуика действительно видели в сперматозоиде «чело=.
.
7
вечка» со всеми органами, позже возникло мнение о чисто символическом характере таких изображений. Но эти различия не
так существенны. Сторонников мнения, что все детали строения
предшествуют и предраспределены в сперматозоиде, стали на-
взывать преформистами-авималькулнстами
матозоид).
Были
(апипасиНии — спер-
и преформисты-овисты, считавшие, что организация будущей особи полностью представлена в яйце. Поводом к этому послужило открытие партеногснеза.
Итак, преформизм ХУП в.— это учение, возникшее
в основном
благодаря
не-
обоснованной экстраполяции только что
полученных микроскопических данных и
утверждающее, что все детали строания
будущего
организма
предшествуют
и
предраспределеиы с самого начала развития в том же пространственном порядке, в каком они расположены у взрослого
животного. Преформисты не допускали
новообразование частей, а лищь их рост.
Если быть последовательным преформистом, необходимо допустить, что в яй-
Рис. 1. Фантастические
изображения сперматозо.
це или сперматозоиле заготовлена структура организма не только ближайшего,
но и всех последующих
(потенциально
бесконечного числа} поколений, Но такое
ДОПущение не казалось
преформистам
абсурдным. Оно было высказано в виде
‘илов человека
широко
стами
преформи-
распространенной
«гипотезы
вло-
- анималькулиста(по
Дж.
Нидхему,
1947)
кения», согласно которой тела потомков
ми
р
действительно
вложены друг в друга,
как матрешки. Некоторые только что открытые явления, например личиночное
размножение у тлей (в теле личинки обнаруживали зародыша
булушего поколения), рассматривались как прямое подтверждение этой
гипотезы.
Сторонциком
гипотезы
вложения
был,
в част-
ности, исмецкий философ и математик Г. Лейбниц.
Решительный
поворот
в
эмбриологии
был
осуществлен
в
1759 г. петербургским академиком Каспаром Фридрихом Вольфом (1734—1794). В этом году Вольф представил сво1о диссертацию под названием «Теория зарождения».
В те времена господствовало мнение физиолога и анатома
А. Галлера о том, что трубчатые и мешкоподобные структуры
зародыша (например, его кишечник) с самого начала имеют такую же форму, но это трудно заметить из-за тонкости стенок и
их плотного слипапия. Позже происходит их простое раздувание.
Такое толкование строго соответствовало преформационной теорин.
Вольф
8
устаповил
совершенно
|
иное,
Кишечник,
а
также
«
за-
чаток нервпой системы сначала представляют собой пласты, которые лишь позже скручиваются в трубки. В ходе развития образуются новые формы. По сути дела Вольф открыл формообразование и тем
мый аргумент
самым дал первый позитивный и
в пользу эпигенеза. Судьба этих,
ипеопровержиказалось бы,
столь ясных работ была трудной. Под давлением господствующих авторитетов выводы Вольфа отнергались, и его работы
были на некоторое время забыты.
Надо сказать, что еще при жизни Вольфа с весьма остроумными доводами в пользу эпигенеза выступил пемецкий профессор И. Ф. Блюменбах (1752—1840). Он впервые указал на
несовместимость с преформизмом всевозможных случайных новообразований (например, галлы у растений) или регенерации
гидры
из
любого,
произвольно
выбранного
участка
тела.
О большой его наблюдательностн и прозорливости свидетельствует то, что он обнаружил регуляции формы организма, не
связанные с его ростом. Так, целая гидра восстанавливастся из
своей продольной половинкн простым схождением краев разреза, тогда как, по убеждениям преформистов, такой процесс
должен
быть
обязательно
связаи
с ростом.
Таким
образом,
для
Блюменбаха, как и для Вольфа, одним из основных
против преформизма было обнаружение «чистого»,
аргументов
не связан-
ного
эти
с ростом
формообразования.
Но
несмотря
на
единич-
ные догадки уровень естественных наук не позволял еще обрести им прочиую основу. Дальнейший прогресс в эмбриологии
позвопочных связан с именами М. Ратке (1793—1860), Х. Пандера (1794—1865) и К. Бэра (1792—1876). Пандер в 1817 г. впервые
описал зародышевые листки. Он нашел, что зародыш ныпленка на
определенной стадии состоит из трех пластов: наружного— серозиого, самого глубокого
— слизистого и промежуточного
— кровяиого. К. Бэр распространнл этот структурный принцип на всех
позвоночных, обнаружив такие же листки в развитии рыб, лягушки и черепахи. Однако у зародышей птиц он насчитывал четыре листка, считая за отдельный листок каждый из двух слоев,
на которые в ходе развития расслаивается мезодерма. Таким
образом, Бэр установил едннство плана строения зародышей
разных классов позвоночных. Это привело его к важнейшему
обобъению
— «закону зародьиневого сходства». Бэр утверждал,
что зародыши разиых вндов, относящихся к одному типу, более сходны между собой, нежели взрослые формы, и что их видовые различия в ходе развития постепенно нарастают. Иными словами, сиачала в развитии проявляются черты типа, потом класса и т. д.
Бэр
— автор многих важнейших открытий. Он впервые правильно описал яйцо млекопитающих и человека (1827) и хорду зародышей позвоночных.
В споре преформистов с эпигенетиками Бэр занимал осторожную промежуточную позицию. Всецело соглашаясь с фак- `
тическими выводами Вольфа, он выступал против утверждений
о полной «бесструктурниости» ранних закладок. Бэр подчеркивал преемствеиность каждого этапа развития
—— от более простого к более сложному. По его словам, развитие есть ие предобразование,
ие новообразование,
а преобразование.
Такая
точка зрения полностью подтверждена последующим ходом развития науки,
Следующий важнейший
идейный перелом в эмбриологии,
как и вообще в биологии, связан с выходом в свет в 1859 г.
«Происхождения видов» Ч. Дарвина. Дарвинизм прежде всего
подрывал главную опору телеологического мировоззрения, указывая на относительность органической целесообразности и на
возможность достижения ее методом «проб и ошибок» (теория
естествениого отбора). Именно это произвело наибольшее впечатление иа современников. Но не только этим своим аспектом
дарвинизм повлиял на развитие эмбриологии. Наряду с палеонтологией и сравнительной анатомией Дарвии обращался к
эмбриологии в поисках
подтверждения
своей
эволюциоиной
теории. По его словам, «..в высшей степени вероятно, что зародышевые или личиночные стадии многих животных более или
менее ясно указывают иа строение прародителя всей группы в
его взрослом состоянии»,
Таким образом, Дарвин предлагал эволюционное истолкование закона
Бэра.
В более категоричной
форме
это же положение
было выражено в биогенетическом законе Э. Геккеля
1919): «онтогеиез есть краткое повторение филогенеза».
Гипотеза
Дарвина
оказалась
мощным
стимулом
(1834—
к
эмбри-
ологическим исследованиям. На основе эволюционной теории
ученые разных стран за считаниые годы выяснили развитие обширных, ранее совершенно
не изученных групп организмов.
Среди них первыми были русские эмбриологи А. О. Ковалевский
(1840—1901) и И. И. Мечников (1845—1916). Особое ‘значение
имели работы Ковалевского по развитию ланцетника и асцидий,
в которых были продемонстрированы сходные черты в развитии позвоиочных и беспозвоночных животных. Эти исследовання способствовали укреплению взглядов на эволюцию как на
сквозной монофилетический процесс. А. О. Ковалевский
— один
из основоположииков теории зародышевых листков.
В 70— 80-е годы ХХ в. зародилось новое направление эмбриологии, явившееся до некоторой степени реакцией на господство
филогенетических принципов. В противоположность Геккелю
его создатели подчеркивали необходимость изучения непосредственных причин развития с применением специальных экспериментов. Началось формирование аналитической и экспериментальной
эмбриологии,
внесшей
наибольший
вклад в изучение
факторов и механизмов индивидуального развития, Основоположниками этого иаправления были немецкие ученые В. Гис
(1831—1904) и В. Ру (1850—1924). Зарождеиие аналитического
направления в эмбриологии связано с деятельностью В. Гиса,
анатома и эмбриолога, который первым стал внедрять в эмбри10
ологию методы химин и физики. Неоценимое зиачеиие этих
фундаментальных для биологии наук полностью раскрылось в
наше время. Так, Гис указывал иа важность выяснения мехаиических сил, вызывающих изменения формы развивающегося
зародыша, т. е. процессов морфогенеза (см. гл. 8). Ои стремился исследовать самые ранние стадии зародышевого развития
{морфогенез которых, как известно сейчас, происходит на уровне макромолекул) и выявить их роль в возникновении зачатков и органов на последующих стадиях. Тем самым В. Гис создал основы аналитической эмбриологии, одна из задач которой — целенаправленный анализ раиних стадий развнтия органов и тканей, выявление их еше незримых, неоформившихся
зачатков.
В.
Гис
считал,
что
невидимые
предшественпики
бу-
дущих органов локализованы в еще недифференцированном зародыше и даже в яйце не беспорядочно, а пространственноупорядоченно, так, что их можно картировать. Это правило применительно к зародышу он
назвал принципом органообразующих участков. Тем самым В. Гис способствовал развитию
преформистских идей, явившись одним из тех, кто способствовал возрождению этого направления в новых условиях, т. е.
появлению неопреформизма. Вместе с тем, говоря, что рост
` ранних зачатков «...происходит без соответствия с первоначальным отношением размеров», он отступал от крайней формы преформизма.
Следующим
гии
был
этапом в развитии новых тенденций
каузально-аналитический
подход.
в эмбриоло-
Его
создатель
В. Ру— крупнейший экспериментатор, оказавший большое влияние на развитне цитологии, генетики и особенно эмбриологии.
В. Ру считал, что для раскрытня механизмов развития недостаточно чисто аналитического описания иормального развития, а
необходимы эксперименты, для того чтобы установить причинно-следственные
взаимоотношения
между частями, выявить
факторы, которые определяют, детерминируют пути развития частей зародыща и их дифференцировку. Таким образом, в осиову своей методологии В. Ру положил эксперимент, а главной
его задачей провозгласил поиск и анализ причинных факторов,
определяющих развитие. Ои считал, что факторы, детерминирующЩие зачаток, могут быть как внутри, так и вне его, и в зависимости от этого механизм их действия неодинаков. В первом
случае («самодифференцировка») для развития зачатка достаточио общих благоприятных условий, во втором случае («зависнмая
диффереицировка»)
необходимо
воздействие
фактора
извне. Он считал, что нужно выяснить не только локализацию
фактора, ио и время его действия, т. е. простраиственно-временные параметры действия факторов, определяющих
развитие
каждого зачатка. Чтобы решнть эту задачу, нужно искусственно измеиять окружение зачатка. Таким образом, В. Ру разработал
теоретические
основы
цировки и их факторов
‘
проблем
детерминацин,
дифферен-
(см. гл. 7, 9).
11
ния,
В конкретных исследованиях В, Ру исходил из представлечто развитие зародыша
— это высокодетерминированный
процесс,
ча
В
где
нет
состоит
места
случайпому
в том, чтобы,
эксперимепте
описав
имеющиеся
или
между
ними
отношения.
Направлепие
исследований
стическим,
ца
УКЛОНОМ
с
сильным
неопределенному,
все звенья
В
нижая
значимость
специфики
логию
тот
каузально-аналитический
самый
и зада-
выявить
причинно-следственные
В. Ру
сторону
живого,
развития,
было
материали-
механицизма.
В. Ру внедрил
При-
в эмбрио-
дстерминизм,
кото-
рый сыграл болыпую роль в развитии точных наук, прежде
всего механики, и предложил для своего направления название «механика развития». Несмотря на ограпиченность, механика развития достигла огромных успехов в 20— 30-е годы нашего
столетия.
Теоретические
основы
Механики
развития
и
ка-
узально-аналитического метода вообще были близки к преформизму, что определило характер экспериментальных исследований и интерпретацию результатов.
В ранний период своей деятельности, в 1887 г., Ру задался
целью выяснить, зависимо ли друг от друга развитие первых
двух клеток (бластомеров), на которые делится сразу после
оплодотворения яйцо лягушки. Он разрушнл раскаленной иглой
один
из
бластомеров
и обнаружил,
что
из
второго
образу-
ется вполне нормальная, но лищь половина зародыша лягушки.
Помимо вывода о независимом развитии двух первых
бластомеров этот опыт подтверждал преформистские взгляды н послужил одним из первых оснований «мозаичной теории» В. Ру,
согласно которой зародыш
— это мозаика из уже готовых зачатков. Эта теория была созвучна представлению Гиса об «органообразующих участках». Хотя на первых порах работы В, Ру
сильно укрепили позиции неопреформизма, сам он не был стойкнм преформистом. Так, отмечая, что развитие
— это образование «видимого разнообразия» из невидимого, он в отличие от
В. Гиса уклонялся от однозначного ответа на вопрос, задано ли
«невидимое
разнообразие»
с самого
начала.
Более
того,
когдав
последующем аналогичными экспериментами было выяснено,
что «мозаицизм» сосуществует с отсутствием такового, он все
больше склонялся
к признанию
эпигенетического
принципа
развития.
Укреплению эпигенетического принцила развития в большой мере способствовали эксперименты Г. Дриша (1867—1941),
который идеологически занимал прямо противоположную позицию, В одном из экспериментов Г. Дриш воспроизвел опыт
В. Ру, но использовал иной технический прием: он отделил друг
от друга два бластомера морского ежа, показав, что каждый
из них способен развиться в полноценный организм. В последуюшем аналогичные результаты были получены на множестве
других объектов. Способность части зародыша развиться в целостную особь, т. е. компенсировать отсутствующую часть, Дриш
назвал эмбрионаленой регуляцией (см. гл. 7),
49
‘
=“
Открытие эмбриоиальной
чайшего значения, но сильно
регуляции было событием велизатруднило дальнейшее примене-
ине
подхода.
каузально-аналитического
С
позиций
сегоднящне-
го дня можно сказать, что оба подхода нмели огромное значение и в принципе не противоречили, а дополняли друг друга и,
если отбросить крайности, которые были в каждом из них, представляли собой диалектическое единство.
Историческая заслуга Дришга состоит в том, что он проанализировал открытую им эмбриональную регуляцию развивающегося
зародыша
и сформулировал
закон
о том,
путь
положения
что
этой
части
развития
известный,
части
относительно
носящий
зародыша
целого.
его имя
есть функция
Однако
общее
со-
стояние современной Дришу науки не позволило ему продвииуться дальше самых общих формулирсвок.
Направление, намеченное В. Ру в экслериментальной эмбриологни, наибольшее
мана
воплощение
(1869—1941).
нашло
в работах
школы
Г. Шше-
Уже в начале века, в 1901 к., Г. Шпеман
в
эксперименте по разделению раннего зародыша тритона получил результат, подтверждающий одновременно и мозаичную теорию В. Ру, и концепцию эмбриональных регуляций Г. Дриша.
Оказалось, что дальнейщее развитие разделенных частей зависит от того, в какой плоскости зародыш расчленяется. (Подробнее об опытах этого рода и об условности противолоставлений
детерминированности
и
регуляционности
развития
будет
ска-
зано в гл. 7.) В последующие десятилетия Г. Шпеман и его сотрудники провели широкие эксперименты по выяснению значения взаимодействия частей зародыша в определении их будущего пути развития, т. е. фактически продолжали разрабатывать методологию
В. Ру и Г. Дриша.
Г Шиеман
эксперименталь-
но продемонстрировал, что именно в процессе взаимодействия
частей детерминнруется направление их последующей дифференцировки. Как логическое звено этнх целенаправленных иссле*
дований
роли
взаимодействия
частей
зародыша
в
1924
г. в ла-
боратории Г. Шпемана было обнаружено явление эмбриональной индукции (см. гл. 7). Это было одиим из крупнейших открытий в биологии первой половины ХХ в. Как и в первых экспериментах
с
разделением
зародыша,
явление
индукции
показы-
вало, что детерминация и регуляция
— два взаимодополняющих
фундаментальных принцила индивидуального развития целостной
живой
системы.
Выяснилось,
что
процесс
индивидуального
развития зависит от множества переплетающихся. внутренних
и внешних факторов.
В разработке такого поиимания процессов развития, при
котором одна и та же система факторов развития зародыша
определяет
и
ее
целостность,
и
ее
дифференциацию
на
части,
важная заслуга принадлежит советскому биологу А. Г. Гурвичу (1874—1954). Он искал такие факторы, действием которых
можно было объяснить интегрированвость процессов развития,
их пространственную организацию.
13
Гурвич
начинал
свою
научную
деятельность
под
сильным
влиянием идей Дриша, но не разделял его взглядов на непознаваемость целостных факторов развития. Он описывал эти
факторы и их отношения с частями организма в точных математических выражениях, что для того времени (начало ХХ в,)
было новым и непривычным, Гурвич первый ввел статистические методы в эмбриологию и обнаружил явление «нормировки» клеточных делений в целом организме, а также участие
случайных событий в развитии. Ему принадлежат первые математические моделн развивающихся снстем, в ряде отнощений
предвосхитившие современные, Своей основной целью А. Г. Гурвнч считал построение теории биологического поля, которую
он постоянно видоизменял и совершенствовал, стремясь найти
все более точные и близкие к физике формулировки взаимодействия частей в развивающемся оргавизме. (Эта теория и ее отношение к совремеиным представлениям рассматриваются в
гл. 11.)
Новый этаи в изучении механизмов развития связан с исследованиями школы М. М, Завадовского, создавшего направление,
названное
им
динамикой
развития.
Завадовский придавал
большое значение физиологическим аспектам развития, гуморальной среде, гормонам ит. д.
Постепенно формировалось направление «химической эмбриологнн» (Дж. Нидхем), интенсивно развивались цитология и
гепетика
индивидуального
развития.
Все
это
открывало
новые
возможности для более детального изучения различных сторон индивидуального развития, для углубления в детали процессов. Вместе с тем основные
прииципы и категории науки
об индивидуальном развитии, ее методология, сформированные
в аналитической и экспериментальной эмбриологии, остались
непоколебимыми, определяя и в дальнейшем главные направления поисков. Это не означает, что принципы и категории развития, сформированные в рамках экспериментальной эмбриологии, не испытали сильиого влияния со стороны других дисцинлин. Напротив, такое влияйне было значительным и без его
рассмотрения нельзя понять истинную историю и логику становления современной биология индивидуальиого развития.
Одно из важных направлений эмбриологии,
возникшее в
СССР, связано с именем Д. П. Филатова (1876—1943). Филатов обосновал сравнительно-морфологический подход в экспериментальзой эмбриологии, который был направлен на устране-
ние
иакопивигихся
к этому
нительно-эволюциоиной
времени
противоречий
и экспериментальной
между
срав-
эмбриологией,
Он
ввел представление о «формообразовательном аппарате» как
системе
двусторонних
взаимодействий между
индуктором
и
реагирующей тканью, первым отметил иеспецифичность ранних
этапов детерминационного процесса, обосновал (одновременно
с Г. Шлеманом и Ф. Леманом} принцип комплексности развития.
Д. ПП. Филатов создал крупную школу советских эмбриологов14
экспериментаторов, из которых многие (В. В. Попов, Т. А. Детлаф и др.) внесли существенный вклад в науку.
Из других
выдающихся
советских
эмбриологов
следует
отме-
тить П. П. Иванова (1878—1942) — автора теории о ларвальном
и постларвальном отделах тела первичноротых, которая в наше
время успешно применена к позвоночным животным; П. Г. Светлова (1892—1974), высказавшего глубокие идеи о взаимоотношекии целостных и «элементаристических» подходов в биологии развития; Г. А. Шмидта, исследовавщего ряд проблем сравнительной эмбриологии беспозвоночных и позвоночных животных; Б. П. Токина, развивающего учение о соматических эмбриогенезах, а также Г. А. Кнорре, Л. Я. Бляхера, Г. В. Лопашова
и др.
В отношении формирования современных представлений об
индивидуальном развитии большую роль сыграли цитологические и генетические
исследования,
которые
к 30—40-м
годам
все
более тесно смыкались с экспериментально-эмбриологическим
направлением.
В конце ХХ в. при зарождении экслериментальной эмбриологии, когда создавалнсь первые представления о принципах
инднвидуального
развития,
эмбриология,
цитология
и
генетнка
были неразделимы. Достаточно сказать, что один из основоположников современной генетики, Т. Морган, 20 лет посвятил
эмбриологии. Это было время, когда яйцеклетка с ее способностью превратиться в сложную многоклеточную особь приковывала к себе ввимание и цитолога, ибо ова по структуре и
«войствам
мало
отличима
от любой
клетки,
и специалиста,
нн-
тересующегося проблемами наследственности, ибо в яйцеклетке заключены потенции к формированию сложного организма,
и эмбриолога, ибо с нее начинается индивидуальное развитие.
Научной проблемой, вокруг которой сконцентрировались исследования, была проблема природы, происхождения и локализации в яйцеклетке факторов, которые определяют развитие и
дифференцировку множества признаков взрослой особи, Первой,
сугубо абстрактной рабочей концепцией была гипотеза пангене-
зиса Ч. Дарвина, предложенная
им в 1869 г. в книге «Измене-
ние животных и растений в домашнем состоянии». Согласно Дарвину, факторы («геммулы»), определяющие будущие признаки,
распределены в органах`и тканях взрослой особи, откуда стекаются в половые клетки и воспроизводятся при развитни новой
особи.
Рациональной
в
этой
гипотезе
была
идея
о
том,
что
в
половой клетке содержится набор факторов, определяющих все
свойства будущего организма. Эта идея стимулировала дальнейшие изыскания, которые, однако, отвергли предложенный
Дарвином механизм происхождения этих факторов. Первым
проверил эту гипотезу Ф. Гальтон, который в 187[ г. экспериментально доказал ошибочность предположения об участии оргаиов и тканей в формировании потенций яйцеклетки. Он переливал кровь кроликов с черной окраской кроликам с белой ок15
раской,
та.
не
получив
В работах
сосредоточено
изменений
других
на
окраски
исследователей
выяснении
в
потомстве
основное
природы
реципиен-
внимание
наследственных
было
факто-
ров. На первом этапе, когда цитология еще накапливала фактический материал о строении клетки, в том числе половых
клеток (об их образовании, процессе оплодотворения и т. д.},
проблема наследственных факторов решалась с абстрактных
позиций. В 1884 г. ботаник К. Негели предложил концепцию
«идиоплазмы»
— гипотетической
субстанции,
определяющей
на-
следственные потенции. Исходя Из посылки, что сперматозоид и
яйцо, сильно отличаясь по массе, обладают одинаковыми наследственными потеициями, он пришел к выводу, что в половых
клетках
и
всех
клетках
тела,
возникающих
два
типа
веществ:
идиоплазма,
ность
(ее
количество
одинаково
из
них,
определяющая
в
существуют
наследствен-
сперматозоиде
н
в
яйцеклет-
ке), и трофоплазма, играющая роль в процессах питания клетки, ее трофнки (считалось, что ее количество в разных клетках
может быть неодииаковым). Эта идея была подхвачена и вскоре успехи в изучеиии строения клетки привели к тому, что ядро,
точнее хроматин, стал рассматриваться как материальный носитель наследственной субстан
— идиоплазмы.
ции
из тех, кто с отчетливостью установил эту связь,
Кстати, одним
был В. Бу, ко-
торый в тот период изучал процесс непрямого деления (митоза).
В своей работе «О значении фигур деления ядра» (1884) он указывал на ТО, что деление
— это механизм распределения ядерного материала. Ои допускал, что механизм деления способен
и к равному, и к Неравному распределению хроматинового материала
ядра, т. е. наследственной
Идея
о том,
потенций
вига,
Э.
что
хроматин
(идиоплазма),
Страсбургера
нашла
(1884),
субстанции.
ядра
— носитель
наследственных
свое место в
Г. де Фриза
работах О. Герти А. Вейсмана.
В учении Вейсмана эта идея приобрела наиболее законченную
форму, насколько это было возможио в то время. Обобщив
достижения предшественников и единомышленников, Вейсман
развил ее в своей теории «зародышевой плазмы». В принципе
это была та же теория идиоплазмы Негелн, но Вейсман довел
ее до законченной формы, дополнив целым рядом новых идей.
Первая
из
тическнх
Них
——-это
клеток,
идея
о
согласно
неравнопенности
которой
половых
«зародышевая
и
сома-
плазма»
со-
средоточена только в половых клетках, а соматические клетки— лишь продукт ее реализации. Особое место в учении Вейсмана занимает идея о «непрерывностн» зародышевой плазмы.
Эта идея исходила из двух принципов: 1}
ма сосредоточена в хромосомах
половых
зародышевая плазклеток;
2}
только
часть зародышевой плазмы реализуется в течение индивидуального развития в соматических клетках, остальная часть в неизменном виде передается половым клеткам новой особи н далее—
в
ряду
вывод
18
поколений.
Из
этой
о Ненаследуемости
концепции,
в
частности,
благоприобретенных
следовал
признаков,
кото-
рый ближе к сегодняшним представлениям, тогда как предщественники Вейсмана считали, что благоприобретенные признаки
наследуются.
Каким
же
образом
зародышевая
плазма
определяет
много-
численные признаки развивающегося организма, его дифференцировку? В этом вопросе Вейсман, как и Ру, большое значение
придавал клеточным делениям. Он считал, что существуют два
типа делений — «равнонаследственные» и «неравнонаследственные». При втором типе делепий наследственное вещество распределяется по дочерним клеткам неравномерно, что создает
между ними различия и днфференцирует их. В результате длительиой серии неравнонаследственных делений исходный набор
наследственных факторов — детерминантов — распределяется в
разных клетках. Суть этой идеи, таким образом, состоит в том,
что только половая клетка обладает полным набором детерминантов, тогда как в процессе развития в соматические клетки
передается все более ограниченная их фракция и в конечном
счете каждая клетка взрослого организма оказывается носителем
лишь
одной
детерминанты,
определяющей
специфику
этой
клетки. Противопоставление половых и соматических клеток—
главная методологическн неверная линия гипотезы Вейсмана.
Идеи Вейсмана о зародьшевой плазме, неравнонаследственном распределении детерминантов в основс оказалнсь неверными, но в тот период имели огромное влияние на последующие
поколения исследователей в этой области н надолго определили
направление экспериментальных исследований. Нельзя не упомянуть и о том, что Вейсман задолго предсказал одно из крупнейших открытий в биологии
— редукцию хромосом в половых
клетках (см. гл. 3),
Итак, в течение последних десятилетий ХХ в. была установлена важная роль ядра в наследственности, что в дальнейшем
предопределило
одну из Центральных
проблем
бнологни
— проб-
мау
ЗЕ
лему роли ядра и цитоплазмы в развитии. Хотя вывод о том,
что наследственные потенции сосредоточены в ядре (хроматине), был верным, эта проблема только начинала разрешаться.
Но уже тогда высказывались идеи о том, что цитоплазма также
играет определенную роль в наследственности. Ряд исследователей (например, Де Фриз) пришли к выводу, что наследственное вещество
— идиоплазма — частично может выходить в
цитоплазму и реализовать свои потенции здесь (а не в ядре).
Роль цитоплазмы в наследственности раскрылась значительно
позднее, а сама проблема о роли ядра и цитоплазмы постепенно преобразовалась в проблему их взаимодействия. Это произошло в 30-е годы, когда вновь повысился иитерес к проблемам биологии клетки как к важному аспекту нидивидуального
развития.
В начале ХХ столетия резко усилилось внимание к проблемам наследственности. В 1900 г. Г. де Фриз, К. Корренс и К. Чергу открытичофаконы наследования дискретных при-
вллтонА | ]
в 4
67200
|
|
|
знаков,
описанные
еще
в
1865
г.
Г.
Менделем
и
оставшиеся
неизвестными. Начались исследования в области миутагенеза.
В 1906 г. У. Бетсон вводит понятие генетика, а в 1909 г.
В. Иогансен
— понятие ген, которое сразу же вытеснило не
очень удачные
названия
единиц наследствеяностн
— фактор,
детерминант. К этому времени уже не вызывало сомнений,
что
местом
рые
имеют
положения
локализации
генов
сложное
строение,
генов
их
н
являются
обусловленное
распределеиием
в
хромосомы,
характером
процессе
кото-
рас-
деления.
Формировалась цитогенетика, занимающаяся изучением
цитологических
основ генетики,
главным
образом
морфологии,
структуры, функций и изменений хромосом.
начительный вклад в выяснение роли хромосом в наследственности был внесен трудами эмбриолога Т. Бовери. Еше в
1888 г. он сформулировал теорию индивидуальности и непрерывности хромосом, установив закон постоянства числа хромосом у видов и правило, согласно которому зигота и все соматические клетки содержат иаборы материнских и отцовских хро‘мосом. Он же показал, что хромосомы ие исчезают, а сохраняют свою индивидуальность в фазе покоя клетки.
Мысль о тонкой связи между структурными компонентами
хромосомы и наследственностью была отчетливо выражена в
книге Э. Вильсона «Клетка в развитии и наследственности»
(1896). Автор рассматривал хромосому как нить, построенную
из последовательно
расположенных,
качественно
различиых
элементов, определяющих наследственность. Эти элементы обладают индивидуальностью и генетической
непрерывностью.
В процессе митоза хромосомная иить продольно расщепляется
им ее матернал поровиу распределяется между дочерними клетками,
Окончательно роль хромосом как носителей генов утверди„лась в хромосомной теории наследственности, созданне и дальнейшее развитие которой связано с именем Т. Моргана н его
учеников (К. Бриджес, Г. Меллер, А. Стёртевант). Созданию
этой теории и прогрессу цитогенетики и генетики во многом
способствовало широкое
использование
в качестве
объекта
дрозофил
— быстро размножающихся насекомых, личинки которых содержат «гигантские» (политенные) хромосомы. Возможность визуального изучения участков хромосомы (хромомер), размеры которых соизмернмы с размерами генов, особенности
биологии
(короткий
жизненный
цикл,
Возможиость
мас-
сового разведения в лабораторных условиях) этих животных
позволили интенсифидировать генетические и цитогенетические
исследования. Выли сформулированы и обоснованы фундаментальные принципы
— линейность расположения геиов в хромосомах, сцепление, кроссинговер, аллельность, начата работа по
составленню генетических карт хромосом. Вместе с тем именно
з этот период бурного развития генетика сильно отдалнлась от
проблем индивидуального развития, а проблема реализации
18
генов в признаках
виям
была
«ген»
— «фен»
сведена
(признак),
к схематизированным
генотип
отноше-
(совокупность
генов) —
фенотип
(совокупность
признаков
особи).
Онтогенетический:
аспект взаимоотношений между генотипом и фенотипом разрабатывался очень слабо, в рамках формализованного направления, получившего название феногенетики
(термин введен в
1918 г. В. Геккером). Феногенетика в прияципе была важным:
направлением, установившим взаимосвязи между индивидуальным развитием и генетикой. Однако и эти связи касались главным образом морфологического описания признаков. Проблемы
развития еще не могли в полной мере найти свое выражение в.
генетике, которая была на пути становления. Прежние взгляды
о жесткой детерминированности проявления гена в признакевсе
меньше
оправдывались.
Многие
факты
показывали,
что
от-
ношения «геи— призвак» сложнее и что проявление признака —
процесс, проходящий через множество стадий и зависящий от
условий. Поэтому признак может проявиться в разной степени.
Эти новые представления одним из первых отчетливо выразил
Б. Л. Астауров. Еще в 1927 г. он писал: «Реальное положение:
вещей находится в непримиримом противоречии с представлениями о жесткой запрограммированности
процесса
развития
исходнымн условиями живой системы и окружающей среды».
Как отражеиие этих новых представлений появились понятия
(введенные в 1925 г. Н. В. Тимофеевым-Ресовским) «иенетрантность»
(процент
особей
в потомстве,
несущих
признак},
«экс-
прессивность» (степень выраженности признака). Подверглось.
сомнению представление и об автономности генов: развитие
признаков стало рассматриваться как результат их взаимодействия. В 1930 г. Бриджес сформулировал
теорию генного баланса,
согдасио
которой
В
развитии
признака
важно
соотпоше®-
ние, баланс генов. По Брнджесу, отдельный призиак возникает“
в результате совместного действия всех генов. В этих переменах
отражался огромный прогресс генетики, ее сближение с проблемами развития.
К этому времени значительного успеха достигли биологические науки, занимавшиеся изучением
физико-химических
и
физиолого-биохимических основ жизнн. В исследованиях этого.
плана наибольшее внимание
привлекали
белки,
с функциями
которых связывались
ные свойства клеткн.
В
1913г.
9. Фишер
аминокислот,
важнейшие,
доказал,
соединенные
в том
что
числе
и наследствен-
белки
— это
обнаруженной
цепочки
им пептидной
из
связью.
К 1936 г. были открыты все аминокислоты, из которых постро-
ены белки. В 30-х годах началось изучение пространственной
структуры белков рентгеноструктурными методами. Огромных
успехов
достигла энзимология
— наука о биокатализаторах.
Уже давно было известно, что они представляют собой
белки.
Поскольку
белки
сутствуют
и в цитоплазме,
2*
:
выполняют
важнейшие
и в ядре,
функции
казалось
|
в клетке, прн-
очевидным,
что
19
тены тоже должны иметь белковую природу. Это представление, очень скоро превратившееся в догму о белковой природе
гена, впоследствии сильно затормозило прогресс в генетике.
Большую роль в формировании истинных представлений о
природе гена, механизме его действия сыграли работы в обла-
сти биохимической
той,
которая
генетики.
положила
Первой
начало
экспериментальной
биохимической
генетике,
рабобыли
‘исследования А. Гаррода (1899—1919). Он обнаружил, что у
больных алкаптонурней в крови и моче появляется красный
пигмент
— окисленная форма гомогентизнновой инслоты {промежуточный продукт окисления фенилаланина). Он предположил, что из-за генетического дефекта у этих больных отсутст“
вует фермент, необходимый
ращения гомогентизиновой
для дальнейшего химического превкислоты. Тем самым обнаружилась
связь между конкретной эизиматической реакцией и наследственным дефектом. В дальнейшем эти исследоваиия пополнялись
новыми фактами о связи между деятельностью генов и ферментов. Однако биохимическая генетика
как наука оформилась
лишь с работы Дж. Бидла и Е. Татума,
двинули
тезис
«один
ген
— один
которые
фермент».
Из
в 1940 г. вы-
него
следовало,
что каждый геи ответствен за появление в клетке одного определенного фермента и что действие генов опосредовано ферментамн. В этой связи следует упомянуть и работы Р. Гольдшмидта, Создавая физиологическое направление в генетике, он
способствовал
тому, что
действие
гена
стали
понимать
как
фи-
зиолого-биохимический процесс. Важнейшей заслугой Р. Гольдшмидта является то, что он рассматривая функцию гена как определениую энзиматическую реакцию: гены ускоряют нли ослабляют скорость этих реакций и тем самым определяют свойства ортанизмов. Одинм из первых Гольдшмидт обратил внимание на
‘важность количественной стороны деятельности генов, установив зависимость скорости реакции от «дозы» гена (по современной терминологии). Значение работ Р. Гольдшмидта для
генетики очень велико. И хотя в 30—40-е годы еще нельзя было
сказать, каким образом ген определяет скорость энзиматических
реакций, является ли он сам энзимом или воздействует на него,
работы в этом направлении прямо указывали на необходимость
выясиения физико-химической природы гена. Прогресс в этой
области тормозился отсутствием ясных, научно обосноваиных
знаний о молекулярных механизмах, лежащих в основе деятельности
гена
как
единицы
генетической
функции,
рекомбинации
и мутации.
Физико-химическая природа гена была установлена в 1953 г,,
когда генетик Г. Уотсон и физик-теоретик Ф. Крик предложили
©вою модель молекулярного строення ДНК. К этому времени
исследователи были готовы уже отказаться от догмы о белко„вой природе гена и было накоплено немало веских доказательств
тому, что не белки, а нуклеииовые кислоты служат материалом, из которого построены гены,
220
Нуклеиновые
но
на
кислоты
протяжении
были
открыты
последующих
в 70-х годах
десятилетий
их
ХХ
в.,
изучали
без
какой-либо связи с проблемами генетики. Первооткрыватель
нуклеиновых кислот Ф. Мищшер был учеником и племянником
В. Гиса, который и рекомендовал ему изучать химию ядра и
цитоплазмы.
В
1869
г. Мишер
выделил
вещество
ядра
— нукле-
ин, ав 1889 г, Р. Альтман показал, что основу нуклеина составляет богатая фосфором органическая кислота, которую он вазвал
нуклеиновой.
Такнм
образом,
у истоков
исследований
иу-
кленновых кислот оказался один из основоположников современной эмбриологин В. Гис. Есть свидетельства тому, что это
было не случайно, так как интерес к физико-химическим аспектам
биологии
был
характереи
для
методологии
В,
Гиса
в
це-
лом.
Уже в работах Р. Альтмана, а в последующем А. Косселя
было показано, что нуклеиновые кислоты находятся в комплексе с белками (‹альбумином»). Исследование нуклеииовых кислот не привлекало
особого
внимания
вплоть
до конца
40-х годов.
К этому времени было выяснено, что существуют два типа нуклеиновых кислот, отличающихся по строению
(см. гл. 2):
ДНК и РНК. Первая сосредоточена в ядре, вторая
— преимущественно
в
цитоплазме.
Впервые
о
важной
роли
нуклеиновых
кислот исследователи узнали из работ Т. Касперсона
ше.
Касперсон
измерял
создал
содержание
ника,
метод
Р. Фельгеном
спектрофотометры,
ДНК
в клетке
и Ж, Бра-
с помощью
и в хромосомах.
количественной
окраски
еще в 1924 г., а позднее
которых
Эта
тех-
ДНК,
предложенный
биохимические методы
определения количества ДНК в ядрах позволили установить
одиу из важных закономерностей
— правило постоянства видового содержания ДНК и его кратного изменения в соматических
клетках. В работах Браше было выявлено, что колнчество РНК в
клетке коррелирует с уровнем синтеза белка, что указывало на
направление поисков в выяснении функции РНК.
Впервые генети-
ческая функиня нуклеиновых кислот была продемонстрирована
в 1944 г. в работе О. Эвери, С. Мак Леода и М. Мак Карти. Еще
в 1928 г. Ф. Гриффитс установил, что генетические признаки
убнтых пневмококков могут быть переданы живым пневмококхам. Это явление получило название трансформации. Позже из
пневмококков было выделеио вещество, ответственное за трансформацию. О. Т. Эвери н его сотрудники показали, что трансформирующий фактор представляет собой ДНК. Однако поскольку в любых препаратах ДНК содержатся белковые примеси, а догма о белковой природе вещества наследствеиности
была
еще
сильна,
эти результаты
не были
восприияты
как ука-
зание на то, что ДНК — химическая субстанция генов. Для такого вывода потребовалось еще 10 лет, в ходе которых иуклеиновые
кислоты,
тельным
хнмическнм
следованиям.
прежде
всего
ДНК,
и физическим
были
подвергнуты
(реитгеноструктурным)
тща-
ис-
Проблема
взаимоотношений
ядра
и цитоплазмы,
сформули-
рованиая в общих чертах в трудах цитологов и эмбриологов
прошлого столетия, в начале ХХ в. была сведена к проблеме
хромосомной локалнзации генов и к цитогенетическим аспектам. В 30-е
годы начинается новый этап исследований роли
яДра
В
И
цитоплазмы
в
формулировании
механизмах
этой
иаследственности
проблемы
и ее
и
развития.
разработке
наиболее
важную роль сыграли советские биологи Н. К. Кольцов, Б. Л. Астауров и другие представители этой школы.
Еще в 20-е годы Н. К. Кольцов создал целое направление
теоретических
и экспериментальных
исследований
физикохимической природы и механизмов функционироваиия хромосомы
как одного из клеточных органоидов. Его можно считать основоположником
биологии
клетки,
и
ему
принадлежит
заслуга
в
создаиии экспериментальной и физико-химической биологии
в
СССР.
Можно только удивляться, насколько верными, далеко опережающими
свое
время
были
методологические
прниципы,
кКо-
торыми руководствовался Н. К. Кольцов, призывавший к аналитнческому исследоваиию клетки вплоть до молекул, но с обязательным синтезом полученных данных для правильного понимания роли элементариых структур в жизнедеятельности и в
развитии
целостной
системы
(клетки).
Комплексный
подход,
глубокое чутье и прозорливость позволили ему в коние 30-х—
начале
40-х
годов
высказать
идеи
об
устройстве
и репродукции
хромосомы как самовоспроизводящейся гигантской белковой
молекулы, способной строить себе подобную нз элементов окружающей среды. Эти идеи предвосхитили будущие открытия
принципов матричного сиитеза и механизмов
редупликацин.
Он придавал большое значение конкретным физико-химическим
Условиям, в которых функционирует хромосома,— цитоплазме,
призывая использовать достижения цитологии, биохимии и генетики для изучения обмена веществ между
ядром и цитоплазмой. В соответствии с современными представлениями Кольцов
считал, что ядерный материал может выходить в цитоплазму,
придавая ей наследственные потенции («материиский эффект»).
Широта
нения
биологического
достижений
тальной
подхода,
цитологии,
эмбрнологии
и
понимание
биохимии,
важности
генетнки,
физико-химических
направлений,
ходимости
сочетаиия
исследований
на
на
целостной
системы
разработки
уровие
для
объеди-
эксперимен-
молекулярном
необ-
уровне
и
фундаменталь-
ных проблем биологии
клетки
— все это позволяет считать
Н. К. Кольцова одним из создателей современной биологии
индивидуального развития.
Идеи
вивал
его
и направления
работ
учеиик—
Б.
акад.
Н.
К.
Кольцова
Л. Астауров,
который
успешно
раз-
уже
в 30-е
годы говорил о необходимости изучения ядерно-цитоплазматических отношений как осиовы деятельиости генетического аппарата. В числе первых Б. Л. Астауров пришел к выводу о том,
22
что проявление гена
— это сложный
полной мере процесс. Заметнм, что
и отнюдь не заданный в
только те биологи, кото-
рые своевременно оценили соотношение между закономериым
и случайиым в процессе развития и, в частности, в процессе
реализации генетической информации, были ближе всех к современиой диалектико-материалистической методологии и современным научным представлениям. Б. Л. Астауров был одним
нз них.
Заслуга Б. Л. Астаурова состоит в том, что он первый разработал точные экспериментально-генетические подходы к изучению ролн ядра и цитоплазмы в развитии признаков животных. Методы искусственного получения
лартеногенетического,
андрогенетического и гиногенетического потомства (ем. гл. 4),
которые ои начал разрабатывать еще в 40-е годы, вошли
в золотой фонд научно-прикладных достижений
современной
биологии,
В 50—60-е годы началось целенаправленное и широкое экспериментальное исследование роли ядерно-цитоплазматических
отношений
в развитии.
Усовершенствование микрохирургической техники позволило существенно продвинуть разработку этого вопроса и использовать методы пересадок ядер дифференцированных клеток в
яйцеклетки с целью выяснения их потенций в иовом окружении.
Наиболее важных результатов здесь достигли американские исследователи
Дж. Гердои.
В
те
же
Т.
Кинг,
годы
Р.
Бригге
и
продолжалось
английский
исследование
эмбриолог
индукционных
связей (С. Тойвоиеи, Л. Саксеи, П. Ньюкуп, К. Гробстайн и др. ),
был открыт целый ряд так называемых вторичиых индукций
{см. гл. 8} н интенсивно исследовалась их природа. Логнка работ в этом направлении постепенно вела исследователей от межорганных к межклеточным взаимодействиям. Изучение мехаиизмов межклеточных взаимодействий (см. гл. 10) и их роли
в
морфогенезе,
дифференцировке
и
в
осуществлении
индукци-
онных связей
— одна из наиболее важных отраслей современной биологии, где эксперимеитальная эмбриология взаимодействует с цитологией и молекулярной биологией.
В
60-х
годах
произошел
окончательный
сннтез
эксперимен-
тально-эмбриологических,
экспериментально-цитологических,
генетических и физико-хнмнческих направлений, связаниых с
нзучеинем процессов развития, и возникла самостоятельная область — биология индивидуального развития,
ГЛАВА 2
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ БИОЛОГИИ
ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
Молекулярная биология накопила обширную информацию
о структуре и свойствах макромолекул, из которых построены
клетки органов и тканей живых существ и чьи функции определяют их жизнедеятельиость. Главные из этих макромолекул
играют основную роль в процессах наследственности, т. е. известиы как информационные макромолекулы. Ими являются
белки и нуклеиновые кислоты. Сказаниое не означает, что значение других химических компонеитов клетки менее существенно. Их свойства
биохимии.
детально
нзучаются
в
органической
химии
и
Белки
Белки представляют собой линейные полимеры, состоящие
из аминокислот, соединенных друг с другом пептидной связью.
Белки имеют сложиую структурную организацию. Первым уровнем — первичной структурой определяется порядок чередования
аминокислот в полипептиде. Следующий уровень
— вторичная
структура— представлен двумя типами: а-спиралью и В-структурой. а-Спираль
— жесткое образование, скрепляемое продольными
водородными
связями
между
ближайшими
атомами
азо-
та и кислорода карбоксильных и аминогрупп.
В результате
остов полипептида формирует правозакручениую спираль, а радикалы свободно располагаются вокруг. В-Структура
— это аитипараллельиое расположение двух участков полипептида, сложеиных вдвое и скрепленных поперечными водородными связями. В некоторых белках имеется только а-спираль или только
В-структура (в большинстве белков есть оба типа вторичной
структуры).
Следующий
уровень
— третичная структура— трехмериая
укладка частей полипептида. В некоторых случаях весь полипептид компактно организован в третичную структуру
— глобулу.
В
ней
имеются
две
основные
части.
Во
внутренней
части
соби-
раются а-спиральные гидрофобные участки, плотно прилегающие друг к другу и не оставляющие места для молекул воды.
Это
гидрофобное
ядро
— основа
третичной
структуры
многих
белков, прочно удерживающая ее конформацию от разрушаюших действий окружающей среды. Снаружи от ядра расположен слой, где преимущественно находятся группировки, иесущие
заряд,
т. е. участки,
которые
обеспечивают
реакции
белка.
Помимо названных гидрофобных сил третичная
структура
поддерживается водородными связямн и силами Ван-дер-Ваальса. Изредка встречаются ионные связи, возникающие в ре-
24
зультате соединения двух цистеинов: образуется $—5$-мостик
(дисульфидная связь). Примером, где 3 — $-связи играют важиую роль в стабилизации третичной структуры, может служить
молекула рибонуклеазы: имеющиеся в ней 8 цистеинов образу1от четыре $ — $-мостика.
Четвертичная структура образована соединением двух или
большего числа полипептидных цепей. Как правило, каждый из
полипептидов (субъединиц), входящих в состав белка с четвертичной структурой, нмеет все три уровня структурной организации. Лишь в редких случаях четвертичная структура скреплена
ионными
(дисульфидными)
связями
(в химотрипсине,
инсулине). В большинстве белков с четвертичной структурой
субъединицы соедииены друг с другом участками с гидрофобными свойствами (гидрофобные площадки) и легко диссоциируют (при изменениях рН, в присутствии мочевины). В поддержании четвертичной структуры определенную роль играют, по-видимому, и водородные связи, а также силы
Ван-дерВаальса.
Белки способны образовывать более сложные агрегаты, чем
те, которые имеются на уровие четвертичной
структуры. Эта
способность к полимернзации, очень сильно выраженная у многих структуриых белков, лежит в основе создания надмолекулярных структур — органоидов клетки, вирусных частиц.
Белки выполняют разнообразные функции, из которых основиыми являются следующие:
Структурные функции. Белки
— составная часть всех органоидов клетки и всех вирусов. Структурные
функции
белки
выполняют в комплексе с другими органическими
соединениямн — в основном с липидами, иуклеиновыми кислотами.
Защитные функции белка выражаются в том, что иммуиная
система осуществляет свои функции посредством антител, имеющих белковую природу.
|
Регуляторные функции. Белки регулируют многие процессы в клетках, хотя эти функции
мало
изучены.
Каталитические функции. Жизнедеятельность клеток и организмов основана на огромном количестве разиообразных химических реакций, которые ускоряются биокатализаторами
— ферментами (энзимами). Химические процессы в клетках
осуществляются с участием соответствующих
ферментов.
Так как
ферменты
в отличие
от
химических
катализаторов
обладают
высокой специфичностью (каждый фермент катализирует одну,
иногда 2—3 реакции} и в клетке протекают сотни
биохимических реакций, в ней одновременно фуикцнонирует
миожест“
во ферментов. Спектр ферментов определяет
структурно-функциоиальные и физиолого-биохимические свойства клеток, а также процессы развития. Функция биокатализаторов зависит от
условий
среды
— нонной
силы,
РН,
температуры,
окружения. Высокая чувствительность
среды связана с тем, что они имеют
ферментов
белковую
химического
к условиям
природу,
а
25
“,
физико-химические свойства белков (заряд, конформация, реакционная способность групп) весьма лабильны и подвержены
изменеииям.
Выделяют
следующие виды
белков.
`
Простые белки состоят только из полипептидов. Сложные
белки
— комплексы белков с другими органическими соединеинями или с металлами. В образовании гликопротеидов участвуют различные
сахара, липопротеиды
— комплексы белков
с липидами, металлопротеиды
— с металлами
(Га, Са, Ее).
Фосфопротенды
— белки, к которым
присоединены
остатки
фос-
форной кислоты. Нуклеопротеиды (НП) — комплекс щелочных
белков с дезокси- и рибонуклеиновыми
кислотами. Природа
белкового компонента в дезоксирибонуклеопротеидах (ДНП) и
в рибонуклеопротеидах (РНП)
различиа. В ДНП они представлены сильно шелочными белками, гистонами и протаминами. Их основиая особенность
— высокое содержание лизнна,
артгииииа и гистидина, придающих белку значительное количество положительно заряженных группировок. Характер взаимодействия
гистонов
с ДИК
сложен
и
полиостью
не
раскрыт.
В составе ДНП встречаются 5 молекулярных типов гистонов:
Н2А, Н2В, НЗ, Н4, Н!. Четыре из них образуют сложную четвертичную
структуру
— никлеосому — глобулу, состояшую из
8 молекул гистонов: (Н2А)», (НВ), (НЗ}», (Н4)>.
Протамины характеризуются еще большим содержанием лизина и аргинина и способны образовывать более прочные комплексы с ДНК в ядрах сперматозойдов, где они замешают гистоиы.
Нуклеиновые кислоты
Химическое и физическое строеиие нуклеиновых
кислот.
В клетках функционируют два вида нуклеиновых кнслот
— дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Они имеют много общего и некоторые важные
отличия в строении.
ДНК. ДНК представляет собой линейный полимер, состоящий из мономеров— дезоксирибонуклеотидов, соединенных друг
с другом
фосфодиэфириыми
связями. Дезоксирибоиуклеотид
состоит из пятиуглеродиого сахара пентозы— дезоксирибозы,
остатка
фосфорной
гуанин)
или
ваний.
Кроме
нюм
ния,
кислоты
и
пнримидиновых
этих
«канонических»
3”
клеотидов.
и
5’углеродные
В
5’-, на другом
26
из
пурииовых
цитозин)
(адении,
азотистых
оснований
в ДНК в
осно-
иеболь-
количестве (1—2 4%) встречаются неканоиические основакоторые являются метил-(оксиметил) пронзводиыми ци-
тозина, адеиина. Нуклеотиды
диэфириыми
связями в цепи,
вают
одного
(тимии,
одном
соединены между собой
где фосфориые
мостики
атомы
конце
— 3”-углеродиый
цепи
дезоксирибоз
остается
атомы.
фосфосвязы-
соседних
ну-
неиспользованным
Первый
конец
полину-
влеотида обозначается 5’-кониом, второй
— 3’-концом полинуклеотида. Конкретная последовательность основаннй от 5”-конца
к 3’-концу представляет собой первичную структуру полинуклеотида.
За редким
исключением
молекула
ДНК
состоит
из двух
спи-
рально закрученных полидезоксирибоиуклеотидных цепей, Еще
до открытия Г. Уотсоном и Ф. Криком структуры молекул
ДНК 9. Чаргафф показал, что в составе
ДНК количество аденина (А) равно количе-
ству тнмина (Т), а количество гуанина (Г}
равно количеству цитозииа (И). Это послужило одной из отправных точек для построения
Уотсоиом
и Криком
модели
физиче-
ского строеиия двухнитевой молекулы ДНК,
согласно которой адеиин связаи двумя водородными связями с тимином, гуанин — тремя связями с цитозниом. Водородные связи
(А—=Ти Г=И) между цепями, а также гидрофобные взаимодействия между плоскостя-
ми соседних оснований в каждой цепи поддерживают цепи в составе двухнитевой молекулы ДНК. Таким образом, последовательности основаиий, т. е. первичной структуре
одной цепи, соответствует вполне определенная
(с заменой
А иа Ти
Г на Ц),
или ком-
плементарная, последовательность оснований соседней цепи. Коиформация молекулы
Рис.
ДНК,
РН
в которой
две полидезоксирибонукле-
2.
Двухепирекула
отидные цепи спирально закручены относительно друг друга и стабилизированы водородными связями комплемеитарных оснований, а также межилоскостными взаимодействиями последних вдоль каждой цепи,
представляет собой ее вторичную структуру (рис. 2). Параметры. спирали (итаг, число нуклеотидов в витке, расстояние между
нуклеотидами) зависят от условий. Известно несколько конформационных
типов молекулы
ДНК.
С затратой энергии вторичная структура ДНК может быть
разрушена. Этот процесс, сопровождающийся разъединением
цепей, называют денатурацией ДНК. Разъединенные (деиатурированные) цепи в благоприятных условиях (температура, ионная сила} способиы вновь образовывать двухцепочечные молекулы в точном соответствии с принципом комплементарности,
Воссоединиться могут и исходные пары денатурировавией молекулы (ренатурация), и комплементарные цепи от разных молекул (молекулярная гибридизация). Способность полидезоксинуклеотидных
цепей
образовывать
совершенную
вторичиую
структуру
(методы
реассоциации
и
гибридизации)
широко
ис-
пользуется в молекулярной биологии как тест на комплементарность, позволяющий оценивать степень идентичности (гомо27
м.
логии)
туре.
цепей ДНК
РНК.
разного происхождения
Полирибонуклеотидная
цепь
по первичной
имеет
такое
струк-
же
строе-
ние, как и полидезоксирибоиуклеотид, ио отличается тем, что
вместо дезоксирибозы и тимина здесь присутствуют соответственно рибоза и урацил.
За редким исключением (например, РНК реовирусов} молекулы РНК одноцепочечные, но для всех РНК (в разной степени) характерно
образование
локальных внутрицепочечиых
спиральных участков. Эти спирализованные участки ие обладают такой степеиью жесткости (и вообще имеют иные пара-
метры}, как спираль в ДНК.
Рибосомные РНК (РНК). Существуют трн молекулярных
вида рРНК: РНК большой субъединицы рибосом (имеет константу седиментации! —23$ у бактерий и — 285 у эукариот);
РНК
малой
ции
— 165
РНК
субъединицы
у бактерий
рибосом
и-— 18$
(—5,8$
— имеется
(константа
у эукариот};
только
у
седимента-‘
низкомолекулярные
эукариот
и
5$).
Первые
две РРНК (у эукариот также 5,85 тип) с самого начала своего
синтеза вступают в прочный комплекс примерно с 50 молекулами рибосомиого белка, образуя большую (—505 у бактерий и
^- 60$ у эукариот) и малую (^—30$ у бактерий и ^— 40$ у эукариот}
субъединицы
центрации
Мр?+
соедиияется
‘’
рибосом.
Последние
соединяются,
образуя
к уже
сформированной
с ней в прочной связи.
Транспортная
(—4,2$).
лярная
‚ных,
РНК
(ТРНК)?.
особенности:
близких
значительного
по
но
кон-
55 РНК
ие
при-
иаходится
Низкомолекулярная
1}
РНК
зиачительная
клетке имеется
молекулярной
количества
определенной
рибосоме,
Характериые
гетерогенность — в каждой
но
при
рибосому.
массе
тРНК;
«неканоиических»
молеку-
свыше
60 раз-
2)
наличие
оснований;
3)
ло-
стоянная, достаточно жесткая конформация, включающая участки вторичных структур © петлями и определенную укладку
всей
молекулы.
С помощью
рентгеноструктурного
аиализа
уста-
новлена точная пространственная структура тРНК. Пока это
не сделано в отношении ни одной другой РНК.
Еще одна характерная особенность тРНК: она не находится в постоянном структуриом комплексе с белками, а вступает
с ними лишь в фуикциональные связи.
Фуикция ТРНК — присоедииение определенной аминокислоты и узнавание участка (кодона}) иРНК (см. ииже), который
кодирует эту аминокислоту.
Информационная
(мРНК).
РНК
Характеризуется
(иРНК)
очень
1 Параметр,
характеризующий
2 Синонимы:
растворимая,
или
болышим
молекулярную
матричная
РНК
разнообразием
(со-
массу
и плотность
лы, определяется по скорости оседания при центрифугировании
плотности сахарозы.
28
адапторная.
молеку-
в градненте
+
ответствующим разнообразию
дирующих белки.
генов)
молекулярных
форм,
ко-
Структурная организация
и функционирование генетического аппарата
Компонентами генетического аппарата являются: 1} хромосома, содержащая расположениые в лияейиом порядке гены,
а также белковые факторы, выполияющие структурные функции и (или) функции обеспечения деятельности геиов (ферменты, регуляторные белки); 2) аппарат трансляции
— полирибосомные
комплексы,
состоящие
из иРНК,
рибосом,
тРНК,
а так-
же факторов трансляции. Если под генетическим аппаратом
поиимать всю систему, обеспечивающую реализацию заключеиной в ней информации (экспрессию), то сюда следует отнести.
и факторы, ответственные за формирование контролируемых
генами фенотипических признаков.
Хромосома. Основу хромосомы составляет молекула ДНК,
размер и кояформация которой определяют ее основные параметры. Совокупность генов, заключеиных в ДНК хромосом,
представляет собой геном. У микроорганизмов (бактерий) ге-.
иом
заключеи
структурно
выделены
в
не
в
едииственной
отграничена
группу
от
кольцевой
хромосоме,
которая
цитоплазмы,
поэтому
бактерии
доядерных
существ
— прокариот.
У
всех
остальных организмов
—у простейших, многоклеточиых животных и растений— геном заключен в двух или большем числе (до
нескольких десятков) хромосом, а хромосомы находятся внутри
специального органоида
— ядра и отграинчены от цитоплазмы
ядерной
оболочкой.
Все
организмы,
имеющне
ядро,
объединяют
в группу эукариот (истииио ядерных). Геном эукариот
— это
суммарная длина всего (гаплоидного) иабора хромосом, точнее
ДНК этих хромосом.
у
Генетические функции ДНК. Генетический
код. Свойство
любого генома
— линейный характер записи в нем генетической
ииформации, которая закодирована в форме определениой последовательности оснований в цепи ДИК.
Еше до открытия
ДНК как материальной основы наследственности генетики уста-
иовили, что гены расположены в хромосоме линейно. Важиейшей заслугой молекулярной биологии является то, что принцип
линейности был подтвержден на молекулярном уровне н полу»
чил физическое обосноваиие: линейность расположения генов
основана
на
линейном
характере
расположения
кодирующих
элементов (оснований) в молекуле носителя информации. Генетикамн было установлено также, что гены кодируют белки
(ферменты), которые в свою очередь ответственны за все остальные жизиенные функцин клеток (организма). Молекулярные
биологи выяснили, что последовательность аминокислот закодирована
в
ствии
триплетиым
с
форме
последовательности
кодом,
который
-.
основаиий.
В
соответ-
реализован
в
природе,
28
——.-
-Таблица
У
у
Г. Аминокислотный
ц
ууу
УУЦ
Фен
УЦУ
УПЦ
УУА
УУГ
лей
УЦА
УЦГ
ЦУУ
У
код
А
с
“Р
ИЦУ
-
г
УдУ
УАЦ.
Тир
УГУ
УГИ
Цис
пУ
УАА
УАГ
са
СТОП
УГА
УГГ
Стоп | А
Три | Г
ЦАУ
| ис
ПГУ
У
Асц-и
АТ
Сер
Ц
АГ
| Г
ла
ИИ дю ПА
ПИЦГГ ле | КГ
ЦУГ
ЦЦЕ
ЦАГ
И
АУУ
АУ
А
Илей
. АЦУ
АНД
АУГ Мет
АГ
ААГ 73
АГ
ГУУ
ГУ
ГАУ
ГТУ
г | Г
ГУГ
жаждая
каждой
имеется от
только два
(табл. 1).
20
А
ГИГ
ГАГ
прерывающие
аминокислота
из
ААУ
А АЦ
ва ПИ Ала ГАА
* Стоп — кодоны,
‚ нуклеотидов
ре
ди
У
У
РА Гля | &
ГУ
ГГ
Г
трансляцию.
кодируется
последовательиостью
(оснований),
получившей
аминокнслот,
встречающихся
одного
первых
АГУ
названия
до четырех кодонов. В
основания фиксированы,
в
из
трех
кодона.
Для
белках,
в геноме
каждом триплете
третье варьирует
Участок цепи ДНК, кодирующий полипептид (вместе с небольшим
числом
нуклеотидов,
граничащих
с этим участком
с двух сторон), представляет собой функционально неделимую
генетическую едииицу генома
— иистрон. Если молекула белка
состоит из одного полипептида, цистрон адекватен гену. Но в
болышиистве случаев молекула белка включает два (или больше) лолипептида и соответственио ген состоит из большего числа цистронов.
Существует линейное соответствие между кодирующим участком цистрона и кодируемым полипептидом с учетом того, что
кодирующий Участок цистрона содержит в 3 раза больше оснований по отношению
к числу аминокислот в полипептиде.
В большинстве случаев кодирующий участок цистрона непрерывен, но, как выясиено недавно, в некоторых генах эукариот он
разорван на Фрагменты (зкзоны), разъедииеиные некодирующими участками
(интронами}. Линейное соответствие, вклю30
чая их соответствие по полярности (наличие начала и коица’
У кодирующего участка ДНК и кодируемого полипептида), иазывают коллинеарностью
генов и полипептидов. Если исходить
из предположения, что каждый нуклеотид участвует в кодировании какой-либо аминокислоты, то можно оценивать потенциальиые генетические возмажности даниого генома
— его информативную
емкость
(рис. 3). В действительности
только
часть
иуклеотидов входит в состав цистроиов, остальные образуют
участки, которые выполняют регуляторные или иные (невыясненные) функции. Следовательно, только часть генома представлена в форме генов, которые выражаются (экспрессируются) в виде фенотипических признаков. Совокупность генов геиома даниой клетки (организма) представляет собой ее генотип. Фенотипом же называют совокупность призиаков клетки.
величина
генома,
Длина
дальтоны
Число
генома,
Нм
пар
Число
|нуклеоти- | [па
808
нуклеотидов}
ой
|
108.
Е
ют.
10?Е-
107.
Е
Е
08Е
Е
з.
|.
-
Г
г
о
а
=
108 Е
30 31|.=
ЕЕ
108 Е=
10 |-
г.
<
|-
-
м
Е
Г
107.
г
-
Е
"|.
Е
з
х
Е
Е
Ы
8
Е
Г
з
Я
5е
г
оз
Е $
Ё
№8
=
107
0*Е
-
|
Г.
--
[-
я
|.
10°.
г
Е
Е
в
1
-
Г
ш
<
Е
г
Г
& Е
Е
Г 5-1
Рис. 3. Информативная
цистроной
103 пар
Е
-
ый
[Г
$
3
Ю` =
Е
;
0?
.
Г
|.
емкость
ы
_
|
—.
г
Г
генома прокариот
и эукарнот
-
3.
_
.
{организма), формирующихся в результате реализации
(см. ниже}.
Принцип комплементарности и матричный характер
образования
полинуклеотидов.
Репликания
ДНК.
В
генов
ново-
основе
ме-
ханизма репликации ДНК (образоваяня ее копии, реплики) лежит принцип комплементарности (А=Т; Г=Ц) и матричный
5’
ЧН
г
ГЕЙЛЬАа
5, дигазные сшивки
9
9, 9,
5,
И 2-5
10000
)
К
5
ИЕ ДБ обитиижемея
Е
ИИА Т
О
П
5'
,
Реплика
Рис. 4. Репликация ДНК (репликативная вилка). Локальная денатурация молекулы и образование копий (реплик) ее отдельных нитей. Обе копии образуются в виде неболыших фрагментов в направлении 5’—3”
(т. е. антипараллельно}. Отдельные короткие фрагменты цепей соединяются
в непрерывные
цепи — реплики с помощью фермента ДНК-лигазы
<пособ
синтеза
новой
молекулы
ДНК.
Суть
механизма
состоит
в том, что одиночная цепь ДНК, у которой водородные связи
оснований не насышены, служит матрицей. К ее мономерам по‚
следовательно
„
х
ные нуклеотиды, между сахарнымн остатками которых возникают фосфоднэфирные связи, и образуется новая цепь, комплементарная к матричной цепи (рис. 4).
Репликация начинается с определенной точки (точки инициацин) двухнитевой молекулы ДНК и происходит одновременно в обоих цепях, которые постепенно разъединяются (локально денатурируют), Новая цепь ДНК синтезируется с помощью
присоединяются
ферментов
— ДНК-полимераз.
водородными
связями
Новообразованные
цепи
свобод-
тут
же,
каждая со своей матрицей, образуют двухспиральные структуры. Фронт репликации, постепенно перемещающийся, представляет собой вилку, которая получила название репликативной.
Она впервые появляется в точке иннциации репликации н перемещается к точке ее завершення.
В
каждой
хромосоме
существует
участок
(участки)
ДНК,
являющийся единицей репликации -—— репликоном. В хромосомах
бактерий и вирусов вся ДНК представляет собой единственный
репликон.
Эти хромосомы,
следовательно, монорепликонные.
У эукариот в каждой хромосоме множество репликонов, т. е,
хромосомы этих организмов полиренликонные.
Выражение (экспрессия) информации, залисанной в генах,
Записанная в цистронах информация может быть либо в точ'
‚
ности
‘
последовательностью оснований (репликация), либо перекодирована (транслирована) в структуру полипептида. Перенос ин32
скопирована
путем
синтеза
новых
нитей
ДНК
с такой
же
в ДНК,
переносилась
в белок
непосредственно,
т. е. механизма
прямой трансляции не существует. Сначала информация передается от ДНК переносчику, представляющему собой молекулу иРНК.
Образование РНК
по матрице ДНК
принципу
комплементарности
разование
новых
происходит по тому же
и матричного
молекул
ДНК,
ется от матричной; 2) РНК
стро-
за тем исключением, что: 1) новообразованиая цепь РНК отделяится из рибонуклеотидов, где вме-
=
днк^ мотрица
сто тимина выступает адекватный
НК
ему урацил. Процесс синтеза РНК
полимераза
по матрице ДНК
называют
синтеза,
что
и 0б-.
©
&
Растущая
матричная
`
РНК
ДНК-
зависимым
синтезом РНК
или
транскрипцией. Траискрипция иачинается с определенной
точки
ДНК (точка инициации транскрипции). В этом месте цепи ДНК
’расходятся,
происходит
локальное
расплетание
(денатурация)
полимеразой
(стрелкой показано
направление,
в котором РНК-полимераза
спирали,
движется
относительно
ДНК-матрицы)
Траискрипция
кодирующей..
нити ДНК осуществляется ферментом РНК-полимеразой (рис. 5) и проходит
в несколько эта-
пов:
инициация
1)
присоедииение
фермента
к ДНК,
2)
транс-
крипции; 3) элонгация (удлинение цепи РНК); 4} терминация
и отсоединение фермента.
Геиы транскрибируются одиовремеино многими ферментами,
Но эффективность считывания разных геиов иеодинакова и изходится под контролем систем регуляции транскрипции (см.
ниже). В результате транскрипции информация с генов переносится в синтезирующиеся иРНК.. Так же происходит синтез всех
других видов РНК. Синтезированные иРНК, рРНК и ТРНК
обеспечивают процесс трансляции, т. е, сиитеза белка по матрице иРНК.
Процесс трансляции состоит из нескольких этапов (рис. 6)
и осуществляется одновременно многими следующими друг за
другом рибосомами. Важнейшее отличие бактерий от эукариот
состоит в том, что у первых трансляция иРНК начинается до
завершения
сиитеза
молекулы
иРНК, т, е. транскрипция и
трансляция у бактерий сопряжеиы (см. рис. 6). По мере удлинения синтезирующейся цепи иРНК к ее свободному концу присоединяются одна за другой рибосомы, в результате чего одиовремеино с продолжающимся удлинением молекулы иРНК происходит
ее
непрерывная
трансляция
— образование
белковых
же
-.
формации от ДНК к белкам
— основа реализации геиетической
информации, т. е. экспрессни (выражения) геиов. В природе
не обнаружено случаев,
когда
бы информация,
записанная
3
Заказ
645
33
р
РР
а
№
:
трансляция
цепей. Тем самым в зоне функционирующего гена формируется сложный комплекс, включающий все компоненты генетического аппарата: ген, РНК-полимеразу, иРНК, рибосомы, тРНК, факторы ре.
00
гуляции
,
транскрипции
представляет
собой
где одновременно
ция
Рис.
6.
Сопряженная
транскрипция
гена
Такая
и трансля-
и
трансляции,
«фабрнку
происходит
«выдается»
система
тивность
ция у прокариот
а
создает
белка»,
транскрип-
готовый
белок.
высокую
эффек-
экспрессии.
Перенос
информации
следующим
осуществляется
образом:
транскрипция
ДНК
‚РНК
трансляция
—>
белок
Е
у
репликация
- 4
и
также новообразующиеся цепи белка. Вся
эта система,
работающая
сопряженно,
|
Дик
Эта
усилий,
схема, на расшифровку которой понадобилось много
получила названне основной догмы молекулярной био-
логни.
Основная догма незыблема и универсальна для всех существ,
но имеет некоторые особенности у онкогеиных РНК-содержащих
вирусов животных и человека. Первоначально предполагалось,
что у этих вирусов, как и у других РНК-содержащих вирусов,
действует следующая схема:
.
РНК
репликация
{1
О.
>
РНК трансляция
белок
-‘
В 1970 г. было выяснено, что в жизненном цикле одной из
групп РНК-содержаших вирусов, получивших назваиие ретровирусов (онкогенные РНК-содержащие
вирусы, вызывающие
лейкозы, саркомы), присутствует ДНК, хотя в самой вирусной
частнце ее нет, Вирусная частнца этой группы включает, как и
другие РНК-содержащие вирусы, РНК и структурные белки.
Но в отличие от других вирусов она имеет спецнфический фермеит
— обратную транскриптазу, которая способна синтезировать по матрице РНК комплементарную к ней цепь ДНК, разрушать саму РНК, а затем по матрице ДНК синтезировать комплементарную к ней (следовательно,
аналогичную
вирусной
РНК) цепь ДНК. Обе цепи ДНК образуют двухспиральную
молекулу ДНК, которая включается (интегрируется) в состав
геиома клетки и временио иесет функции вирусного генома;
с нее
считываются
иРНК,
которые
следующий
принцип
‚ зоваиия вирусных
сов реализован
34
белков..Таким
служат
матрицей
для
образом, у онкогенных
переноса
ииформации:
обра-
виру-
обратная
транскрипция
транскрипция
днк
трансляция
>— белок
-РНК
Открытие обратиой транскриптазы (в отечествениой литературе именуется также «ревертазой») не только помогло понять
механнзм переноса информации у онкогенных вирусов, но и открыло большие возможностн для прогресса в области молекулярной
биологии
и молекулярной
генетики, ‘так
как
оказалось,
что с ее помощью можио искусственно создавать ДНК-копии
любых РНК, исследовать их структуру, использовать для целей
генной инженерии (см. «Заключение»). °`
Принципы организации
и функционирования генов
Наименьшую информативную емкость имеют геномы РНКсодержащих вирусов. В нх единственной цепи РНК находится
всего
несколько
рующие
дая
генов:
ферменты
собственным
гены
структурных
реплнкации
аппаратом
белков
и экспрессин.
трансляции,
и
гены,
Вирусы,
коди-
ие
используют
обла-
системы
биосинтеза белка иитоплазмы клеткн-хозяина,
Геномы
ких
ДНК-содержащих
десятков
кольцевой
до
нескольких
молекуле
ДНК.
вирусов
сотен
генов
Среди
них
белки, входящие
в состав вирусной
ферменты,
факторы,
русных
номе
либо
частиц
имеются
участки,
регуляторные
функции.
не
от
в одной
единственной
несколь-
есть
гены,
кодирующие
частнцы;
гены,
кодирующие
необходимые
в цитоплазме
включают
для
клетки-хозяина;:
кодирующие
белки,
размножения
ви-
кроме
ге-
а
них в
выполняющыье
У ДНК-содержащих вирусов гены объединены в фуикциональные группы. После того как вирус попадает в цитоплазму,
начинается транскрипция первой группы генов, так называемых
предранних и ранних генов, кодирующих вирус-специфические
ферменты. С нх помощью реплицируется ДНК фага и образуется множество
копий фагового генома. Затем происходит
транскрипцня другой группы генов (поздние гены), кодирующих структурные белки вирусов.
бактернй, как и у фагов, геном представлен одной кольцевой молекулой ДНК, которая образует основу бактериальной
хромосомы,
личных
20—30
4$
массы
белков, связанных с ДНК,
из
раз-
в частности ферментов.
хромосомы
состоит
Кро-
ме того, в цитоплазме бактерий есть небольшие кольцевые молекулы
ДНК — плазмиды, которые также содержат гены. Ме-
ханизм
функционирования
русов. Одна
генов у бактерий
из особенностей
этого
сложнее, чем у ви-
механизма
состоит в том, что
бактериальные гены транскрибируются и транслируются одновремеино: иРНК иачинают транслироваться уже в процессе
транскрипции и распадаются. Это сильно ограничивает время
жизни
ИРНК
3*
.
(3—15
мин),
:
что
позволяет
‚
бактериям
.
быстро
.38
.
приспосабливаться к изменяющимся условиям путем смены одних видов ИРНК другими.
Как и у ДНК-содержащих вирусов, разные гены бактерий
экспрессируются в разное время и с неодинаковой активностью,
т. е. дифференциально. Дифференциальная активность генов—
универсальный принцип функционирования генов про- н эукариот (см. гл. 9}. Схема механизма регуляции активности генов
и.
.
7
|
Оперон
-^
Ген -
Ген - регулятор
оператор
ООО
—_
дли
|
Структурные
Бим роны)
-
|
гевы—
1
.
иРНК
|
и м
1111
4—
Региляторвая
А
+
'
Эрфектор
[индуктор}
.
..
Рис. 7, Регуляция активности генов у бактерий
..
.
и
`у бактерий была установлеиа Ф. Жакобом
и Ж. Моно в 1961 г.
Многне гены бактерий сгруппированы в олероны, т. е. в блоки
из нескольких генов (цистронов), которые транскрибируются
вместе. В результате синтезируется одна, общая для всех генов оперона гигантская полицистроновая иРНК, содержащая
одновременно несколько участков, кодирующих полипептиды.
В начале оперона, перед первым цистроном, находится ген-оператор, ответственный за функционирование всего оперона, за
пределами оперона, в другом участке хромосомы,— ген-регулятор данного оперона. С него считывается иРНК, которая транслируется, образуя регуляторный белок— репрессор. На одной
нз половин оператора есть участок, «узнаваемый» репрессором,
Еще один участок регуляторной системы
— эффектор. Он либо
поступает извне, либо является продуктом активности клетки
(метаболитом).
Эффектор
имеет
сродство
к репрессору
и, свя-
зываясь с ним, воздействует иа активность оперона.
Существует
нов
У бактерий.
несколько
Один
из
способов
иих
Если в клетке нет или мало молекул
блокирован
и может
свободно
зультате чего РНК-полимераза
36
регуляции
состоит
активности
в следующем
эффектора,
связываться
ге-
(рис.
7).
репрессор не за-
с оператором,
в ре-
не способна связаться со своим
|
=
участком
и оперон
неактивен,
т. е. новых
молекул
иРНК
не об-
разуется. Если в клетке увеличивается количество эффектора,
он блокирует репрессор и путь для транскрипции открыт, В этих
условиях эффектор выступает в роли индуктора. В действительности механизм регуляцнн намного сложнее.
Генетический аппарат эукариот имеет еще более сложную
организацию и характеризуется следующими особенностями:
1) геиом представлен более чем одиой хромосомой, которая
имеет не кольцевую, а линейную форму; 2) эукарноты
— диплоидные организмы, т. е. каждая хромосома имеет свою (гомологичную) пару. Совокупность хромосом, содержащих один
полный набор генов, представляет собой гаплоидиый
набор
(следовательно, вирусы и бактерии в отличие от эукариот являются гаплоидными организмами}. В жизненном цнкле эукариот есть стадии, когда клетки содержат только один (гаплоидный}
ется
набор
хромосом,
минимум
большая
два
а также
стадии,
когда
(диплоидный)
набора.
У
часть жизненного
цикла
в клетке
низших
гаплоидна
имс-
эукариот
(гаплофаза), у выс-
ших
(у всех
многоклеточных)
гаплоидны
вые
клетки.
В
(полиплоидных}
клетках
много-
содержаться
четырех
до
клеточных
соматических
организмов
может
только
рядка тысячи гаплоидных наборов.
У эукариот количество ДНК в геноме
от
зрелые
и его
высших
животных
порядка
больше,
у низших
эукариот.
идный
набор,
и
чем
растений
у
бактерий,
Однако
которое
величина
общее
удается
и
(см. рис. 3):
генома
на
порядок
число
генов
определить
по-
потенциальная
информативная емкость возрастали в ходе эволюции
у
поло-
на
два-три
больше,
на один
чем
гапяо-
существующими
ме-
тодами, не возрастает в такой степени. Например, у насекомых
имеется 5 (не более 10) тысяч генов, что лишь в 2—3 раза
больше числа генов кишечной палочки. Между тем количество
ДНК
в геноме
насекомых
на
два
порядка
больше,
чем
у бак-
терий, В гепоме млекопитающих. (и человека}
генов всего
в 50 раз больше, чем у бактерий, а количество ДНК у первых
больше, чем у бактерий, уже на три порядка. Непомерное увеличение количества ДНК по отношению к количеству генов
в
ходе
эволюции
эукариот,
гнн как избыточность
известное
в
молекулярной
ДНК,— одна из иераскрытых
биоло-
пока зага-
док организации их генома,
Генетическими
и молекулярно-биологическими
исследованиями установлена другая важная особенность генома эукариот: большое количество повторяющихся (дуплицированных)
генов, когда в одном геноме один и тот же ген представлен
множеством копий,
Доля генома, состоящая из повторяющихся участков, у разных организмов варьирует от 2 до 80%, при этом не установлено какой-либо корреляции между этим параметром и эволюционным
щихся
развитием,
участков,
Известны
два
отличающихся
по
основных
чнслу
класса
копий:
1)
повторяю-
класс
мно-
87
гократно (часто) повторяющихся участков
— от сотен тысяч до
мнллионов копий на гаплондный геном; 2} класс «умеренно»
— от нескольких десятков до десятков
повторяющихся участков
тысяч
считаются
(уникальными)
Неповторяющимися
копий.
участки, которые состоят из 1—10 копий. У эукариот лишь неАя
представлена
генов
часть
значительная
.
одной
только
8
НГ
185
285
чае
Е
я, № Х,
—
5 На Н2а ИЗЬ НИ!
д) чении
он
——
<<
61?
НГ
СПУ 5,85 СП"
Ба
52а #3 НЗ
0—0
58
—
|
и
#
Ар2 Лей
[90} (50
‹
55АР
8. Организация
генов
НИ
з-
==
1
Й
ГОО
ОИ
12348618
Ара
(704
Лей
{105}
ы
149926, 222:
Рис.
на
копией
= 600
о‘
у эукариот.
ных генов у ОгозорйИа тёаповаяе
ы
1126492
у
ГАА
А — повторяющая
(СП
нь
}
и
единица
СП”
— внутренние
рибосом-
спейсеры,
СП2 — внешний спейсер); Б — строение гистоновых генов у ОговорвИйа тёаповазег (а) и морского ежа (6} (шкала
— число нуклеотидных
пар, умноженное на 108; стрелками показано направление считывания генов)
; В — структура В-глобинового гепа кролика. Заштрихованные участки
— экзоны, тонкие
линии — интроны.
В скобках
— порядковые номера аминокислот в В-глобине кролика, которые кодируются
триплетами, находящимися на границах экзонов с интронами. Стрелками (снизу} указано положение инициаторного
(АУГ)
аргннина и лейцина), расположенных
участков
гаплоидный геном.
прокарнот, которые
и Терминаторного
(УАА) кодонов и кодонов {для
с двух сторон от интронов. Цифры снизу
— длины
(число пар
В этом их
практически
нуклеотидов)
важное отличие от геномов
не содержат повторяющихся
генов.
Генетическая природа многих повторяющихся генов пока не
выяснена. Повторяющимися генами, функции которых известны, являются гёиы 28$, 18$, 5$ и 5,8$ РРНК, геиы ТРНК, гены,
кодирующие гистоны.
Гены РРНК.
Гены
(цистроны)
28$, 18$ и 5,8$ рРНК
распо-
ложены по одной копии внутри сложного участка ДНК, который представлен многими (у разных видов от 50 до 450, у боль-
щинства
— от 150 до 200) копиями. Их называют повторяющимися единицами рибосомной ДНК (рДНК). В хромосоме они
сосредоточены в зоне «ядрышкового организатора» и расположены один за другим, т. е. тачдемно. Кроме генов (цистронов)
28$, 18$ и 5,85 РРНК, каждая повторяющаяся единица содержит два разделяющих эти гены некодирующих, так называемых «спейсериых» участка. Один из них, внутренний спейсер,
расположен между 185 и 28$ генами, а внутри этого спейсера
находится ген, кодирующий 5,8$ рРНИК. Второй спейсер, наруж38
й
иый,
разделяет
соседиие
повторяющнеся
единицы.
Внутренний
спейсер транскрибируется вместе с 28$, 185 и 5,8$ геиами, но
считанная с него РНК затем распадается (см. ниже), наружный спейсер не траискрибируется. Типичная структура повторяющейся единицы РДНК показана на рис. 8, А.
Гены, кодирующие 5$ рРНК, расположены, как правило,
за
пределами
ядрышкового
организатора
и
повторены
в
ге
номе, В некоторых случаях копий этого гена очень много (например, в гаплоидном геноме у шиорцевой лягушки их 24 000).
5$ гены расположены не в одном участке хромосомы, а в нескольких
местах
и отлелены
транскрибирующимися)
Гены
шими
ри
ТРНК.
тРНК
группами
каждого
друг
закодированы
расположены
гена
от друга
протяженными
внешними спейсерами.
имеются
небольшие
Интроны
чившие
назваиие
интронов.
дельные
участки,
но
РНК,
в генах,
в разных
считанная
которые
неболь-
участках
генома,
«лишние»
участки,
«разрывают»
с них,
(не-
ген
Внутполу-
на
удаляется,
от-
т. е. ие
входит в состав ТРНК. Интроны обнаружены во многих генах,
кодирующих белки (см. ниже).
Гистоновые геиы. Гены, кодирующие структуру гистоновых
полипептидов (см. выше),— единственные известные сейчас повторяющисся
гены,
кодинрующие
белки.
Они
хорошо
изучены
у морского ежа н дрозофилы и состоят из десятков или сотен
(у разных видов) повторяющихся единиц. У морского ежа каждая такая единица содержит гены всех 5 видов гистонов (всего
в геноме 600—800 таких единиц). Гены, кодирующие отдельные
гистоиы, разделены некодирующими и нетранскрибирующимися спейсерами, но все они расположены на одной цели ДНК
и считываются в одном направлении. У дрозофилы гены гистонов находятся не на одной, а на обеих (комплемеитарных) цепях ДНК,
ио не перекрываются:
на одной
-5’, на другой
— 3’-Н1-Н2а-НЗ-5'
вофилы
они
считываются
цепи
гены
3’-Н4А-Н2в-
(рис. 8,5). Кроме того, у дро-
в разных
направлениях
(см.
стрел-
ки).
Неповторяющиеся
са
хорошо
изучен.
(уникальные)
Большинство
гены. Ряд генов этого класиз
иих
кодирует
специфиче-
ские для дифференцированных клеток белки. В качестве примера рассмотрим гены, кодирующие белок гемоглобина (глобин).
Гемоглобин
— комплекс
глобина
и
гема
(хромофорная
группа}
— составляет 95% белковой массы эритроцитов и выполняет функцию переноса кнслорода. Молекула гемоглобина
состоит Из четырех полипептндов: два а-типа и два В-типа.
Каждый полипептид включает примерио 150 аминокислот, т. е.
кодируется участком ДНК
(4- и В-генами) примерио из 450
нуклеотидов.
Внутрн
гена
есть
два
типа
участков:
некодирую-
щие (интроны) и кодирующие (экзоны), разделенные интронами. На рис. 8, В показано строение В-глобинового гена кролика.
у
‚
`
Е.
Экспрессия генов у эукариот
В отличие от прокариот транскрипция и трансляция у эукариот разделены во времени и топографически, поскольку иРНК
транслируется только после ее перехода из ядра в цитоплазму. Важная особенность начальных этапов экспрессии у эукариот состоит в следующем. РНК
(информациониая, рибосомная, транспортная), только что считаиные с генов (нх обобщен-
но именуют первичным транскриптом), структурно и функционально еще не представляют собой полностью сформированные
молекулы.
кации,
Им
еще
предстоят
посттранскрипционные
прежде
чем
они
выполнить
смогут
купность
структурных
изменений
зультате
которых
превращаются
нирования
основные
онн
молекулы,
виды
первичных
называют
модификаций,
свои
модифи-
функции.
Сово-
транскриптов,
в ре-
в готовые
процессингом.
происходящих
во
для
функцпо-
Ниже
указаны
время
процес-
синга.
1. Укорочение длины молекулы путем частичиого расшепления первичного транскрипта. В большинстве случаев (если не
всегда) длина геиа и его первичного транскрипта намного превышает
размеры
фуикционально
зрелой
молекулы
иРНК
из-
за интронов, которые транскрибируются
вместе с экзонами.
В результате процессинга «лишние» участки РНК, считанные
с интронов, «вырезаются» с помощью специальных ферментов,
а образовавшиеся концы фрагментов молекулы ‘иРНК «ешиваются» — сплайсинг.
2. Присоединение к РНК новых структурных элементов—
метнльиых групп, «шапочек» (специфических сильно метилированных группировок на 5’-концах), 3”-концевых полиаденн-
ловых последовательностей
Процессииг
характерен
(полн А).
для
всех
видов
РНК.
Так,
в РНК
в результате процессинга удаляются последовательности, считанные с внутренних спейсеров, а в генах тРНК
— последовательности, считанные с интронов.
Наиболее сложен и мало изучен процессинг предшествеийников НРНК, на котором следует остановиться подробнее. В ядре
одновременно образуются тысячи видов иРНК, поэтому оно содержит сложную смесь предшественников этих ИРНК, находящихся на разных этапах процессинга. Эта смесь молекул разного размера, претерпевающих структурные изменения, полу-
чила название гетерогенной ядерной РНК
ит
из
разного
до
порядка
размера
20
тыс.
цепей,
(гяРНК).
содержащих
иуклеотидов
(тогда
Она состо-
от
нескольких
как
зрелая
сот
иРНК
в среднем включает примерно 1000 нуклеотидов). Среди этой
сложной массы первичных транскриптов трудно идентифицировать предшественников
явить
стадии
их
ления
об
этапе
рактер.
40
этом
отдельных
процессинга,
экспрессии
Предполагают,
что
видов
Поэтому
в
иРНК и
тем
современные
геиов
посят
ядре
существует
более
вы-
представ-
гипотетический
ха-
специальный
класс ферментов, одни из которых «вырезают» «лишиие» участки, а другие «сшивают» коицы молекулы РНК при сплайсинге. Еще один вид ферментов модифнцирует нуклеотиды
— прнисоединяет к ним метильные группы. Уже в процессе образования первичного транскрнпта к синтезирующимся целям РНК
присоединяются белки, т. е. образуются рибонуклеопротеиды.
После завершения процессннга зрелая нРНК в форме рибонуклеопротеида
— информосомы — выходит в цитоплазму, где
может либо немедленно присоедииить рибосомы и образовать
полирибосому, синтезирующую белки, либо храниться в виде
свободной информосомы, т. е. резерва иРНК.
Примерно 2—5 % массы полисомной РНК представляет собой иРНК, остальные 95—98 % —рРНК и тТРНК. иРНК, образовавшая полисому, не утрачивает своих белков. Поэтому, если
полисомы осторожно диссоциировать, иРНК отделяется от рибосом в виде рибонуклеопротеида, напоминающего информосому. Специфические особенности механизма экспрессии генов
эукариот
определили
ряд
принципиальных
отличий
их
нРНК
от иРНК бактерий;
1. Функционированне (транслирование) иРНК эукариот не
начинается до тех пор, пока не завершится их синтез и они не
окажутся в цитоплазме. Ранее предполагалось, что синтез белка
может
происходить
не
только
в
цитоплазме,
но
и
в
ядре,
но это предположение не подтвердилось, Об отсутствии трансляции в ядре свидетельствует то, что в нём нет полноценных
рибосом, так как только что образовавшиеся рибосомиые субъединицы переходят в цитоплазму, не образуя в ядре рибосом.
2.
иРНК
эукариот
‘метаболической
характеризуются
устойчивостью,
нятся в виде информосом}
сятков, часов.
Значительная
50—70
часть
адениловых
на
молекул
значительно
большей
т. е, функционируют
(или
хра-
протяжении
иногда
де-
иРНК
многих,
содержит
нуклеотидов
— полиадениловые
на
3’”-концах
последова-
тельности. Такие иРНК
называются
полиаденилированными
или полн (А+) иРНК. Еще
одна
структурная
особенность
иРНК
— наличие на их 5’-концах «шапочек», которые формируются после транскрипции во время процессинга. Если бы
иРНК состояла
только из нуклеотидов,
которые участвуют
в кодировании белка (полипептида), ве размеры соответствовали бы размеру полипептида. В действительности
в любой
иРНК, кроме кодирующей
(информативной,
транслируемой),
есть некоднрующне участки, которые располагаются
по обе
стороны от кодирующего. На рис. 9 дана схема строения типичной. эукариотической иРНК. АУГ и УАА (инициаторный и
терминаторный кодоны} отделяют с двух сторон кодирующую
зону от некодирующих. Размеры кодирующих областей у разных ИРНК однозначно определяются размерами кодируемых
полипептидов,
тогда как размеры
некодирующих
участков
у нРИК
варьируют.
Назначение
некодирующих
участков
иРНК
41
неизвестно; есть основания полагать, что они выполняют какието функции в рамках регуляции процесса трансляции.
Биосинтез иРНК
— лишь
начало
многоэтапного
процесса
экспрессии генов. Однако спектр синтезирующинхся иРНК, их
разиообразне, концеитрация и распределение в клетке во многом определяют следующие этапы экспрессии
— биосиитез белков, формирование с их участием макромолекулярных структур
Рай
и“ ша почка» —
НФ)
(н' зона
не
Зо
5'- ненодирующая
7
ме
кодирующая зона
се
АУГ
:
|
АААААК РАЛУАВОЛ
З-некодирующая зана
УАА
.
Рис. 9. Обобщенная структура иРНК эукариот
клетки, биохимические реакции
характерные для данной клетки.
Специфика
фенотипа
каждой
и
.
1
›
физиологические
клетки
.
.`
_°
вторичные
ой
процессы,
обусловлена
Тем,
что
геиы экспрессируются в разное время и с разной интенсивностью. Механизм, ответственный за эти различия экспрессии генов у эукариот, сще неизвестен. Существует предположение, что
активность генов регулируется
на всех этапах экспрессии:
транскрипции, посттранскрипционного
процессинга,
переноса
иРНК в цитоплазму, образования полисом, трансляции, формирования белковых молекул и т. д. Однако неясно, какие элементы ядра и цитоплазмы выполняют роль регуляторов. Существующие предположения о регуляции транскрипции заключаются в следующем. Считается, что определенную роль в процессах регуляции играют: 1) специальные участки ДНК в начале
и в конце каждого гена (участки инициации, терминации транс-
крниции
и модуляции
уровня
транскрипции};
2)
способность
РНК-полимераз «узнавать» этн участки; 3) факторы, влияющие на сродство РНК-полимераз к этим участкам. Так, на расстоянии примерно 30 нуклеотидов от точек инициации транскринпции почти всех генов найден сходный по последовательиости участок Т-А—Т—А—А,
который, как предполагается,
«узнается» РНК-полимеразой и определяет точку, откуда должна начаться транскрипция. За пределами генов во внешних
спейсерах также обнаружены участки, от которых зависит скорость транскрипции. Предполагается, что степень компактности
хроматина в районе гена
— один из важных факторов, влияющих на транскринцию. Известно, что за комнактизацию ДНК
в хроматине ответственны гистоны, с помощью которых ДНК
эукариот организована в повторяющиеся структурные единицы — нуклеосомы.
По две молекулы (Н2а, НЭв, НЗ и Н4) гистонов
образуют
универсальную октамерную глобулу — кдровую частицу нуклео42
.
сом.
В
элементарной
хромосомной
глобула обвита участком ДНК
ду
соседними
нуклеотидов
глобулами
нити
длиной
имеются
каждая
октамерная
в 140 нуклеотидов, а меж-
участки
ДНК
из 30—40
пар
(линкерные участки).
Пятый гистон, Н1 (богатый лизином), по-видимому, раснположен в этой линкерной зоне. Гистон Н] гетерогенен и состоит
по
крайней
мере
из
10
видов
молекул.
Предполагается,
что
в разных участках
на. Этому гистону
пактизации ДНК.
хромосом находятся разные виды Н! гнстоприпнсывается роль важного фактора. комВозможно, существуют и другие факторы
компактизации,
как
так
известно,
что хромосомная
ДНК
имеет
много уровней укладкн.
Помимо гистонов в хромосоме обнаружено большое колнчество негистоновых белков. В отличие от гистонов онн заряжены слабо отрицательно (поэтому их еще называют кислыми
белками) и характеризуются большой гетерогенностью и непостоянством молекулярного состава. По некоторым данным, негистоновые белки способны специфически «узнавать» гены и
связываться с ними. Спектр и количество этих белков в разных
клетках неодинаковы. Предполагается, что негистоновые белки как антагонисты гистонов декомпактизируют (разрыхляют)
хроматин, открывая доступ РНК-полимеразе к гену. Если это
верио,
то спектр
генов,
которые
негистоновых
будут
белков
ГЛАВА
:
,
°
-_
может
транскрибироваться
определять
в данной
3
ПРЕДЗАРОДЫШЕВОЕ РАЗВИТИЕ
{ГАМЕТОГЕНЕЗ)
Общая
спектр
клетке.
`
характеристика
Животные н растительные организмы размножаются половым и бесполым способами. Ирн бесцолом размножении новая
особь возникает из отдельной части тела (сомы) взрослого
животного путем почкования. При половом размножении особь
развивается из половой клетки, обладающей потенцией к формированию новых половых клеток и множества соматическнх
клеток. Является ли такое многообразие потенций (тотнпотентность} исключительным свойством половой клетки или тотинотентной может быть и соматическая клетка? Бесполое размножеиие у некоторых животных и растений свидетельствует о том,
что в принципе соматические клетки потенциально могут воссоздать все части тела взрослой особи. Однако при вегетативном размножении новая особь развивается не из отдельной
клетки,
ие
а
из
приходится
большой
говорить
группы
о
клеток,
поэтому
тотипотентности
этом
случае
отдельной
в
клетки.
43
ской клетками был поставлен в конце ХХ столетия, став предметом дискуссий и многочисленных исследоваиий на протяже-
нии последующих десятилетий. Столь большой интерес к этой
проблеме понятен, так как в ней затронуты основы наследования,
и
сама
эта
проблема
относится
к
области,
в
которой
эмбриология смыкается с наукой о наследственности
— генетикой. В генетическом плане суть этой проблемы заключается
в том, чтобы поиять, каким образом разнообразие признаков н
свойств многоклеточного организма предопределено. (предетерминировано} в половых клетках и какими путями эти наследственные задатки реализуются в виде признаков и свойств и
передаются половым клеткам потомства. В эмбриологическом
плане сущность проблемы заключается в выяснении происхождения половых клеток в процессе индивидуального развития,
их
взаимоотношений
с
соматическими
клетками,
в
изучении
их тонкой морфологической структуры и особенностей их биохимических и физиологическнх свойств.
Одним из наиболее спорных аспектов этой проблемы был
вопрос о происхождении половых клеток в онтогенезе. В гл. 1
были рассмотреиы гипотезы «пангенезиса» Ч. Дарвина, «идиоплазмы» К. Негели, концепция «зародышевой плазмы» А. Вейсмана, в которых эта проблема нашла свое отражеиие,
Первичные половые клетки (гоноциты}
Впервые Нуссбаум в 1880 г. указал на различия между половыми и соматическими клеткамн и высказал идею 0б особом для половых клеток «зародышевом»
(зачатковом) пути
их образования в онтогенезе, которая была развита А. Вейсманом,
Из идеи зачаткового пути следовало, что линии развития
половых и соматических клеток в онтогенезе должы разъединиться очень рано, т. е. предшественники половых клеток обособляются на самых ранних этапах эмбрионального развития.
И
действительно,
вые клетки
отличались
клеток.
были
описаны
случан,
когда
будущие
поло-
эмбриона (первичные половые клетки} очень раио
по ряду призиаков от остальных (соматических)
Первичные
половые
клетки
(их
называют
также
гоно-
цитами) обладают характерными
морфологическими
признаками: имеют несколько более крупные размеры, чем размеры
окружающих соматических клеток, крупное ядро, более выраженную базофилию, отличаются по некоторым гистохимическим показателям
плазме гоноцитов
-44
(реакция на щелочную фосфатазу). В цитобыли обнаружены характерные ультраструк-
ЧИ
В условиях эксперимента у растений из одной соматической
клетки удается получить полноценный организм, т. е. продемонстрировать ее тотипотентность (см. гл. 10); у животных из
одиночной клетки тела получить организм пока не удалось.
Вопрос о сходстве и различиях между половой и соматиче-
туры, получившие название эктосом («половых детерминант»,
по терминологии А, Вейсмана). В дальнейшем именно их присутствие стало основным признаком первичных половых клеток.
Возникла гипотеза, согласно которой эктосомы определяют тотипотентные свойства половых клеток. Эти структуры были детально исследованы на широком круге объектов с применением
)перматогони
ны
,
5...
.
слермотоцит
деления
т порядка
ото
П порядка
`бденеьнотьль
|
сеет
Ипа
рядка
#8
че
—_
злёрмиравиез
]
деления
ое ®
роста
,
полярные тельца
зрелая
сперматозоиды
.'
.
яйцеклетна
д
созревания
сазревания
,
..
-
..
и
Рис. 10. Схема гаметогенеза
электронного
составе
была
структуры
матических
микроскопа
обнаружена
типа
«половых
клетках,
за
и
цитохимических
РНК,
кислые
детермииантов»
исключением
методов.
В
белки. Оказалось,
не встречаются
низших
животных,
их
что
в соу
кото-
рых они обнаружены в особых видах клеток взрослой особи,
способных превратиться в половые (см. ниже).
В последние годы большинство исследователей склонны считать, что структуры, известные как «половые детерминанты»,
можно использовать как признаки («маркеры») для идентификацин первичиых половых клеток, но вряд ли их следует рассматривать в качестве самнх факторов, определяющих (детерминирующих) потенции этих клеток (их тотипотентность). Вопрос о том, какие клеточные компоненты гоноцитов ответственны за их тотипотентность, пока не решен.
Основываясь на цитологических характеристиках и иа результатах экспернментов по удалению, выжиганию, пересадкам участков эмбрнона, содержащих клетки с такнми призна-
ками, в ряде случаев удалось найти места возникновения гоиоцитов в эмбрионе и проследить их последующее развитие. В любом случае половые клетки возникают достаточио рано, т. е.
проделывают сложный путь развития, прежде чем станут способны к оплодотворению и дадут начало новой особи,
Этот период собственного развития половых клеток называют гаметогенезом нли предзародьниевым развитием. Развитие яйцеклетки названо оогенезом, развитие сперматозоида—
сперматогенезом.
Развитие
половых
клеток
включает
следующие
этапы
{рис. 10): 1. Обособление первичных половых клеток (гоноцитов) от других (соматических} клеток организма. 2. Размножение половых клеток, называемых на этой стадии гоннями (женские
половые
клетки
— оогонии,
мужские
— сперматогонни).
3. Рост, в ходе которого женские половые клетки именуются
ооцитами 1 порядка, а мужские половые клетки
— сперматоцитами [ порядка; в это время хромосомы обоих типов клеток
проходят
после
П
стадии
первого
порядка,
профазы
деления
после
мейоза.
4.
образуются
Мейотические
ооциты
второго
— соответственно
(яйцо) и сперматида. 5. Преобразование
тозоиды (спермиогенез),
и
деления:
сперматоциты
зрелая
яйцеклетка
сперматид
в сперма-
Возникновение и развитие гоноцитов
в эмбриогенезе
У некоторых организмов на самых ранних стадиях развития
удается выявить участки яйца, из которых в дальнейщем разовьются половые клетки, Так, у многих насекомых, например
у
двукрылых,
на
заднем
полюсе
яйца
еще
до
начала
развития
зародыша видны скопления эктосом («половых детерминант»)/
(рис. 11). Этот участок ооплазмы (половая плазма) в резульЬтате последующих делений яйца (см. гл. 5) оказывается в первнчных
половых
клетках,
В яйцах лошадиной аскариды (круглые черви) первичиая
‘половая клетка полностью обособляется от других
— соматиче-
Рис. 11. Раннее
вых
клеток
у
атейсапа).
А
формирование полонасекомых
(Маг
яйцо
на
стадии
поздняя стадия
(по Р. Хегнеру,
]1— ядро будущей
тосомы («половая
половой клетки, 2 — экплазма»), 3 — первичная
8 ядер
половая
{видны
4 ядра);
клетка, 4 цитоплазма
литающие клетки
Б — более
1912):
яйца,
5 —
‚
ъ‘
:
.
В
ских
— клеток
1
уже
после
рис. 34), у веслоногого
четвертого
рака
(циклопа}
деления
яйцеклетки
развивающуюся
(см.
половую
клетку также можно узнать очень рано: по присутствию в ией
гранул
— эктосом — после первого деления яйцеклетки, При последующих
делениях
в
клеток
одну
из
эти
Рис. 12. Обособленние половых
1—9 — последовательные
гранулы
зародыша,
стадии
а
каждый
после
раз
6-го
попадают
лишь
деления
эктосомы
клеток в раннем развитии циклопа
нио-Коттон, 1968):
(по Э. Шар-
развития оплодотворенной
первичные половые клетки
яйцеклетки,
э —- эктосомы, д
--
распределяются между двумя дочерними клетками, которые и
представляют собой первичные половые клетки, уже отчетливо отличающиеся
от соматических
(рис. 12),
У позвоночных первичные гоноциты обособляются
на несколько более поздних стадиях. Однако у бесхвостых амфибий,
как и у иасекомых, половая плазма обособляется очень рано,
в неоплодотворениом яйце.
У хвостатых амфибий в отличие от бесхвостых в неоплодотворенном яйце не удается обнаружить структур типа «половых детерминант». Гоноциты у зтих
руживаются значительно позже, чем
животных впервые обнау бесхвостых амфибий,—
4
4)
еде:
ы
{®) Я&
лишь после формирования основных систем органов и незадол` го до вылупления личинки. По-видимому, оии дифферевкируются из мезодермы так называемой боковой пластинки (см.
гл. 8).
|
У высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих)
гоноциты были найдены на границе зародышевой и внезароды-
т’
Рис.
1—
13. Половая
эктодерма,
я
особь полипа Саоа тиШсоги5 на
(5) стадиях развития (по Бриану,
2 — эндодерма,
$—
зачаток
медузопда,
ранней
1968):
(А)
ин
4 — интерстициальные
поздней
клетки
шевой областей эмбриона, на стадиях, когда он состоит нз иескольких тысяч клеток. У млекопитающих, согласио последиим
данным, гоноциты обособляются значительно раньше.
Являются ли обнаруживаемые в раннем эмбриогенезе первичные гоноциты единствеиным источником
половых
клеток
половозрелой особи нли половые клетки дополиительио возникают из соматических на более поздних стадиях? У низших животных
— губок, кищечнополостных, плоских и кольчатых червей запас половых клеток пополняется в течение всей жизни. Так, хотя у кольчатых червей первичные гоиоциты рано
обособляются, удаление гонад даже у взрослых животных не
делает их стерильными, поскольку половые клетки возникают
из особых
малодифференцироваиных
«резервиых»
клеток—
необластов. У ресничных червей раннего образования половых
клеток
не
наблюдается;
клетки
типа
необластов,
пополняемые
в течение всей жизни животного, могут формнровать новые
половые клетки. У кишечнополостных также есть резервные
клеткн типа необластов, способных перемещаться между дифференцированными эпителиально-мышечными клетками экто- и
48
эитодермы. Их называют интерстициальными (1-клетками). Из
этих клеток образуются разные типы снпециализированных клеток, в том числе половые (рис. 13). Как видно из рисунка,
1-клетки сначала рассеяны, но затем концентрируются на вершине почки и превращаются в половые клетки. Процесс образования половых клеток происходит в течение всей жизни животного. Удаление гонад или даже целых половых особей медуз У взрослого полипа никогда не приводят к его стерильности: удаленные
У губок
По- видимому,
ных
части быстро
половые
они
и
образуются
возникают
амебоидных
лостных
регенерируют.
клетки
археоцитов,
необластами
в течение
всей
жизни.
двух
источннков:
из
Подвиж-
сходных
с 1-клетками
кишечнопо-
из
червей,
И
из
специализированных
во-
ротничковых жгутиковых клеток
— хоаноцитов, Полагают, что
хоаноциты, превращающиеся в половые клетки, сначала проходят стадию археоцитов.
Длительное время оставался спорным вопрос о том, являются
ли
у
более
высокоорганизованных
животных
— моллю-
сков, членистоногих, нглокожих, нозвоночных
— первичные гоноцнты
единственным,
невосполнимым
источником
половых
клеток
нли,
на
более
На
этот
как
и у
поздних
вопрос
низших
стадиях
можно
форм,
гоноциты
развития
ответить
из
лишь
могут
возникать
соматических
клеток.
экспериментально,
вы-
яснив, будет ли оргаиизм иметь половые клетки после удаления (разрушеиия) первичных гоноцитов, например после локального выжигания областей, содержащих гоноциты или соответствующие области ооплазмы,
Так, облученнем удается
выжечь половую плазму в яйцах насекомых и зону первичных
гоноцитов
в яйцах
виваются,
но
птиц.
неизменно
Зародыши
лишены
после
половых
таких
операций
клеток
раз-
(стерильны)-.
Проводились также опыты по пересадке первичных гоноцитов от одной генетической расы шпорцевой лягушки к другой;
у реципиента перед этим собственные гоноциты были удале-.
иы. Все развившнеся у реципиента
половые
клетки носили
признаки гоноцитов донора. У мышей описана мутация локуса-Т, которая прнводит к гибели все гоноциты во время их миграции. У такнх мышей половые клетки в гонаде отсутствуют.
’.
Этн опыты показали, что единственный источник половых
клеток у позвоиочных и у беспозвоночных, исключая губок, кишечиополостных,
плоских
и кольчатых
червей,
— первичные.
гоноциты,
обособляющиеся
на ранних
стадиях
развития.
Ины-
ми словами, клетки зародыша дифференцируются на половые и.
соматические однократно, на ранних стадиях.
Некоторые авторы и сейчас допускают возможность образования половых клеток (например, у рыб) на поздних стадиях развития или даже у взрослого организма из эпителия гонады, который в’ литературе часто нменуется неудачным термином «герминативный», или зачатковый,
эпителий.
В ряде
случаев
4
Заказ
описывалось
645
«выселение»
из
.
этого
слоя
половых
кле-
49:
.
ток. Рассматривая эти данные, трудно полностью
исключить
возможность, что авторы имели дело не с первичными половыми
клетками, а с потомками первичных гоноцитов, вселившихся
некогда в эпителий гонады.
Миграция первичных половых клеток
Каков
бы
ни
был
источник
половых
клеток,
они
проходят
длинный путь развития, прежде чем стать зрелыми, способными к оплодотвореиию половымн клетками. Во всех случаях, в
том числе и у позвоночных, зачатки гонад возникают значительно позже, чем гоноциты, и последние (подобно гоиоцитам
тубок и кишечнополостных) перед этим блуждают в теле эм‘бриона. Как первичные гоноциты высших животных, так и резервные
клетки
тнпа
интерстициальных
(1-клетки
кишечнопо-
лостиых} способны к самостоятельиым передвижениям. Гоноциты куриного зародыша часть пути проходят вместе с током
крови по эмбриональным кровеносным сосудам; позднее, оказавшись поблизости от места возникновения зачатка гоиады,
‘они иачинают двигаться активно, проползая через стенки сосудов н зачатка половой
железы. По данным французских эмбриологов Э. Вольфа н Ф. Дюбуа, на этом этапе движения их
привлекают химические вещества
(по некоторым последним
данным
— белковой природы), выделяемые зачатками гонад,
Неясио, однако, идет ли речь о прямом привлеченни клеток—
хемотаксисе
или
же
просто
об
активации
их
движений.
Первоначально гоноциты присутствуют в зародыше
большом количестве. Они проходят ряд делений, но,
в неначав
мигрировать,
практически
в
чатке
и по
гонады
размножения
мере
гоноциты
не
делятся.
развития
После
последней
превращаются
В
оседания
путем
первичные
за-
активного
гонии,
ЧИ-
сло которых сильно возрастает. В ходе развития половых желез будущего самца и самки возникают различия в локализации гоноцитов. Уже на ранних этапах, когда в гонаде начинается
характерная
для
данного
пола
дифференциация
тканей,
тоноциты в мужской железе вместе с зачатками семенных канальцев перемещаются во внутреннюю зону, в женской
— остаются иа периферии, в так называемой корковой зоне. С момента, когда пол зародыша можно определить по гистологической
структуре
гонады,
содержащиеся
в них
гоиии
принято
обозна-
чать как первичные сперматогонии и первичные оогонии (хотя
по хромосомам пол гоноцитов можно определять значительно
раньше (см. гл. 4). Превращение гоноцитов в гонии сопровождается рядом изменеиий: они становятся крупнее, приобретают
округлую
форму,
теряют
амебоидную
подвижность
и
на-
‚ чинают активно размножаться,
|
Затем
деление
(пролиферация)
оогониев
прекращается.
К этому
времеии
яичник
содержит
определенный
фонд
оогониев, незначительная часть которого в послелующем прев-
50
ратится
в
зрелые
яйцеклетки.
Остальные
оогонии
либо
поги-
бают, либо дегенерируют в ходе оогенеза. Подсчитано,
что у
5-месячного плода человека имеется около 6800000 женских
половых клеток; позже наступает их массовая дегенерация и
к момеиту рождения остается около 1 млн., а к семилетнему
возрасту
— примерно 300000. У разных видов животных пролнферативная активность оогониев прекращается в разное время, У большинства млекопитающих оии перестают делиться
до рождения, у некоторых
— непосредственно после рождения.
В редких случаях (низшие приматы) оогонии способны размножаться
и у
половозрелого
Размножение
животного.
сперматогониев,
напротив,
происходит
в
тече-
ние всего периода половой зрелости самца непрерывно (теплокровные животные) или с сезонной ритмикой (холоднокровные).
Следующий
этап гаметогенеза
— сложный
процесс превраще-
ния сперматогониев и оогониев в зрелые половые клеткн
— сперматозоиды и яйцеклетки. Этот процесс включает множество,
кардинальных
изменений
ских
в результате
структур,
приобретают
ядерного
уникальные
аппарата
которых
по
и цитоплазматиче-
оогонии
морфологии
и
и сперматогонив:
физиологии
черты
мужской и женской половых клеток, Основные изменения со-стоят в следующем.
1. В развивающейся
яйцеклетке синтезируются, а также:
транспортируются в нее болышие
количества макромолекул,.
субклеточных структур и питательных веществ, в результате
чего ее размеры увеличиваются иногда в миллионы раз; в формирующемся сперматозоиде полностью редуцируется цитоплазма при одновременном синтезе некоторых специфических для.
него веществ.
2. Происходит
мейоз,
включающий
два
важных
в
генети-
Ческом отношении явления
-—— редукцию числа хромосом и рекомбинацию генов между гомологичными хромосомами (в редких случаях отсутствует). Эти процессы в равной мере характерны для оогенеза и сперматогенеза.
3. В зрелых гаметах перераспределяются их составные части,
что
приводит
в
случае
оогенеза
к
поляризации
а в случае сперматогенеза
— к формированию
мы. сперматозоида.
яйцеклетки,
типичной
фор-
Сперматогенез
Формирование спермия начинается с того,
(иногда их называют стволовыми зачатковыми
вращаются
в сперматогонии
[| порядка.
У разных
что гоноциты:
клетками) превидов
живот-
ных они претерпевают от одного до четырнадцати делений и:
превращаются в сперматогонии П порядка. Важнейшая особенность этого периода сперматогенеза
— то, что цитотомия при;
делениях сперматогониев полностью не завершается и между`
дочерними
клеткамн
остаются
цитоплазматические
мостики
4*
.
5Ы .
{фузомы).
Т порядка
В результате этого потомство каждого сперматогония
представляет собой клон, популяцию клеток общего
происхождения, соединенных цитоплазматическими мостиками
(рис. 14). В дальнейшем все процессы сперматогенеза протекают внутри каждого клона синхронно: клетки одновременно
вступают в профазу мейоза (см. ниже), превращаясь в сперматоциты 1 порядка. В ядре их начинаются мейотические процессы
—
сложные
поноюганция
изменения
(попарное
хромосом,
соединение
которых
важнейшие
гомологичных
из
хромосом)
—
и
РГО
еее
Рис.
14. Четыре
фазы
(А —Г)
сперматогенеза
в семенных канальцах
крысы
(по И. И. Соколову):
1 — сперматозойяды,
.
552
2—
-
сперматогонии,
.
:*
&
<
-
3 — сперматоциты,
Сертоли
и.
.
4 — сперматиды,
(1
..
|
,
-*
5 — клетки
..’
3
затем
расхождеиие
сом,
а также
гичными
по
дочерним
клеткам
гомологичных
кроссинговер
— обмен участками
между
хромо-
гомоло-
хромосомами.
'
о
и
РЗ
и.21
ы
.
Мейз
а
п
Мейоз
— процесс редукции числа хромосом (уменьшения их
количества от диплоидного к гаплоидиому). Он состоит из двух
следующих друг за другом делений созревания.
Вслед за последиим митотическим делением сперматогоннй
переходит в премейотическую интерфазу, в ходе которой подготавливаются условия для начала мейоза. Природа
факторов,
обусловливающих
вступление
в
мейоз
клетки,
которая
перед
этим делилась митотически, неизвестна. Для вступления в мейоз необходим синтез определенных РНК и белков в премейотической интерфазе. Если предотвратить их синтез с помошью
специфических ингибиторов синтеза РНК (актиномицин) и белка (пуромицин), то клетка не переходит в мейоз, а возвращается
в
митоз.
Во
время
премейотической
фазы
$
происходит
репликапия ДНК и удвоение хромосом, разделяющихся во время мейотических делений в конце сперматогенеза.
Выявлеиа
одна
из
замечательных
особенностей
мейоза,
отличающая
его
от митоза: во время премейотической фазы $ синтез ДНК не
завершается полностью (как происходит обычно в фазе $ митоза};
0,3 %
всей
новообразующейся
ДНК
синтезируется
позд-
нее, когда хромосомы уже хорошо оформлеиы (см. ниже).
Пройдя фазу $ клеточного цикла, клетка вступает в профазу,
превращаясь
в сперматоцит
Т порядка.
В
это
время
про-
исходит серия характерных изменений хромосом, которые известны как стадии профазы мейоза. Первая стадия
— лептонема. На’этой стадии, так же как в самом начале профазы митоза, начинается спирализация интерфазных редуплицнрованных
хромосом, и они становятся различимыми в виде тонких нитей
{лепто
— тонкая, нема
— нить), образующих клубок в ядре.
Следующая стадия — зигонема — характеризуется тем, что
гомологичные
хромосомы
сближаются
и конъюгируют.
Процесс
конъюгации локус-слецифичен, т. е. обеспечивает точное сдаривание (синапс) всех гомологичных участков хромосом. Механизм столь точного взаимного нахождения гомологов внутри
ядра (в котором может быть несколько десятков хромосом) еще
не выяснен. На стадии зигонемы происходит небольшой дополнительный
При
синтез
ДНК,
изучении
пиальная
которую
процесса
структура,
обозначают
конъыогации
возникающая
была
между
как
3-ДНК.
обнаружена
спе-
конъюгирующими
хро-
мосомами,— синаптонемальный комплекс
(синаптонема — нить
спаривания). Этот комплекс впервые был описан в 1956 г. при
электронно-микроскопическом исследовании сперматогенеза рака.
В
плекс
настоящее
есть
ть
время
известно,
в мейотических
клетках
что
синаптонемальный
всех
животных
ком-
и растений,
‚
53
но никогда не встречается в соматических клетках, хотя в ряде
случаев конъюгация хромосом (по-видимому, не столь точная,
как в мейотических клетках
— мейоцитах) происходнт в соматических клетках (например, в клетках слюнных желез двукры- лых, содержащих гигантские полнтенные хромосомы). Таким
образом,
синаптонемальный
вых клеток.
Он представляет
зований,
из
комплекс
— признак
собой структуру
которых
два
боковых
только
поло-
из трех лентовидных
толщиной
30—60
нм
обра-
вытяну-
ты вдоль каждого из гомологов, а срединное соединяет боковые множеством
поперечных нитей толщиной 2—5 нм. Преднолагается,
что
синаптонемальный
комплекс
иачинает
образовы-
ваться уже на стадии лептонемы. В это время‘ каждая гомологичная хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Своими
концами
хромосомы
прикрепляются
к внутренней
поверхно-
сти ядерной мембраны и могут скользить по ней. Иногда концы
всех хромосом, примыкающих к мембране, сближаются и возникает фигура, известная под названием «букета». В результате
перемещений каждая пара гомологичных хромосом оказывается
рядом и,
когда расстояние
между
нимн
уменьшается
ло
— 300 нм, боковые ленты гомологов соедиияются с помощью поперечных нитей, формирующих срединную ленту. Срединная лен-
та
прочно
ствуя
фиксирует
расстояние
между
их дальнейшему
сближению.
Предполагается,
гомологами,
препят-
что 3-ДНК,
которая синтезируется в то же время, когда формнруется синаптонемальный комплекс, входит в состав последнего.
На стадии пахинемы коиъюгировавщие гомологичные хромосомы плотно прнжаты друг к другу и продолжают спирализоваться. В результате образуется одна укорочеиная утолщенная
‚ мейотическая хромосома (пахи
— толстая), в действительности
состоящая из четырех хроматид (двух гомологов, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид). Такая хромосома
называется
бивоааентом.
На
стадии
пахинемы
синапцтонемаль-
ный комплекс полностью сформирован и обеспечивает макснмальное спаривание гомологов. На этой стадии синтезируется
еще одна небольшая фракция ДНК (П-ДНК).
На стадии диплонемы гомологи расходятся, между ними появляются щели, но в отдельных местах хромосомы остаются спаренными. Это участки, в которых возможен кроссинговер
— об-`
мен локусами между гомологичными хромосомами. В результате неполного расхождения вся хромосома в целом образует причудливые формы
— одиночные, двойные кольца и др. Такие фигуры
получили
название
«хиазм».
По
мере
расталкивания
хро-
мосом сниаптонемальный комплекс начинает разрушаться, сползая с хромосом. Небольшие его фрагменты сохраняются лишь в
местах, где гомологи остаются соединенными (в участках перекреста). Это свидетельство того, что функция синаптонемального комплекса состоит в обеспеченин конъюгации гомологичных хромосом.
54
После этой стадии хромосомные процессы профазы мейоза
при сперматогенезе завершаются (в оогенезе имеет место еще одна стадия
— диакинез, о которой будет сказано ниже) и сперматоцит готов приступить к первому мейотическому делению. Полностью сформированиые профазные хромосомы, каждая из которых состоит из двух сцепленных редуплицированных гомолотов, формируют метафазную ‘пластинку
— наступает первое деление мейоза. Как и в предшествовавших митотических делениях сперматогониев, цитотомия после { мейотического деления
не
завершается,
ми
П
порядка
и
между
дочерними
сохраняются
клетками
—
цитоплазматические
сперматоцита-
мостики.
Ми-
нуя интерфазу (или после кратковременной интерфазы), сперматоциты П порядка вступают во второе мейотическое деление;
образуются сперматнды, содержащие каждая по гаплоидному
набору
хромосом.
Таким
образом,
первое
и второе
мейотические
деления отличаются: в большинстве случаев в результате первого делеиия расходятся гомологичные хромосомы, т. е. редуцируется число хромосом (поэтому это деление называют редукционным). Во время второго деления (как при митозе) расходятся
хроматиды
(это деление
называют эквационным}.
Спермиогенез
После вступления в профазу мейоза сперматоциты Т порялдка некоторое время растут. Обычно их размеры увеличиваются
незначительно.
В сперматидах, превращающихся в сперматозоид,
осуществляются характерные изменения ядра и цитоплазмы. В ядре происходит
дополнительная
компактизация
хроматина,
в
результа-
те чего ои превращается в плотное образование, в котором прекращаются процессы реплнкации и транскрипции.
В цитоплазме слерматид формируются характерные для сперматозоида структуры
— акросомный аппарат, компонеиты шейки и хвостового отдела (рис. 15}. Большая часть цитоплазмы при
этом отбрасывается.
Акросома
— органоид, расположенный в переднем отделе головкн, играющий важную роль при его проникновении в яйно.
Акросома образуется из аппарата Гольджи. У разных животных форма и размеры акросом различаются, но построены они
одинаково.
зона
из
Между
плотного
акросомой
вещества,
и
ядром
называемая
имеется
пограничная
периакросомным
прост-
ранством. У некоторых животных акросома не образуется, у
других она есть, ио имеет примитивное строение или отсутствует в зрелом сперматозоиде.
Шейка
сперматозоида
представляет
собой
цилиндр,
в кото-
ром но периферии располагаются митохондрии. В дистальной
по отношению к ядру части находнтся центриоль. Иногда имеется и проксимальная центриоль —на границе между ядром и
шейкой.
Дистальная
центриоль, выполняя
роль
базального
тела,
55
формирует жгутик -— осиову хвостовой части. У подавляющего.
большинства животных жгутики сперматозоидов имеют одинаковый, типичный план строения. Их осевой комплекс состойт из
9 пар периферических и одиой центральной пары микротрубочек, образующих цилиндр. Наряду сэтим
у многих животных появляются дополнительные
микротрубочки
—9
одиночвых
фибрилл по пернферии осевого комплекса. В состав жгутиков входят белки актомиозинового
типа,
белок,
подобный
мио-»
зину, динеин (как и мнозин, он обладает
АТФ-азной активностью, т. е. расщелляет
АТФ, вырабатываемую митохондриями).
При расщеплении АТФ
(АТФ-АДФ+
+-Ф)
освобождается
энергия,
которая
необходима для функционироваиня
сократительных
белков.
|
По мере формирования этих
сперматозоида
и
отбрасывания
отделов
остатков.
цитоплазмы вместе с межклеточными мостиками завершается синцитиальный период сперматогенеза; сперматиды превращаются
в
иидивидуальные
зрелые
сперматозоиды (рис. 16).
У иекоторых беспозвоночных половые
клетки развиваются в целомической лолости или в полости ацинусов (отсеков)
гоиады. У других на протяжении всего
развития
мужские
половые
клетки
иахо-
дятся в тесном контакте с окружающими
соматическими клетками семенника, где
эти клетки
Рис. 15. Строение зрелого
сперматозоида.
А —
головка;
Б — хвост:
}— акросомная шапочка, 2 —
экваториальный сегмент, 8 -=
постакросомная область, 4—
:пейка,
5 — средняя
часть,
6 — основная часть, 7 — коицевая
часть,
8—
содержимое
акросомы,
9 — плазматическая мембрана, 10 — внутренняя
акросомная
мембрана,
1! — наружная
акросомная
мембрана,
слой
вые
56
/2— ядро,
митохондрий,
филаменты,
нистая
13 —
14 — осе-
15 — волок-
оболочка
образуют
«цисты» или каналь-
цы. Например, у млекопитающих в стеике канальца
наимеиее
зрелые
формы
(сперматогонии}
располагаются
у базальной мембраны; по мере созревания
клеткн смещаются к просвету. Клетки
Сертоли
— соматические клетки — имеют
крупные размеры и простираются от базальной мембраны семениого канальца
почти до его просвета. По мере созреваиия
половые
легают
к
клетки
все
поверхности
более
клеток
тесно
при-
Сертоли,
скользя по ней к просвету. Головка формирующегося сперматозоида постепенно
внедряется в цитоплазму клеток Сертоли
и от нее получает питательные вещества,
необходимые для формироваиня. На конечных этапах спермиогенеза не вошед-
шие в состав зрелого сперматозоида части цитоплазмы сперматозоида поглощатотся клетками Сертоли.
Морфология
`чаться.
зрелых
сперматозоидов
У некоторых животных
беспозвоночиые,
может
они лишены
сильно
жгутика
например
* -
круглые черви, высшие раки,
моллюски), но содержат микротрубочкн, которые обеспечивают лвижение безжгутиковых
сперматозоидов
спермиев.
У других животных, обладающих
жгутиковыми
сперматозоидами, микротрубочки в головке сперматозоида
в ходе
спермиогенеза
разли-
(некоторые
-
элиминируются.
и образуется хвост,
У млекопитающих сперматогеиез протекает непрерывно
в течение всего периода половозрелости. У животных с сезонным размиожением в периоды между циклами сперматогенез прекращается на стадии
пахинемы профазы мейоза.
Значительная
вающих
часть
созре-
сперматозоидов
обна-
руживает аномалии и гибнет.
Основные
внды
аиомалий—
большее число жгутиков и отклонение
от
держания
ДНК
вормального
в
ядре.
со-
Пер-
вое — следствие
неограниченного размкожения центриолей;
второе — результат
неправиль-
ного
хромосом
расхождения
мейозе.
в
Рис. 16. Некоторые виды жгутиковых
{1 —Д)} и безжгутаковых (Е) спер-
‘‚матозоидов
(по
ВБ. И.
1965).
А-— жабы;
свинки;
Д — опоссума;
Балинскому,
Б — морского
ежа;
В — рыбы рода Тегойоп; Г — морской
Оогеиез
После
окончаиия
рака
Е — речного
периода
размножения оогонии переходят к стадии роста, становясь теперь ооцитами
первого порядка.
Во время роста ооцит накапливает большое количество органелл, запасы питательных веществ и источников энергии. Размеры ооцита возрастают и могут достигать огромных ведичин
{например, у птиц нагруженное желтком яйцо в миллноны раз
превышает исходные размеры оодита).
Ооцит дрозофилы за три дня увеличивается в 90000 раз.
57.
У лягушки диаметр молодого ооцита около 50 мкм, а зрелого—
до 2000 мкм, что соответствует увеличению объема в 64000
раз. Рост ооцита у нее идет сравнительно медленно: только
двухлетние особи достигают половозрелости. Несравненно быстрее растет яйцо у птиц.
Например,
у курицы
за последние
шесть дней перед выпадением ооцита из яичника объем яйца
возрастает в 200 раз. Яйца млекопитающих меньше по размеру;
диаметр яйпа мыши возрастает от 20 до 70 мкм, что соответствует увелнчению объема более чем в 40 раз,
Рост ооцита неравномерен. Вначале он незначительный, этот
период называют малым ростом (превителлогенез, или цитоплазматический рост). За ним следует период большого роста (вителлогенез, или трофоплазматический рост).
Превителлогенез
‚иачинается
с
момента
вступления
оогония
в
мейоз
и
протекает
на фоне его профазы. В это время ооцит растет за счет собственного синтеза, увеличнвающего количество РНК, белков, рибосом, митохондрий. Важная особенность малого роста
— пропорциоиальное
увеличение
массы
ядра
и
цитоплазмы,
сохране-
ние тиличного для обычных клеток ядерно-цитоплазменного соотиошения. Вителлогенез характеризуется резкой интенсифнкацней
процессов
роста
цитоплазмы
ооцита
и
изменением
ядерно-
цитоплазмеиного соотношення.
В этот период продолжается
{большая или меньшая) синтстическая активность ооцита, но
в целом масса цитоплазмы нарастает за счет поступления веществ извне. В период вителлогенеза в ооллазме иакапливаются запасные питательные вещества: белки (желток), углеводы,
жиры,
липнды,
витамины,
минеральные
солн.
Хотя
РНК
(и их
компоненты}, митохондрии, мембраны и другие цитоплазматические структуры также откладываются в резерв, в основе большого роста лежнт накопление желтка. Все запасы затем используются на ранних стадиях развития эмбриона, В некоторых случаях их хватает на значительный отрезок эмбрионального развития животного,
Резервирование компонентов аппарата травсляции. У многих животных в оогенезе интенсивно накапливаются огромные
запасы компоиентов аппарата трансляции. Так, в зрелом яйце
амфибий количество рибосом и ТРНК соответствует их количеству
в
сотиях
и
тысячах
обычных
(диплоидных}
соматическнх
клеток.
Однако в отличие от соматических клеток ооциты не яспользуют подавляющую часть накапливаемых в цитоплазме рибо-
сом, ТРНК,
5$ РНК,
иРНК,
а резервируют
их для эмбриона.
Есть некоторые структурные отличия между функционирующими и резервированными структурами. Например, актнвные рибосомы только в полисоме представлены в форме 805 частиц—
вне
полисом
они
находятся
в виде
отдельных
субъединни
(40$
и 60$). Резервированные рибосомы ооцита хранятся в виде 80$
частиц (каким-то образом заблокированных). Резервиые формы 55$ РНК и ТРНК представляют собой нуклеопротеиды, то58
”
гда как функционирующие формы этих РНК не содержат прочио связанных с ними белков.
В исследованиях, проведенных на ооцитах шпорцевой лягушки (Хепориз ае{$), показано, что по крайней мере у этого вида
отсутствует обычная для соматических клеток жесткая корреляция в колнчестве новообразующихся 28$, 18$ и 55 рибосомных
РНК
(см. гл. 2).
В пернод
малого
роста
ооцита
интенсивно
накапливаются 55$ РИК (и ТРИК), а запасание рРИК заметно
отстает. Лишь к концу периода малого роста темп накопления
РРНК начинает возрастать, но в это время уже наблюдается
значительная диспропорция между количеством 28$ и 18$ рРНК,
с одной стороны, и 55 РНК —с другой. В последующем в результате интенсивного накопления 28$ и 18$ РРИК молярное
соотношение
между
количеством
рибосомных
и 5$
РНК
прихо-
дит в соответствие с тем, которое имеется в соматических клетках. Следовательно, в оогенезе функционирование механизмов,
контролирующих координированный синтез рибосомных РНК,
может проявляться иначе, чем в соматических клетках, где таких диспропорций
не возникает.
В ранний
период
оогенеза
шпор-
цевой лягушки очень интеисивно накапливается и неактивная форма тРНК. Молярное содержание ТРНК в соматических клетках
ие столь точно (как 5$ РНК)
скоррелировано
с содержанием
285 и 18$ РРИК: тРНК составляет 8—10 % суммарного коли-
чества
РНК
клетки.
В
ооците
в период
малого
роста
ТРИК
вместе с 5$ РНК (благодаря иепропорционально активному их
накоплению в это время} составляет до 90 ф всей РНК. В конце оогенеза доля тРНК оказывается даже меньшей, чем в обыч-
ных клетках
(—
2%). Это следствие интеисивного накопления
рибосомных (28$ и 185$} РНК в период большого роста, когда
темп синтеза ядрышковых РНК достигает огромных величин.
Так, в ооците Хепори$ 1ае0{5 в это время образуется 2 пг РРНК
в час, что в 200 тыс. раз превышает темп синтеза рРНК в печеночной клетке. Достаточно отметить, что в период кульмннации процесса в ооците формируется приблизительно 300 тыс.
рибосом в секунду. Благодаря столь высоким темпам накопления
рРНК
диспропорции,
которые
были
до
этого
между
коли-
чеством рибосомных и транспортиых РНК, исчезают. Однако у
других видов животных таких диспропорций может не быть,
поэтому преждевременно рассматривать эти наблюдения как закономерности, характерные для оогенеза.
Во время оогенеза интенсивно синтезируется иРНК. Определенная часть ее поступает в рибосомы и транслируется, обеспенивая белковые синтезы, непрерывно происходящие в это
время, другая часть депоннруется.
Изучение
синтеза
и накопления
иРНК
в ооците
труднено тем, что эта РНК составляет лишь небольшую
сильно
за-
(2—5 %}
долю суммарной РНК (см. гл. 2). Сведения о темпах накопления
и содержания иРНК в ооците косвенны и пока не очень точны.
Показано, что иРНК синтезируется на протяжении всего ооге59
неза, но наиболее интенсивно
— в поздний пернод, когда хромосомы в ядре ооцита (на стадиях пахннемы, ранней диплонемы)}
приобретают характерную конфигурацию
«ламповых
шеток»
(см. ниже). Наряду с иРНК, которая траислируется в процессе
оогеиеза,
в ооците резервируется большое количество «заре-
прессированной»
иРНК,
которая
накапливается
в ооплазме
в
форме рибонуклеопротеидов — информосом.
В ряде работ сделаиы попытки оценить содержание нРНК в
ооците на разных стадиях оогенеза. По некоторым данным, в
ооците
Хепориз
{ае{$
иРНК
на
раиних
стадиях
оогенеза
со-
ставляет 2 % от общей РНК, или 42 иг. На более поздних стадиях в зрелом яйце 6—7 % от общей РНК предположительно ин-
формационная. В яйцах морского ежа иРНК составляет 4—5 %
общей
РНК.
Накапливаемая
в ооците
иРНК
представлена
боль-
шнм разнообразием видов. Полагают, что в яйце амфибий храннтся по крайней мере 4.10% разновидностей иРНК, счнтанных
с уникальных генов. Кроме них в яйце могут быть также иРНК,
считанные
с
повторяющихся
генов.
Прн
этом
каждая
разновид-
ность иРНК может быть представлена множеством копий. Часть
иРНК, накапливаемой в ооците, содержит на 3’”-концах поли А
последовательности
(поли
А
(+)-иРНК).
Некоторые
иРНК,
ви-
димо, находятся в цитоплазме в форме ииформосом. Определенная часть запасаемых РНК
обнаруживается в ядре ооцита
(см. ииже).
Накопление
белков
в осцитах.
В
период
цитоплазматическо-
го роста (малый рост) в ооците синтезируется тот же набор
белков, который уже имелся исходио, т. е. в это время не появляется новых видов белка (за исключением желтка и, видимо,
регуляторных белков в период трофоплазматического
роста,
см.
ниже),
а
увеличивается
количество
предсуществовавших
белков ядра и компонеитов цитоплазмы. В соматических клетках
гистоны не накаплнваются, ибо онн синтезируются
строго координированно
с
репликацией
ДНК.
Оогенез
—
уиикаль-
ный случай иакопления в цитоплазме
больших
запасов
гистонов.
В предыдущем разделе показлио, что ооцит, создавая огромные резервы рибосом, нуждается, следовательно, в больщих количествах структурных белков рибосом, а также специфических
белков, образующих
комплексы с резервируемыми
5$5РНК,
иРНК и ТРНК.
В зрелом ооците Хелориз 1ае15 белки рибосом составляют
4 мкг от общего
белков,
синтеза
содержания
ка, синтезируемого
гают,
что
синтез
однако
еще
клетки
белок,
ство
60
белков
ооплазмы,
или
16 %
от всех
синтезируемых ооцитом. В период наиболее активного
РРНК в ядрышке доля рибосомного белка от всего белнеясеи
возрастает
ооцнтом,
может
рибосомных
механизм
накапливаемый
превышать
белков
30 $.
и РРНК
координации.
Другой
ооцитом,— тубулин.
пропорционально
росту
Предпола-
скоординировап;
ооцита,
_.
важный
Его
для
количе-
достигая
1%
всего растворимого белка ооплазмы. В ходе оогенеза увеличивается также количество цитоплазматических мембран и митохондрий. Примерно
дрий, сиитезируется
90%
белков, входящих в состав митохоявне их, на полисомах цитоплазмы, а ИРНК
для
в ядре. В процессе
них образуется
тельный
синтез
этих
белков
оогенеза
в цитоплазме,
отмечен
которые,
значи-
по-види-
мому, используются для построения новых митохондрий. В 00ците синтезируется и много других видов белка, однако конкретных сведений о темпах и соотношении этих синтезов пока
мало.
В состав желтка, накапливаемого в ооците, входит примерно
90 фвсего
белка.
Это
относится
торых
содержится
большое
тилиям,
амфнбиям,
рыбам
к видам
животных,
количество
и многим
в яйцах
желтка,— птицам,
беспозвоночным.
ко-
реп-
Желток—
сложиый
комплекс,
состоящий
из
липофосфопротеидов,
которые,
кристаллизуясь,
откладываются
в
ооплазме
в
форме крупных гранул и иногда пластинок.
Хорошо
изучеио
строение компонеитов желтка в желточных
пластииках амфибий.
Структуриой единицей желтка является комплекс из двух
соединений: липовителлина и фосвитина. Липовителлии
— липопротеид с молекулярной массой 400000, в состав которого входит ^— 20% липидов. Фосвитин — фосфопротеин с молекулярной
массой 40000, состоящий из белка и фосфата (8,4 %}. Каждая
молекула липовителлина представляет собой димер. Одна молекула липовителлина и две молекулы фосвнтина образуют
комплекс, представляющий собой структурную единицу желточиой пластинки. Эта лластивка имеет плотную центральную зову
и более рыхлую периферическую. Снаружи она окружена тонкой
осмиофильной мембраной. Плотная зона представлена гексагональной кристаллической решеткой,
образуемой молекулами
фосвитина. У рыб желток оформлен в виде гранул примерно
такого же строения, ио у них, особенно у морских форм, содержание фосфата может быть пониженным.
4
Р}
Источники органелл и макромолекул,
накапливаемых в ооците
Значительное
сти в оогенезе
накопление
насекомых,
продуктов
амфибий,
синтетической
рыб,
птиц
ео
активно-
предполагает
со-
ответствующие механизмы обеспечения ооцита этими продуктами. Запасаемые в ооците структуры и вещества могут формироваться: 1} самим ооцитом, 2) специальными клетками яичника,
примыкающими к ооциту,— питающими клетками (трофопитами) и 3) вне гонад —в разных органах, откуда они поступают
в яичиик
и ооцит.
|
В осиове синтетической
.
активности
клетки лежит траискрип51
ция генов. Накопление таких резервов сопряжено либо с длительным интенсивным функционироваиием генов, либо с увеличением числа копий соответствующих гепов (увеличением «дозы» генов), а иногда с тем и другим. В последние 10—15 лет
с помощью
цитобиохимических
и молекулярно-биологических
тодов выяснено, что в ядрах ооцитов
вышающие активность синтеза РНК.
Амплификация
рибосомиых
происходят
геиов
— способ
процессы,
ме-
по-
интеисификации
накопления рибосом в ооците. У многих животных в ооците в
короткие сроки накапливается огромное количество рибосом
за счет временного избирательного увеличения числа рибо«омиых генов (р-генов}. Это явление получило название амплификации или экстракопирования генов. Наиболее детально амплификация изучена у бесхвостых амфибий и насекомых. Суть
амплификации заключается в следующем, При обычной репликации ДНК удваивается вся хромосома, тогда как при амплифи-
кации копируются только избранные, в данном случае р-гены.
Как известно, рибосомные гены у животных и растеннй представлены наборами из тандемно расположенных (т. е. следующих друг за другом) повторяющихся единиц РДНК, каждая из
когорых содержит по одному гену (цистрону) для 18$ и 28$
?РНК и «спейсерный» участок (см. гл. 2). При амплификации
вся РДНК копируется, а вновь образованные копии РДНК отделяются от хромосомы, формируя свободные ядрышки, «плавающие» в кариоплазме (экстраядрышки). Как показано иа ооцитах шпорцевой лягушки, образоваиие дополнительных рДНК начинается в период лептонемы
— зигонемы и особенно интен<ивно в период пахинемы. В результате формируется 1000—1500
дополнительных ядрышек (экстраядрышек), которые интенсивно продуцируют рибосомы. Благодаря амплификации способность продуцировать рибосомы у оощита возрастает на 3 порядка. К концу оогенеза
вскоре отбрасывается
амплифицированная ДНК разрушается и
(согласно одному из предположений, не-
большая часть экстра-рДНК сохраняется в яйцеклетке и затем
передается гоиоцитам, выполияя роль матриц для новых амплификаций
во время
последующего
Наибольшую активность
обретают в начале большого
оогенеза).
новообразованные ядрышки
прироста. У животных, у которых про-
исходит амплификация р-геиов,
ливаемых в ооците рибосом.
это важнейший
источник
накап-
Накопление 5$ РНК и тРНК
— также результат собственной
транскрипционной активности ооцита. Высокий уровень сиитеза
этих
РНК
обусловлен
тем, что гены,
кодирующие
их, многократ-
ио повтореиы. Число копий геиов 55 РНК в ооцитах Хепори$
16е915 достигает порядка 25 тыс. Гены ТРНК состоят из сотен
копий.
высокая
Очевидно,
число
иитенсивность
копий
этих
геиов в хромосомах,
образования
ТРНК
(благодаря
а также
их
ма-
лым размерам) и, наконец, большая продолжительиость оогенеза достаточны для формирования необходимых запасов 55$ РНК
83
и ТРНК
в яйце,
поэтому
амплификацин
этих
генов
не
происхо-
дит.
Синтез информационных РНК. Хромосомы типа «ламповых
щеток», В профазе мейоза происходит спирализация хромосом
ооцита
—
состояние,
при
котором
ность ие может быть высокой.
большую часть иРНК, которая
ния
периода
малого
роста,
их
транскрипционная
актив-
Между тем ооцит синтезирует
резервируется. После заверше-
в течение
которого
проходят
фазы
лептонемы, диплонемы и пахинемы, перед тем как войти в метафазу (т. е. максимально спирализоваться), хромосомы временно частично деспирализуются (фазы диплонемы, диакинеза), приобретая вид «ламповых щеток». В этот период во всех хромосомах иаблюдается необычайно высокая транскрипционная активИОСТЬ.
Существенная особенность структурного состояния «ламповых щеток»
— такая степень деспирализации хромосом, при которой обеспечивается активная транскрипция, но при этом они
не выходят из состояния, характерного для профазы (хромосомы различимы даже в световом микроскопе). Основу хромосомы образует цеитральиая ось
— иить ДНК с утолщениими (хромомеры), от которой отходят петлевидиые образования, состоящие из более тонкой нити, иа которой синтезируется РНК. Каждая
петля
— участок
ДНК,
с которого
счнтывается
гигаитская
цепь РНК, к которой уже присоединены белки. Предполагается,
что каждая петля представляет собой отдельиую единицу траискрипции,
т. е. ген.
В
конце
диакииеза
(эта
стадия
может
быть
очень продолжительной) хромосомы вновь спирализуются, петли подвергаются регрессии, обретая внд, характерный для хромосом,
вступающих
в метафазу,
Хромосомы
типа «ламповых
ще-
ток» первоначальио были обнаружены у амфибий, хрящевых
рыб и птиц, а в последующем — в ооцитах всех животных и человека, а также во многих случаях в сперматоцитах. Сейчас
известны многие детали их тонкого строения.
Вителлогенез внутри ооцита (эндогеииый желток). Некоторая часть желтка образуется из предшественников, синтезированиых
в
ооците.
Иногда
его
называют
«‹аутосинтетическим»
или
эндогенным желтком, Остальиая часть желтка формируется из
готовых макромолекул — предшественников,
поступающих
в
ооцит извне («гетеросинтетический», или экзогенный, желток).
У многих беспозвоночных (турбеллярии, ракообразные н некоторые рыбы) доля эндогенного желтка значительна.
Эндогенный
желток формнруется
в аппарате
Гольджн
из бел-
ков, сиитезирующихся в эндоплазматическом ретикулуме. У низкоорганизованных жнвотных, у которых желток образуется только эндогенио, аппарат Гольджи и эидоплазматический ретикулум очень хорошо развиты. Еще в начале века высказывались
предположения о превращении митохондрий в желток. В последнее время выясиено, что в некоторых митохоидриях действительно откладываются компонеиты желтка, однако о происхож63
дении этих белков нет единого мнения. Первоначально между
наружной и внутренней мембранами митохоидриальных крист
образуются желточиые гранулы. Но мере того как их размеры
увеличиваются, митохондриальные кристы исчезают и со временем возникает желточная гранула. Такая картина описана пока
У немногих животных, но и этого достаточно для утверждения,
фк
бт
'
Рис. 17. Питание ооцитов у губок (по Тюзе, 1968). А — ооциты
до начала активного роста; Б, В — интенсивно растущие ооциты; фк — фагоцитированные клетки
.
‘
=.
..
'.
‹
-
что митохондрии участвуют в запасании желтка. По иекоторым
сведениям, у лягушки до 20 % митохоидрий могут перерождаться в желточные структуры.
ный
Вителлогенез за счет поступления веществ извие (экзогеижелток). В большинстве случаев собственная активиость
ооцита
не в состоянии
обеспечить
необходимое
для него коли-
чество депонируемого материала. Кроме того, у многих животных амплификация р-генов не выражена либо отсутствует. По-
этому в ходе эволюции были выработаны различные механизмы,
обеспечивающие поступление синтезированных вне яичиика веществ в ооцит.
(о
ит
ря
5%
°
:
Способы обеспечения ооцита материалом извне у разных животных неодинаковы и зависят от уровня их эволюционного
раз-
ВИТИЯ.
Существуют следующие формы
обеспечения ооцита питательными
веществами
—
фагоцитарный,
нут-
риментарный
(с участием
питающих клеток
— трофоцитов, расположенных в гонаде
и родственных
ооциту) и экстрагонадный (поступление в ооцит веществ из других
органов через фолликулярный эпителий). При отсутствии гонад (у
низкоорганизованиых форм — губок,
кишечнополостных,
ресничных червей) ооциты развиваются в разных
участках тела (диффузиый оогенез),
активно перемещаясь и фагоцитируя другие клетки (рис. 17). Фагоцитоз— осиовной путь поступления
веществ, необходимых
для
роста
ооцитов этих животных.
У губки
Регоома
обнаружены
первые
признаки использования других клеток в качестве питающих:
соединяет к себе
так
ооцит при-
называемую
Рис. 18.
клетку-иосительницу,
которая захватывает и поглощает хоаноциты
ближайшего
жгутикового
канала.
Продукты
их распада
проникают
Ооцит, жука плавунца
профоцитов)
о И. око,
лову, 1966)
в ооцит.
У кишечнополостиых
(пресноводная гидра) оогонии, сформировавшиеся из 1-клеток,.
располагаются тесными группами, и лишь одна из них превращается в ооцит:
она растет,
поглощая
сестринские
клетки
Позже иесколько ооцитов сливаются в один, и все их ядра, кроме одного, дегенерируют.
,
Такой
способ
питания,
уже
не
связанный
с
передвижением
«ооцита-хищника», представляет собой переход к нутриментарному типу, распространенному среди разных групи червей и
членистоногих.
Система «ооцит
— трофоциты». Ооцит и трофоциты образуют систему родствениых (происходящих из оогониев), структурно и физиологически тесно связанных между собой клеток. Они
хорошо изучены у насекомых, где расположены группами в яйцевых трубочках (оварнолах). Различают овариолы паноистического и мероистического типов.
В последних по соседству с
ооцитами имеется группа питающих клеток
— трофоцитов, снабжающих ооцит продуктамн синтетической активностм, главным
образом рДНК (рис. 18, 19).
Рассмотрим процесс их возникновения на примере предста5
Заказ
645
‚
|
|
65
.
вителя двукрылых — дрозофилы. В результате четырехкратного
деления каждого оогония возникает 16 клеток, причем цитотоМИЯ
при
делениях
не
завершается
И
между
сестринскими
клет-
ками сохраняются цитоплазматические мостики. Все 16 ооцитов
вступают в начальиые стадин профазы мейоза, однако в последующем лишь один из них продолжает оогеиез, остальные 15
превращаются в питающие клетки
— трофоциты. В отличие от
Рис. 19. Дифференцировка группы оогониев
в
Огозорййа тевловаЯег. А — оотоини; Б — ооцит
ооцит и
(сверху)
питов; В — ооцит, поглощающий трофоциты
в трофоциты
у
с труппой трофо-
ооцита, масса которого интенсивно увеличивается за счет преимущественного роста цитоплазмы, в трофоцитах интенсивно
растут и ядро и цитоплазма, причем ядро опережает в росте
цитоплазму. Следовательно, для ооцита и трофоцита характерны обратные ядерно-цитоплазменные отиошения и это обусловлено тем, что цитоплазма ооцита использует продукты синтетической активности ядра трофоцита.
Другое отлнчие состоит в том, что на протяжении всей профазы ооцит остается тетранплоидным, тогда как в трофоцитах
хромосомы проходят множество редупликаций, достигая высоких степеней плоидности. Трофоциты интенсивно синтезируют
РНК и, возможно, белки и транспортируют их через цитоплазматические мостики в ооплазму. У животных с развитой системой
«ооцит
— трофоциты»
собственная
активность
ооцита
не-
велика: в его ядре происходят в основном мейотические процессы.
В гонадах улитковой пиявки на один растущий ооцит приходится
около
2000
вспомогательных
клеток,
которые
связаны
с
ооцитом специальной зоной (рахис). Интересно, что в этом случае питающие клетки не полиплоидизируются:
видимо, ввиду
их большого числа необходимость в этом отсутствует.
Фолликулярный эпителий. Фолликулы. Наиболее распространенный
66
тип
питаиия
яйцеклеток
связан
с функцией
фолликилучр-
ных клеток, окружающих ооцит. У насекомых этот тип питания
сочетается с нутриментарным, в их яичниках Ффолликулярные
клетки окружают
ооцит вместе с его питающими
клетками.
У позвоночных питанне с участием фолликулярных клеток явдяется единственным источииком экзогенных веществ. В отличие
от трофоцитов фоллнкулярные клетки по своему происхождению
соматические.
У зародышей млекопитающих оогонии лежат в корковом
слое яичника, окружеиные соматическими клетками, которые превращаются в фолликулярные клеткн; затем формируются фолликулы— ооциты, расположенные внутри слоя фолликулярных
клеток (рис. 20, А). Стеики фолликул вначале однослойные, но
затем в результате размножения фолликуляриых клеток
становятся
многослойиыми.
Фолликулярные
клетки
выделяют
жидкость,
которая
скапливается
внутри
фолликула.
Часть
клеток внутри фолликула резорбнруется
— образуется полость,
заполненная жидкостью. На заключительиой стадии развития
ооцита образуются крупные фолликулы с объемистой полостью,
заполненной
фолликулярной
жидкостью.
По
имеии
впервые
от-
крывшего их Де Граафа, такие зрелые фолликулы с завершившим рост ооцитом называют
граафовыми пузырьками
(рис.
20, Б). Фолликуляриый эпителий за редким
исключением (головоногие моллюски} не снабжает ооцит продуктами собственной синтетической активности. Но он играет большую роль в
процессах, связанных с поступлением в ооцит веществ экстрагоиадиого происхождения.
Экстрагонадиый синтез веществ для обеспечения роста ооцита характерен для ряда беспозвоночных (главным образом, насекомых)
и
для
позвоночных
животных.
У
насекомых
эти
ве-
щества синтезируются в жировом теле, у ракообразных
— в гемолимфе и в гематопанкреасе, у птиц и млекопитающих — в печени. Из этих органов вещества поступают в гемолимфу (у беспозвоночных) или в кровь (позвоночные), а оттуда через фолликулярный эпителий в ооцит. Фолликулярный эпителий, выполняющий множество функций (защитных, барьериых, регуля-
торных), обеспечивает также перенос в ооцит веществ, сиитезированных вне гонады.
Между
фолликуляриыми клетками и ооцитом ие устанавливается
прямых
и трофоцитами.
от
цитоплазматических
В
фоллнкулярных
зоне
контакта
клеток
в
связей,
как
между
(периооцитное
сторону
яйцеклетки
ооцитом
пространство)
направляются
длинные выросты— микроворсинки, которые виедряются в поры
ее оболочки снаружи. В свою очередь на поверхности ооцита также возникают микроворсинки, которые виедряются в поры оболочкн фолликулярных клеток изнутри. Транспортируемые вещества
тивно
попадают
сначала
в периооцитиое
(путем пиноцитоза)
бом в ооцит поступает вителлогенин
торого строится желток.
5*
:
простраиство,
захватываются ооцитом,
‘
а оттуда
Таким
ак-
спосо-
(липофосфопротеид}, из ко`
И:
т
.
.’
Большой интерес представляет вопрос о механизмах, обеспечивающих селективность переноса веществ в ооплазму, в частиости факторов, индуцирующих пиноцитоз. Многочисленными
экспериментами показано, что не все вещества способны перейти из крови (либо гемолимфы) в ооцит. Для этого они должны
сиачала пройти через барьер, образуемый фолликулярным эпителием, и затем проникнуть в периооцитное пространство
— на
границе между мембранами фолликулярных клеток и ооцита.
Следующий этап -— транспорт веществ в ооцит
— по-вилимому, зависит от ряда факторов. По иекоторым данным, на поверхности мембраны ооцита имеются
специфические
рецепторы,
«узнающие» вещества, которые
должны быть
перенесены в
ооцит
(вителлогенин).
Сначала
в этих участках
создается
(бла-
годаря сродству к рецепторам) повышенная концентрация лереносимого вещества, что, видимо, индуцирует пиноцитоз: возвикает углубление в мембране, края мембраиы смыкаются— формируется пиноцитозный пузырек (20—30 нм) с заключенным в
нем коицентрированным вителлогенином. Пузырьки погружаются в ооплазму, сливаются друг с другом, захватывая также пузырьки
аппарата
Гольджи.
В таком
объединенном
пузырьке
и
образуется примордиальная (зачаточная) желточная гранула.
Это происходит следующим образом: вителлогенин распадается
Рис. 20. Ооциты
1 —
68
ооциты,
и фолликулярные клетки в якчнике млеколитающих.
няя стадия — формирование фолликулов:
2 — скоплевие
фолликулярных
клеток,
9 — однослойный
А — ран-
фодлекул
на липовителлин
них
вновь
образуются
ком-
плексы,
характерные для структурных
и фосвитин,
а из
единиц
желтка. Если
на-
рушить
целостность
фолликулярного
эпителия
или
изолировать
ооцит (отделить его от фолликуляриого эпителия), селектнвность и скорость транспорта уменьшаются. В этих условиях в
ооцит
могут
проникать
также
чужеродные
белки
и
соединения,
которые обычно в него не попадают. Правда, внутри ооцита они
быстро разрушаются. Таким образом, фолликулярный эпителий
играет
сложную
и
важную
роль
в
процессе
транспорта
веществ
в социт.
р
Б — молодой
ооцит,
окруженный
несколькими
`
слоями
фолликулярных
.
Клеток:
1— клетки фолликуляриого эпителия. 2 -—- оболочка ооцита
(топа реЙис! а), 3 — отростки
фолликулярных
клеток, 4 — встречные выросты
({мнкровилли)
ооцита,
5 — ядро социха,
6 — эндоплазматический ретикулум
69
-.
|
°
Созревание ооцита
Это период от первого митотического деления до образования яйца. При оогенезе у многих животных мейоз начинается на
более ранних стадиях индивидуального развития, чем при сперматогенезе. Так, у мыши все оогонии синхронно прекращают
деление на 14-й день эмбриогенеза и вступают в прелептонемную интерфазу и далее в профазу мейоза. С момента вступлення
в профазу оогоний превращается в ооцит [ порядка. Профаза
мейоза у разных животных имеет неодииаковую продолжитель-
иость: у мышей она длится 5 дней, у крыс
— 10, у кроликов—
20 дней. Ооциты, прошедшие диплонему, не вступают сразу в
прометафазу, а переходят в стадию диакинеза, которая имеет иеодинаковую у разных животных продолжительность. У мышей
ооциты вступают в эту стадию на 4—5-й день после рождения,
у крыс—на 5—7-й день. На стадии диакинеза течение мейоза
замедляется (возникает блок}.
Выход нз диакинеза и начало делений созревания (мейотических делений) приурочены к моменту половозрелости, когда
ооциты завершают
все процессы
подготовки
к созреваиию.
Это происходит под влиянием регулирующих оогенез механизмов,
среди
которых
большую
роль
играют гормоны
и взаимодей-
ствие ооцита с окружающими клетками,
Рассмотрим некоторые, наиболее важные измеиения в ядре
и цитоплазме во время созревания ооцита. Переход к созреванию ооцитов, прошедших профазу мейоза, осуществляется под
влиянием гонадотропных гормонов (см. гл. 10) передней доли
гипофиза. На конечных этапах роста фолликула фолликулярные
клетки способны реагировать иа действие гонадотропных гормоиов гипофиза. Лишь после этого специфического стимула в фолликуле начинается созревание ооцита. В специальных опытах с
очищенными гонадотропными гормонами, меченными радноактивными изотопами, было показано, что в этот период в ответ
на действие гонадотропного гормона фолликулярный эпителнй
пролуцирует другой (стероидный) гормоиальный агепт
— прогестерон
(или его аналог), который поступает в ооцит и индуцирует в нем процессы созревания. Процесс созревания хорошо
изучен у амфибий, рыб и млекопитающих, что оказалось возможным благодаря разработке методов, позволивших воспроизвести процессы созревания вне организма.
В естественных условиях гонадотропные гормоны выделяются в кровь лишь в определенные периоды цикла размножения:
у животиых с сезонным циклом
— перед наступлением времени
откладки яиц, течки; у приматов и животных с несезоиным раз-
множением — в определенный
воцируется
(точнее,
спариваиием.
их определенная
момент полового цикла либо про-
Появление
в крови
концентрация)
гонадотропинов
индуцирует
в фоллику-
ле, достигшем соответствующей стадии, процессы созреваиия.
В условнях эксперимента созревание фолликулов, готовых к
76.
восприятию гормонального стимула, можно спровоцировать внъекцией гормона. Число реагирующих на гормон фолликулов в
какой-то мере зависит от концентрации гормона, поэтому, вводя
его в больших количествах, можио индуцировать созревание несколько большего числа ооцитов, чем происходит у них в естественных условиях.
Рис. 21. Деления созревания (мейотические деления) в ооцитс (по Вильсону,
1940): А — метафаза первого деления созревания; 6, В — выделение первого
полярного тельца (1); Г, Д — метафаза и анафаза второго деления созревания ооцита (одновременно делится 1-е полярное тельце}; Е — выделение второго полярного тельца (2)
Изменения в ооците в период созреваиия. В ооцитс, готовом
к созреваиию, ядро, часто именуемое «зародышевым пузырьком», занимает различное положение: 1) в центре; 2) в зоне аиимального
полюса,
но
вдали
от
поверхности;
3)
вблизи
от
по-
верхностн у анимального полюса. Оно содержит ядрышки, кариоплазму, хромосомы на стадии диплонемы. Вскоре после воздействия гормона (прогестерона)
иачинается первое мейотическое деление (рис. 21). Ядро мигрирует к поверхности яйца у
анимальиого полюса, после чего мембрана ядра разрушается,
кариоплазма смешивается с ооплазмой, а хромосомы конденсируются. В тех случаях, когда хромосомы в ооцитах перед созреванием имеют вид «ламповых щеток», их петли исчезают. Одл
новременно с разрушением ядерной мембраны происходит регрессия ядрышек
— из инх исчезает РНК (но сохраняется материал
ядрышкового
организатора).
Хромосомы
располагаются
в
плоскости, перпендикулярной к оси веретена,
— формируется метафаза, Весь этот период— от разрушения ядерной мембраны,
которая знаменует начало периода созревания, до появления
метафазы | — называют прометафазой 1-го мейотического деления.
Ядро
содержит
иабор 2 п хромосом
(по
количеству
ДНК-4С). Вслед за этим происходит редукцнионное деленне: расхождение гомологичных хромосом, т. е. редукция их числа. Сестринские
наборы
концеитрируются
у
полюсов
веретена
так,
что
один из них непосредственно оказывается у мембраны анимального полюса. Во время телофазы из него формируется ядро, которое вместе с небольшим слоем окружающей цитоплазмы и
центриолью выводится из ооцита, располагаясь на аннмальном
полюсе снаружи от плазматической мембраны ооцита, но под
его первичной оболочкой (см. ниже). Эта небольшая клеточка
носит название ]-го полярного тельца (полоцита), а ооцит получил название ооцита 2-го порядка. Его ядро содержит уже гаплоидный
ству ДНК
редуцнрованный набор хромосом
— каждая нить еще двойная (2С).
(п),
но
по
количе-_
”
Вслед за тем хромосомы ооцита 2-го порядка и 1-го полярного тельца без какой-либо подготовки вновь выстраиваются в
метафазную
пластинку.
Начинается
второе
деление
созревания
—.-
эквационное
расхожденне сестринских хроматид. Вся последовательность процессов повторяет первое деление. У анимального полюса появляются три полярных тельца: два
— в резуль` тате деления первого полоцита, одно
— при разделении хроматид внутри ооцита 2-го порядка. Но первое полярное тельце может
дегенерировать
раиьше,
чем
успеет
еще
раз
разделиться.
Продолжительность мейотических делений у разных видов
животных варьирует. Как правило, продолжительность первого
деления
больше.
После
заверщения
второго
деления
в
ооците
остается один редуцированный гаплоидный набор хромосом, который формирует иитерфазное ядро, называемое женским пронуклеусом. Одновременио происходят характерные изменения в
цитоплазме
яйцеклетки:
она
обводняется,
повышается
виутри-
клеточное давление (тургор), поверхностный слой цитоплазмы
приобретает свойства сократимостн (имеющее больщое значе. низ при последующем дроблении яйца), понижается проницаемость, повышается чувствительность к температурным воздействиям, появляется способность к цнтотомии. Периферический
слой яйца при созревании приобретает свойства, необходимые
для осуществления характерных реакций при оплодотворения
‚ (кортикальная реакция, см. ниже), в ооците появляются факторы
Преобразования
ядра сперматозоида в мужской
пронухлеус.
Все
эти
изменення
в ядре н цитоплазме
представляют
цепь взаимосвязаиных процессов, в которых принимают
72
|
=.
собой
участие
как факторы, подготовленные
И
роста
ооцита,
так
и
те,
экспериментов
<
целью
на предыдущих этапах развития
которые
возникают
период созревания. За последние годы было
ство
какой
последовательности
(@)
ь
днк
р
Г
/
Дитостеры
=
<
Способноеть
/
у
ине
й
факторы
щению
ми
ядер
спермиев
б прануклеусь
(7.
и проницаеметь
1.
реекиии
| В
ме
7: .:
способность
к оплодотводению
к
Г
фе:
.
&
у
Ре
:}
,
активации
и
7
—_
т
Способность
проведению
импульса
&
).
кортикального
пособность к
2
/:.
арганелл
Сократимость
ра
>
В
в ооците,
\ Изменение структуры цитоплозметичес-
хортикальной
#
ПОНЯТЬ.
15
дезинтеграция
и“
к преёра-
И
множе-
и пвриодолочки
стых пластинок
у
Способность
к цит01?0-
эти
проведено
и взаимообусловленности
А
Кариоплезма
5-7,
`
Конйенсация „№ Ж2/1
хромасам
+
\№
В
Способность” и <=
`
к синтезу
/
—®
5)
выявить
непосредственно
Пе
ы
‘сох
|
`:
бнодотровины
Рис. 22. Свойства, приобретаемые осцитом в процессе созревания
(по Т. А.
Детлаф, 1977). Обозначепы свойства цитоплазмы, из которых часть прнобретается уже в период созревания, а другая
— только в начале развития, т. е.
в соците возникает лищь способность к ним. Показаны свойства, в становлении которых кариоплазма не участвует (сплошные стрелки), и свойства, возникающие с участием компонентов кариоплазмы (пунктирные стрелки} '
индуцированном
лекулярные
к
созреванию,
процессы.
протекают
Благодаря
этим
биохимнческие
нсследованиям
выяснить,
какую
роль
играют
в
созревании
структурные элементы
системы
— железы внутренней
и
мо-
удалось
основные
секреции,
регулирующие созревание,
фолликуляриый эпителий, ядро и
цитоплазма ооцита. В результате всех этих процессов яйцо сиаб-‘
жается
(кроме
запасов
питательных
веществ,
компонентов
ап93
парата транскрипции и трансляции, энергетических ресурсов н
т. д.) и набором специфическнх регуляторных факторов чаще
всего невыясненной прнроды, но выясненного назначения. Эти
факторы
либо накапливаются
на предшествующих
стадиях
оогенеза, либо синтезируются
непосредственно в период со-
зревания.
Рассмотрим
некоторые
из этих факторов
(рис. 22).
Один из важных
моментов при созреванин
— разрушение
ядерной мембраны (которое рассматривается как основной морфологический ноказатель начала созревания) — пронсходит под
действием фактора дезинтеграции ядерной оболочки. Он появляется в цитоплазме ооцита под действием прогестерона, и для
его возникновения не требуется участия ядра ооцита (это было
показано в опытах, в которых из ооцита удалялось ядро). Его
активность обнаруживается перед тем, как ядерная мембраиа
разрушается, а после разрушения активность снижается. Если
питоплазму ооцита
на этой стадии инъецировать в незрелые
ооциты, то в них
и без гормональной индукцин разрушается
ядерная мембрана. Фактор не специфичен: он дезнитегрирует
мембраны ядер ооцитов отдаленных видов. Фактор имеет, по-видимому, ‘белковую природу (термолабилен, инактивируется протеолнтическнмн ферментами) и способен амплифицироваться в
цитоплазме. Предполагается, что первоначально под влиянием
прогестерона
название
новых
в
ооплазме
инициатора.
РНК,
но необходим
влиянием инициатора
ной мембраны.
синтезируется
Для
его
вещество,
появления
незначнтельный
активируется
получившее
не требуется
сиитез
белковый синтез. Под
фактор дезинтеграции
После разрушения ядерной мембраны в
действовать важный для созревання фактор,
ядер-
ооците
начинает
вызывающий кон-
денсацию хромосом. В его появлении участвуют и ядро и цитоплазма, т. е. он возникает только при смешивании кариоплазмы
с ооплазмой. Механизм его формирования пока не ясеи. Действие фактора неспецифично. Он вызывает конденсацию хромосом любых (напрнмер, нервных} клеток, если их ядра инъецировать в ооцит с разрушенной ядерной мембраной.
В созревающем ооците возникают также факторы, без которых ядро сперматозоида не преобразуется в пронуклеус и в
ием не активируется синтез ДНК перед дроблением. Появление
этого фактора также
связано с участием ядра и цитоплазмы
ооцита. В процессе созревания в цитоплазме образуется фактор,
ответственный за цитотомию во время дробления яйца: без него
не происходит дробления. Выяснено, что этот фактор формируется в ядре ооцита на довольно ранних стадиях оогенеза и
хранится в нем до момента, когда начинается созревание. Цосле
разрушения ядерной мембраны ооцита он вместе с другими компоиентами кариоплазмы переходит в цитоплазму. Так, в опытах
на
амфибиях
и севрюге
шения ядерной мембраны
приступают к дроблению,
74
было
показано,
что
если
до
разру-
удалить из ооцита ядро, ооциты не
но если в ооцит инъецировать мате-
риал кариоплазмы, взятый из созревшего или незрелого обцита, произойдет дробление.
Следовательно, фактор цитотомии
присутствует в ядре до созревания и для проявления его активности необходимо,
чтобы
в норме и происходит
созревании).
А
многих
он перешел
из ядра
после разрушения
в цитоплазму
ядерной
(это
мембраны
при
.
животных
на
определенном
этапе
созревания
ооци-
та (например, у позвоночных на стадии метафазы П деления
созреваиия) наступает очередной блок мейоза. У амфибий вскоре после разрушения ядерной мембраны в ооцнте появляется
фактор, ответственный за блок мейоза на стадии метафазы П,
Фактор сохраняет активность вллоть до оплодотворения (или
искусствениой активации) яйца, после чего обратимо инактивируется. Он получил название цитостатического фактора, т. е.
фактора, блокирующего деление. Однако попытки подтвердить
эти
данные
пока
не
увенчались
У разных животных
ях
и
снимается
успехом.
блок мейоза возникает на разных стади-
процессом
оплодотворения.
Известны
четыре
т. е. до
иачала
варианта блокирования.
1. Мейоз
блокируется
созревания.
К этой
беспозвоночных:
кольчатых
губки,
червей,
звезды.
Однако
рования
и
на
группе
стадии
диакинеза,
отиосятся
в основном
некоторые
моллюсков,
(что
крайне
оплодотворения
внды
плоских,
стадии.
Этот
вариант
круглых
щетинкочелюстных,
неожиданно)
обнаружен
иу
такой
трех
тающих: лошади, собаки и лисицы.
2. Блокируется метафаза Т, оплодотворение
этой
представители
тнпивен
для
способ
видов
блоки-
млекопи-
происходит
насекомых
и
морские
и
описан
на
у
некоторых моллюсков, червей (кольчатых и немеретин) и губок.
3. Блокнруется метафаза Ш, что характерно для подавляющего большинства изученных в этом отношенин позвоночных.
4. Мейоз не блокируется. Яйцо останавливается в развитии
после завершения мейоза, когда сформнрован женский пронуклеус (некоторые кишечнополостные и иглокожие— морские ежи).
большинстве случаев блок мейоза снимается после активации яйца при оплодотворении
или путем искусственной актнвации (см. ниже). Механизм блока мейоза пока не выяснен.
Овуляция
На
ння,
ция.
й
>
стадии развития, соответствующей началу оплодотвореооцит высвобождается из фолликула
— происходит овуляПроцесс овуляции, тесно скоррелированный с созреванием
оплодотворением,
у
позвоночных
осуществляется
под
контро-
лем гормональных механизмов, индуцирующих разрыв фолликуляриого эпителия. У животных этой группы мейоз блокируется на стадии метафазы И, и овуляция пронсходит на этой же
стадии. Оплодотворение следует непосредственно после овуля78
ции и внутреннего
щнх)
либо
осеменения
во внешней
среде
в яйцеводах
после
(как у млекопитаю-
откладки
свежеовулирован-
ных янц и наружного осеменения.
‚. Овуляция
и физнологические механизмы, связанные с ней,
хорошо изучены у млекопитающих и амфибий. Этот процесс,
как н созревание, контролируется гормонамн.
Структуриая организация
и физиологические особеиности яйцеклетки
‘Тесная взаимообусловлеиность конечных этапов созреваиия
ооцита и начальных процессов раннего эмбриогенеза вызывает
вопрос: что называть зрелым яйцом? Действительно, у многих
животных ооцит при незавершенном процессе созреваиия уже
оплодотворяется.
Если
овулировавинй
ооцит
(яйцеклетка)
не
оплодотворяется в течение короткого времени, в нем интенсивно происходят процессы «старения»
— уменьшается способность
к нормальному оплодотворению и к последующему развитию.
Яйцо, такнм образом,— весьма нестабильная система и для сохранения его жнзиеспособности необходима своевременная активация к развитию.
Проблема
щих
решена
длительного
лишь
в
сохранения
последние
годы:
в
яйцеклеток
млекопитаю-
присутствни
крнопротек-
торов (веществ, влияющих на процесс кристаллизацин воды) их
удается заморозить и хранить при —190 °С. Заморожениые яйцеклетки после размораживання
способны
нормально
развиваться.
В ходе оогенеза резервнруется большое количество компонентов, которые необходимы для раннего эмбриогенеза. Одновременно
в яйцеклетке
формируется
программа
последователь-
ного нспользования этих компонентов в ходе раннего эмбриогенеза. Отсутствие или недостаток какого-либо фактора нарушает
согласованную цепь последовательных и взаимозависимых процессов, что чаще всего приводит к нарушениям и к остановке
развития. Важное значение имеет организация зарезервироваиных
структур
и факторов
в яйце,
ибо
она
специфнчна
для
каж-
дого вида и определяет последовательность и взаимообусловленность процессов раннего развития.
Рассмотрим основные
структурные и физиологические особенности
яйца к моменту
овуляции.
1. Ядро яйцеклетки, небольшое по размеру (за редким исключением), не активно ни в отношении транскрипции, ни в отношении репликации, содержит набор хромосом, характериый
для времени наступления блока мейоза у данной группы животНЫХ.
-2. Помимо компонентов аппарата трансляции, структурных
белков, о которых говорилось выше, в яйце есть резервы многих ферментов,
относятся
76
необходимых
ферменты
синтеза
для
ДНК
ранних
стадий
и РНК
развития.
(ДНК-
К ним
н РНК-поли-
меразы).
Резервы
этих
ферментов
могут
быть очень значитель-
ны, Например, в яйце Хепориз {[ае\{5 содержится такое количество ДНК-полимераз, которого хватило бы для репликацни ДНК
ядер зародыша до стадии 200 клеток. Дж. Гердон инъецировал
в янцо этих животных
большое количество ядер из соматических клеток. В сотнях ядер, введенных в яйцо, происходила реДНК.
Было
показано,
что
помнмо
ДНК-полимераз
пликация
яйца
содержат
особый
вид
ствующий
в других
клетках.
обычных
типов
фермента,
Предполагается,
отсут-
что эти специфиче-
ские ДНК-полимеразы необходимы для обеспечения высокой скорости репликации ДНК, характерной для дробящихся яиц многих животных (см. ннже).
Для репликапни ДНК, кроме указанных ферментов, требуется система энзимов
сннтеза
дезоксинуклеозидтрифосфатов
(фосфокнназы, редуктазы и др.). Эти ферменты также резервируются в овулировавшем яйце либо в готовом и уже активном
внде, лнбо в неактнвной форме. Таким образом, в пернод раннего эмбриогенеза процессы репликапнн ДНК полностью обеспечены резервами, заготовленными в яйце.
Ферменты
транскрипции, включающие
ДНК-зависимую
РНК-
полимеразу, ферменты синтеза полиаденнлатов, рибонуклеозидтрифосфатов и другие компоненты системы синтеза РНК, также
запасаются в яйцах животных. Например, в яйцах амфибий содержится
такое количество
кое содержится во
400 тыс. клеток).
3.
В
яйце
нообразные
вации
всех
имеется
ДНК-зависимых
головастика
миожество
факторов,
регуляторные
запасенных
в
РНК-полимераз,
клетках
функции.
яйце
процессов синтеза ДНК
Онн
ферментов,
ка-
(приблизительно
выполняющнх
необходимы
рибосом,
для
иРНК,
раз-
актитРНК,
и РНК, для быстрой н правильной сбор-
ки нуклеосом и т. д. и обеспечивают координированное функционирование всех заготовленных компонентов физиолого-биохи-
мических систем начинающего развиваться зародыша. О некоторых из них (факторе превращения ядра сперматозоида в мужской пронуклеус, факторе цитотомии и др.) уже упоминалось в
разделе, посвященном процессам созревания ооцита. В действительности число регуляторных факторов весьма велико и они
еще слабо изучены. Некоторые из них, будучи уже в ооците, начинают функционировать позже, например
при гаструляции.
В настоящее время описан один из интересных представителей
таких «дальнодействующих» регуляторных факторов (О+ белковый
фактор)
в ооците
аксолотля.
Он
синтезируется
на
стадии
хромосом типа ламповых шеток. После
разрушения
ядерной
мембраны О+ фактор смешивается с ооплазмой н остается в
яйце. Затем в зародыше он влияет иа развитие, Подробнее об
этом факторе будет сказано ниже (гл. 5}.
Энергетические
вотиых
(амфибии,
пасы. углеводов.
резервы.
рыбы)
Этих
запасов
р
^
. .
В
процессе
ооцит
оогенеза
накапливает
хватает
на
жи-
за-
обеспечение
:
.
у многих
значительные
м.
-
..
‚
энергией
Лт
“ >
всех клеток эмбриона вплоть до той стадии, когда личинка иачннает самостоятельно пнтаться. Показано, что в то время как
ооцит интенсивно накапливает гликоген, ранний эмбрион расходует углеводы. Это означает, что направлениость функций энзиматических систем обмена углеводов в ооците и в раннем эмбрионе противоположна, что служит одннм из важных показателей перестройки биохимических (энзиматических) систем после завершения
оогенеза.
В
оогенезе
наблюдается
также
значительное
усиление
дыхания:
так,
ооциты
вьюна
в
конце вителлогенеза потребляют в 70 раз больше кислорода. чем
в его начале. За это же время
количество
митохондрий
возраста-
етв 200 раз.
Кортикальиый слой яйцеклетки. Поверхностный слой нитоплазмы яйца по химическому составу и структурной организации сильно отличается от остального содержимого яйца. Этот
слой
вместе
с плазматической
мембраной
яйца
называют
кор-
тикальным слоем (кортекс). Основу цпитоплазматической части
кортекса образуют волокна {микрофиламенты), состоящие из
белка актина. Они придают кортикальному слою характерную
для него высокую вязкость. Актнновые структуры кортекса возникают постепенно в ходе оогенеза. Кроме того, в состав кортекса большииства яйцеклеток входят кортикальные гранулы
(например, морской еж) или кортикальные альвеолы
Кортикальные гранулы или альвеолы содержат кислые
(рыбы).
или ней-
тральные мукополисахариды, различные структурные белки и
ферменты. Они играют важную роль в кортикальной реакции
яйцеклетки при оплодотворении (см. гл. 4).
Яйцевые оболочки. Различают первичную, вторичную н тре-
тичную оболочки. Первичная оболочка (нногда называемая желточной}
снитезируется
ния плотно. прнлегает
ричная
оболочка
самим
ооцитом
и до момента
оплодотворе-
к поверхностиому слою цитоплазмы.
продупируется
фолликулярными
Вто-
клетками,
а
третичная (нередко состоящая из нескольких слоев разлнчной
структуры) — железами яйцевода, по которому продвигается яйцо перед откладкой. Первичная оболочка имеется у яйцеклеток
всех
животных.
Для
яйцеклеток
млекопитающих
характерна
плотная оболочка, называемая 2опа ре|ис!Ча, внутренняя часть
которой синтезируется самим ооцитом, а внешняя — фолликулярными клетками. Иначе говоря, 2опа реПи4а совмещает в себе
и первичную,
и вторичную оболочкн.
Сходным
образом ностро-
ены оболочки яйцеклеток у рыб. У многих из них внутренняя
часть гопа реПисЧа пронизана микроворсинками яйцеклетки,
а снаружи
— макроворсникамн фолликулярных клеток, отчего
она
при
большом
увеличении
выглядит
ется топа га а{а.
Еслн яйцо покрыто
более нли
лочкой, в ней
или
есть одно
исчерченной
менее прочной
несколько
отверстий,
и называ-
вторичной
обо-
которые
назы-
ваются микропиле. Эти отверстия, как правило, имеют воронкообразную форму н заканчиваются концевым каналом на поверх78
ности цитоплазмы. Диаметр канала соответствует диаметру головии сперматозоида, и поэтому мнкропнле, позволяя сперматозеиду проникнуть в яйцо, ограничивает численность сперма-,
тозоидов, входящих в яйцеклетку.
`
Третичная оболочка выделяется железами яйцевода во вре-
мя
Рис.
23.
Строение
нему
по
прохождения
груит. позвоночных
яйцеклетки.
овулнровавшей
рыбы,
(химеровые
рептилии,
птицы)
У
ряда
третич-
яйца
курицы:
! — белковый мешок, 2 — халазаа
3— желтый
желток,
4 —6белый
желток,
5 — бла-
стодиск, 5 — желточная мембрана,
’— латебра,
8,
9—
подскорлуповые
оболочки.
№ — воздушная камера, //.-—
скорлупа
ная оболочка хорошо выражена,
имеет
сложное
строение,
У птиц она представлена несколькими плотными слоями белка,
двумя подскорлуповыми пленками, скорлупой и надскорлуповой
оболочкой. Поразительной сложности строения достигают третнчные оболочки у акуловых и химеровах рыб. Обычно оии имеют
вытянутую форму, н яйцо в начале развития заполняет лишь
часть пространства внутрн плотной роговой третичной оболочки. Последияя похожа на «люльку», размеры которой точно
подогнаны к размеру и форме зародыша перед вылуплением.
Железы, секретирующие различные компоненты третичной оболочки, расположены в яйцеводе последовательно.
яйцеводу, яйцо вращается благодаря сокращениям
Двигаясь по
гладкой мус-
кулатуры стенок яйцевода и постепенно покрывается выделениями желез. У птиц яйцо сначала покрывается белком, потом подскорлуповымн оболочками и в конце
— веществом
скорлупы
{рис. 23). Вращение яйца вызывает вннтообразную закрученность
плотных
л03,
на которых
тяжей
кой
белковой
белкового
яйцеклетка,
оболочке.
вещества,
так
как на поплавках,
Интересно,
что
называемых
ха-
плавает в жид-
передне-задняя
ось
бу-
дущего зародыша всегда располагается перпендикулярно к изправлению движения яйца по яйцеводу, а направление от головы зародыша к хвосту совпадает с направлением
вращения
яйца.
Количество желтка в яйцеклетке и ее поляризация. Яйцеклетки животных отличаются между собой как по количеству
18
желтка,
так и по характеру
щепринятую
классификацию
его распределения.
яйцеклеток
по
Рассмотрим
количеству
об-
желт-
ка. (Классификация яйцеклеток по характеру
распределения
желтка будет разобраиа в гл. 4, посвященной процессам дробления.)
1. Многожелтковые,
нли
полилецитальные,
яйца,
к которым
относят яйца большинства членистоногих (в том числе всех насекомых)}, костистых рыб, рептилнй, птнц и яйцекладущих млекопитающих.
2. Яйца со средним содержанием желтка, или мезолециталь-
ные (яйца осетровых рыб, амфибий}.
3. Маложелтковые,
илн
олиголецитальные,
яйца
или
содержащие
(мозлюс-
ков, иглокожих, большинства червей).
4.
Яйца
«безжелтковые»,
алецитальные,
от-
дельные малочисленные гранулы желтка,— яйца плацентарных
млекопитающих и отдельных беспозвоночных (некоторых первичнотрахейных, паразитнческнх перепончатокрылых)}. В яйцеклетках некоторых плацентарных
млекопитающих
(корова)
очень небольшое количество желтка вначале все же содержится, но в ходе развития яйцеклетки весь желток выталкивается
за пределы зиготы.
Некоторые авторы предлагают другие схемы классификации
яйцеклеток.
Так,
С. Г. Соин
справедливо
отмечает,
что для
хода
дальнейшего развития более важно, обособлен желток от цитоплазмы или не обособлен, нежели абсолютное содержание желтка в‚яйцеклетке. Яйцеклетки, в которых желток погружен в ци:
топлазму и не обособлен от нее в виде
отдельной
фракции,
С. Г. Соин предлагает назвать плазмолецитальными. В таком
случае к категории плазмолецитальных относятся Мезо- и олиголецитальные
яйца.
Только
яйпа
с
обособленной
от
желтка
цнтоплазмой (как у костистых рыб) по этой классификации
предлагается называть телолецитальными.
Желток в яйцеклетке часто (уже с самого начала его отложения) распределяется неравномерно. Как правило, на том полюсе яйцеклетки, где желтка меньше, впоследствни (при ее созревании) выделяются полярные тельца. Этот полюс получил название анимального. Противоположный полюс, возле которого
концентрируется
нанбольшее
количество
желтка, называется
вегетативным. Полярное распределение желтка
— лишь внешнее проявление более тонких процессов поляризации яйцеклетки, осуществляющихся, по-виднмому, в кортикальном слое яйцеклетки и прилежащих к нему цитоскелетных структурах. .
То, что поляризация ооцита стойко закреплена нменно в
кортикальном
слое,
следует
из
опытов
по
пентрифугированию
только что отложенных яйцеклеток: в них можио полностью
сместить весь желток и другие цитоплазматические включеийя
с типичного положения, но дробление и последующие процее-_
сы развития сохранят
полярность.
Окончательно полярность
яйцеклетки закрепляется (причем также в кортикальном слое)
80
“
при выделеинн полярных телец
турные
основы
кортикальной
(откуда н их название).
полярности
пока
Струк-
неизвестны,
В некоторых случаях яйцеклетка приобретает в оогенезе не
только полярную, ио н билатеральную организацию: в ней возиикает одна плоскость снмметрии, что проявляется в экспентричном положении ядра н асимметричном расположенин цитоплазматических включений (яйца ящерицы) или жира (ооцит
млекопитающих).
В
противоположность
стойкой
анимально-ве-
гетативной полярности устанавливающаяся в оогенезе билатеральная организация еще очень лабильна и, как будет сказано
позже, в ходе оплодотворення ее можно изменить действнем разных
факторов.
Однако
реопределяющие»
генетнческое
но
в тех
случаях,
воздействия
развитие
установившаяся
в
без
когда
дополнительные
отсутствуют
(например,
оплодотворения},
оогенезе
асимметрия
по-видимому,
яйцеклетки
«ле-
партеиоимен-
закрепля-
ется и служит основой для морфологической асимметрин взрослого животного.
Таким образом, в пернод вителлогенеза происходит не только запасание компонентов цитоплазмы и желтка, но и их пространственное
перераспределение.
В
этот
пернод
намечается
пока
основной элемент пространственной организации яйцеклетки —
ве полярность.
Совокупность, процессов, приводящих к возникновению внутреннен
яйца,
нмеющей
большое значение для последуюшего эмбрионального
называют ооллазматической сегрегацией.
разнокачественности
разных
развития,
О
участков
В
ях
ГЛАВА
С,
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ
Процесс
слняния
половых
ем.
Он
ской
структуры и активирует
Тию.
Образующаяся
клетка
сопровождается
называется
в
И
зиготой.
в результате
клеток
называют
яйцеклетку
оплодотворени-
диплоидной
генетиче-
к дальнейшему
оплодотворения
Зигота
— начальный
партеногенеза
1
ПАРТЕНОГЕНЕЗ
нового оргаиизма. Отметим, что завершение
реход к эмбриогенезу может осуществляться
ния
*
т
восстановлением
результате
.“
разви-
диплоидная
этап
развития
гаметогенеза и пеи без оплодотворе-
{естественного
или
искусственно-
го, см. ниже), но для любого животного, даже при естественном партеногенезе, оплодотворение является обязательным (постоянным или чередующимся с партеногенезом) процессом ‘в
иидивидуальном
Процесс
развитии.
оплодотворения
складывается
из
трех
последователь-
и
яйцеклетки
гамет, 2) активации
1) сближения
ных фаз:
3} сингамии. У прнмитивных форм организмов мужские и женские
6
половые
заказ 645
клетки
"
имеют
.
одинаковые
или
близкие
и
размеры
81
{изогаметы). Они равноценны не только в генетическом плане, но
и в
отношенни
роли
цитоплазматических
вании зиготы; в этих случаях процесс
не оплодотворением, а копуляцией.
Период
времени
первой
фазы
в
формнро-
гамет
именуется
оплодотворения
—с
сперматозонда
модействня
до
го пернода
зависит
от особениостей
биологин
да.
во всех
случаях
лимитирована
во
созревших
половых
Однако
ввиду
ограниченной
ток.
яйцеклетки
между
ними.
эта
фаза
жизнеспособности
к
момента
готовностн
контакта
и
структур
слияния
осуществлению
взаи-
Продолжительиость
размножения
это-
ви-
времени
кле-
.
Дистаитные взаимодействия между яйцеклеткой
и сперматозондом
Первоиачально
да
к яйцу
носит
предполагалось,
целенаправленный
что движение
характер
сперматозои-
и пронсходнт
бла-
годаря хемотаксису. Для этого требовался бы механизм, вклочающий: [) выделение яйцом химического аттрактаита (привлекающего вещества) и 2) способиость сперматозонда совершать
поступательные движения в направлении повышения концентрации этого вещества. Предположение о хемотаксическом механизме
сближения
не
подтвердилось,
за
исключением
отдельных
слу-
чаев, описанных у некоторых
видов
гндромедуз и высших
споровых растений. Хемотаксис у гидромедуз был продемонстрирован опытами, в которых экстракты из яиц набирали в пнпетку,
вслед за чем сперматозоиды скапливались у отверстия пнпетки.
Но эти случаи
— исключения из общего правила.
Сближение
сперматозоида с яйцом обеспечивается совокупностью следующих неспецифических факторов, повышающих вероятиость их
столкновения.
1. Координирование пропессов гаметогенеза у самца и самки и одновременность наступления стадии готовности к оплодотворению.
2. Приспособления, связанные с осеменеинем н совокуплеиием, обеспечивающие попадание созревших половых клеток в
места, где происходит процесс оплодотворения.
3. Избыточная продукция сперматозоидов по сравнеиию с
чнслом
женских
половых
клеток.
Вследствие
массовой
гибели
по пути в зону, где осуществляется оплодотворение, подавляющая часть сперматозоидов гибнет. Такая расточительность (в
конечном счете в процессе воспроизводства млекопитающего в
оплодотворении принимает участие лишь несколько сперматозоидов нз сотен миллионов, подготовленных самцом} биологически оправдана и является одним из осиовиых факторов, обе`спечивающих
своевременный
контакт
с яйцом
(в
иастоящее
время в животноводстве благодаря разработке и использованию
техники искусственного осеменения коэффициент использования
«пермы самцов сильно повышен).
82
4.
Крупные
размеры
яйца,
способствующие
повышению
ве-
Роятности столкновення со сперматозоидом. Не исключено, что’
существуют и другие факторы, однако и перечисленных достаточно,
чтобы
обеспечить
оплодотвореиие
всех
овулировавших
ЯИЦ ЖИВОТНОГО.
Яйцеклетки и сперматозоиды вырабатывают химические вещества, которые косвенно участвуют в обеспечении их сближения и взаимодействия. Описан ряд веществ такого рода, известных под названием гамонов (гормоны гамет): гиногамоны (гормоны яйцеклеток) н андрогамоны (гормоны сперматозондов). Их
природа
и бнологические
свойства
выяснены
недостаточно.
ЯЯ-
цеклетки выделяют в среду два типа гамонов, неиаправлеино воздействующих на поведение
сперматозоидов,— гиногамоны Ри
гиногамоиы П. Гиногамоны Е — низкомолекулярные вещества
небелковой природы, которые выделяются яйцевыми оболочками. Они активируют движения сперматозоидов и тем самым повышают
вероятиость
их
встречи
с яйцеклеткой.
Гиногамоны
П
(фертилизины, нзоагглютинииы) — видосисцифическне вещества
белковой природы (по-видимому, гликопротеиды), которые вызывают склеиваиие сперматозоидов путем реакции с выделяемым мужскими половыми клетками комплементарным гиногамонам веществом— аидрогамоиом П (аитифертилизином). Его молекулы
встроены в поверхностиую
оболочку сперматозонда.
Био-
логический смысл этой реакцни агглютинации сперматозоидов,
возможио, состоит в предохраиении яйцеклетки от проникновения в нее избыточного числа мужских половых клеток.
`
Сперматозоиды выделяют также андрогамон | — вещество иебелковой природы, являющееся антагоннстом гиногамона Ги
подавляющее подвижность сперматозондов. Наконец, известна,
группа веществ, локализованиых в акросоме сперматозоида и
вызывающих растворение оболочек яйца. Это спермолизины—
вещества, относящиеся к протеолитическим ферментам. У млекопитающих, например, нмеется фермент гиалуроиидаза, растворяющий оболочку яйца и способствующий рассеиванию
венца
фолликулярных
клеток,
окружающих
ооцит
после
овуляции. Этому помогает также необходимая концентрация гиалуропидазы,
вырабатываемой
Контактные
в половых
путях самки.
взаимодействия
с поверхностью
сперматозоида
ооцита
До недавнего времени считалось, что реакция активации, происходящая во время контакта гамет, присуща только яйцеклетке. Позже использование методов фазово-контрастной и электронной
микроскопии
показало,
что
специфическая
контактная
реакция характериа и для многих сперматозоидов. Эта реакция
получила название акросомной. Акросомная реакция происходит при контакте сперматозонда ие только с оболочкой яйца, но
и с любой твердой поверхиостью. Она сводится к очень быстрым
6*
83
{затимающим
тарате головки
веществ
не более
10—20
сперматозоида,
(ферментов)
с) изменениям
в акросомном
приводящим
акросомной
гранулы
ап-
к высвобождеиию
(рис.
24)
и выбра-
сыванию акросомиой нити в сторону твердого субстрата или
поверхности яйца. Электроино-микроскопические исследования
Рис. 24. Акросомная реакция у сперматозоида кишечнодышащего $асс091055и5
Козвщеизви. А —-акросома неактивированного сперматозоида; Б — выделение
акросомных гранул; В, Г -- последовательные стадии выбрасывания акросомной нити; Д — контакт акросомной нити с поверхностью яйца (по Б. И. Балинскому, 1965):
!— ядро
сперматозоида.
..
2 — акросома,
м
3 —- кортикальные
"’
гранулы
.
"
поверхности
яйца
р
т“
:
,.
акросомной реакции у аннелид и кишечнодышащего 5ассов1055и5 выявили последовательные стадин этой реакции: наружная
мембрана, покрывающая акросому, разрывается и высвобожда-
ются
вещества
акросомы
(спермолизины),
которые
быстро
ра-
хтворяют яйцевые оболочки в месте контакта со спермием. К моменту растворения оболочки яйца к этому месту подрастает одна
наиболее длинная акросомная трубочка, которая образуется выпячиванием внутренней мембраны акросомы, и вступает в кон-
такт с плазматической мембраной яйца. Плазматические мембраны в месте контакта яйца и акросомной иити сперматозоида сливаются,
образуется
цитоплазматический мостик, и пронсходит
плазмогамия
— объединение
Затем
цитоплазм
по цитоплазматическому
ходят ядро и центрноль сперматозоида.
вершается
встраиванием
яйцеклетки.
Несмотря
мает
84
ничтожную
О
часть
обеих
гамет
мостику в цитоплазму
мембраны
Акросомная
сперматозоида
(рис.
25),
яйца пере-
реакция
за-
в мембрану
на то что мембрана
сперматозоида
зани-
поверхности
ее присутствие
имеет,
яйца,
.
д.
но-вндимому, решающее значение для процессов активации яйцеклетки ввиду ее повышенной проницаемостн для Ма* (см. ниже). Этот участок мембраны сохраняется в зародыше долгое
время, вплоть до личиночной стадии,
Реакция актнвацни яйцеклетки выражена у разных видов
иеодинаково, но во всех случаях она связана со сложными структурными и физико-химическими изменениями яйцеклетки. Мы
Рис. 25. Последовательные стадии
(А
— Е) проникновения
- ‘яйцеклеткн сперматозонда кишечнодышащего $асс081053и5
в цитоплазму
Рошщечзи
ознакомимся с изменениями поверхностного слоя на примере тех
видов, у которых эти измеиения сопровождаются видимыми микроморфологическими перестройками
— кортикальной
реакцией. Эта реакция отчетливо выражена у беспозвоночных, например у морского ежа, а среди позвоночных
— у костистых рыб
и амфибий. Стимулирует кортикальиую реакцию прикосновение
сперматозоида к поверхности яйца. Если спустя несколько секунд сперматозоиды удалить, кортикальная реакция тем ие менее осуществнтся до конца.
Тонкие физико-хнмические перестройкн, составляющие сущность реакцин активации, наиболее подробно изучены в последние годы на яйцеклетках морских ежей. Сразу же после завершения
акросомной
реакции,
когда
проницаемый
для
Ма*
участок
мембраны сперматозоида встроился в поверхность яйца, в него
начинается
слабый
приток
ионов
Ма+.
Это
приводит
к
тому, что мембранный потенциал яйцеклетки из отрицательного
становится
слабо
положительным.
Например, у морского ежа Згопауосетмгойиз ригриги$ до начала активацин
трансмембранный
«о секунд
потенциал
после ее начала
составлял
+10
—60
мВ, а через иесколь-
мВ. Примерно
через
10 с после
з
85
начала активации увеличивается содержание ионов Са?* в цитоплазме яйцеклетки за счет его высвобождения из внутриклеточиых депо, природа которых точно иеизвестна. Это возрастание ннициировано притоком Ма+ и представляет собой автокаталитическую реакцию, которая распространяется в виде сплошной
волны
из точки
соприкосновения
гамет.
Волна
высвобожде-
ния Са?+ не связана с волной экзоцитоза (растворения) кортнкальных гранул: первая волна распространяется быстрее второй н идет даже в том участке яйца, из которого кортикальные
гранулы экспериментальио оттеснены путем центрифугирования.
Волна
высвобождеиня
Са?*,
по-видимому,
главный
момент
в
реакции активации яйцеклетки. Через 60 с концентрация Са?+
падает до прежнего уровня, и начинается экзоцитоз кортикальных гранул, распространяющийся волной во все стороны от
точки вхождения сперматозоида. Обнаружено, что при экзоцитозе кортикальных гранул из иих высвобождаются следующие
вещества: 1) протеолитический фермент, разрывающнй связи
между желточной оболочкой и плазматической мембраной яйцеклетки
— вителлиновая
деламиназа;
2)
протеолитический
фермент, который освобождает осевшую на желточной оболочке сперму от связей с этой оболочкой (сперм-рецепториая Гидролаза); 3) гликопротеид, втягивающий воду в пространство
между желточной оболочкой и плазматической мембраной, вызывая нх расслоение, в результате чего между желточной оболочкой и плазматической мембраной возникает обшириое простран-
ство, называемое леривителлиновым; 4) фактор, способствующий
затвердению желточной оболочки (которую теперь называют 0бо0- `
лочкой оплодотворения); 5) структурный белок гиалин, участвующий в формировании гиалинового слоя, расположенного над
плазматической мембраной.
Процесс экзоцитоза кортикальных гранул занимает у морского ежа 60 с, у осетра 3 мин, у белуги 5 мии. Это соответствует скорости распространения кортикальной реакции, равной примерно 5 мкм/с. Для сравнения укажем, что эта скорость в
806 000 раз меньше скорости распространения
нервного импульса.
Через 6—8 мин после соприкасання гамет начинается активация
синтеза
белка
в
цитоплазме
яйцеклетки.
Предполагает-
ся, что эта активация связана с повышением внутриклеточного
РН (начинающимся уже через 2 мин после соприкосновения гамет). В свою очередь, повышение рН может зависеть от выхода
ионов Н+ из яйцеклетки и входа в иее ионов Ма*. Во всяком
случае синтез белка активируется на трансляционном уровне,
не требует участия ядра и происходит также в энуклеированной
(лишенной ядра) яйцеклетке (зиготе). Это понятно, так как все
звенья
аппарата для
белкового
синтеза
(иРНК,
рибосомы,
источ-
иики‘ энергии} были заготовлены еще в оогенезе, но до актнвапии яйцеклетки
находились в инактивироваином состоянии.
В первые же секунды после оплодотворения они активируются:
86
ы
у
молекулы нРНК вступают
во взаимодействие с компонентами
аппарата траисляции, формируются полирибосомы.
Таким образом, активация яйца -— чрезвычайно быстрая н
широкая по своему охвату реакция, вовлекающая самые различные компоненты яйпа.
-.“.
`
.
Сиигамия. Поведеиие мужского
и женского ядер в яйце
У
большииства
животиых
сперматозоид
входит
в яйцо
це-
ликом, включая хвостовую часть; у некоторых жгутик остается
на поверхностн. Но и в тех случаях, когда жгутик сперматозоида входит внутрь яйца, он отделяется и рассасывается, ие играя роли в дальнейших перемещениях компонентов спермия
виутри яйца; эту роль берет иа себя центриоль. В период завершения женского мейоза компактизоваииое ядро головки сперматозоида преобразуется в своеобразное ядро, называемое мужским пронуклеусом. При этом оно постепенно увеличивается в
‘объеме, набухает, хроматин разрыхляется и приобретает тонкогранулярное строение. Начинается погружение мужского пронуклеуса, при этом центриоль занимает положение впереди
ядра в направлении погруження, а вокруг возникает характерное
«полярное»
сияние.
Судя
по
всему,
пентриоль
превращается
в
оргаи движения мужского пронуклеуса внутри яйца.
Сходные изменения — набухание и разрыхление хроматниа—
происходят
в гаплоидном, формнрующемся после мейоза ядре
яйцеклетки
— в женском пронуклеусе. Прежде чем сблизиться,
пронуклеусы проделывают сложиые движения, которые ииогда
называют «танцем пронуклеусов». Сначала мужской пронуклеус движется внутрь яйца перпеидикулярно к поверхиости н независимо от положения
женского пронуклеуса. Этот отрезок
пути иазывается «путем проникновения». В процессе движения
пронуклеусов и разрыхления хроматина в каждом из них ре-
плицируется ДНК. Иначе говоря, в начале сближения пронукле-
усов в каждом из иих содержится
один
1С ДНК, а перед завершением сближения
клеусов
количество
ДНК
возрастает
набор
хромосом и
в каждом из проиу-
вдвое.
Конечная
стадня
сближения пронуклеусов
— образоваиие метафазной пластники
деления зиготы. После того как это первое деление зиготы совершится по митотическому типу, в образовавшихся ядрах первых
двух клеток зародыша (их называют бластомерами) объединяются мужскне и жеиские хромосомы. Каждое такое ядро дипло-
идно, т. е. содержит 2п хромосом и 2С ДНК.
.
7.
| —
Проблема полиспермии
В большинстве случаев процессы осеменения и оплодотворения отрегулированы так, что вероятность проникновения
в
яйцо более одного сперматозоида сведена к минимуму. У иекото87
рых групп животных, иапример акуловых рыб, рептилий, птиц,
проникновение нескольких сперматозоидов ие приводит к нежелательным
логическая
последствням:
полиспермия.
кает до иескольких
клетки
всегда
наблюдается естествеииая или
Как правило, в их яйцеклетку
десятков сперматозоидов,
взаимодействует
только
один.
физиопрони-
но с ядром
яйце-
Остальные
либо
некоторое время делятся с участием своих цеитриолей, рано или
поздно погибая, лнбо рассасываются, ие начиная деления. Предполагается, что у птнц эти избыточные спермии несут трофическую функцию до образования соответствующей специализированной ткани зародыша. У других (морской еж) оболочка оплодотворёния
становится
непроницаемой
так
быстро,
что
в яйце-
клетку
успевает проникиуть лишь один сперматозоид. Полиспермия у таких животных редкость, а если она проявляется,
то нарушает иормальное развитие.
:
Перемещения компонентов яйца
после оплодотворения.
Ооплазматическая сегрегация
ам. :
Непосредствеино
воздействия
животных
после
проникновения
партеногенетического
начинаются
интенсивные
Рис. 26. Процессы
ооплазматнческой
А;
вещества
— Аз — смещение
вену,
агента)
плазмы
1946);
Б,
— Б,— ооплазматическая
дробления;
В
— вхождение
{или
в яйцах разных групп
перемещення
сегрегации
полярной
1
сперматозоида
до
начала
в яйце
сегрегация
составных
ча-
дробления
яйца.
прудовика
в
яйце
(по Х. Рааецидии
(по
Э. Конклину из Б. И, Балинского, 1965): Б! — неоплодотворенное яйцо, Бз—
яйцо сразу после вхождепия сперматозоида, Бз — яйцо перед первым делени-
ем
сперматозоида
и
яйце лягушки; Г; — Го — Г. — ооплазматическая
ном ‘яйве хвостатой амфибии 0156081055и5 реш
Но
и И. Клагу, 1975):
ан
88
образование
серого
серпа
в
сегрегация в оплодотворен(по А. Юббельс, Р. Хенгсту
— анимальный,
вег — вегетативный полюс.
9 — дорсальная,
8 — вентральная
°
д.в.с.— дорожка проникновения сперматозолда, 5.с.— зона серого серпа
сторона,
стей цитоплазмы яйца (ооплазмы). Иногда прн этом наблюдается расслоение, сегрегация составных частей
— ооплазматическая сегрегация. Эти процессы создают определенную пространственную организацию будущего зародыша. Ооплазматическая
сегрегация у разных видов протекает неодинаково: у некоторых
она заверзнается до начала дробления, т. е. в созревающем яйце
и зиготе, у других продолжается н в период дробления.
У некоторых кишечнополостных сегрегация ограничивается
расслоеннем ооллазмы на внешний ободок эктоплазмы {иногда
окрашенной
разными
пигментами
и бедной
питательными
вклю-
чениями) и внутреннюю массу эндоплазмы, богатую желтком
и другими питательными включениями. Уже такое достаточно
простое расслоение влияет на последующие процессы развития,
определяя в ряде случаев радиальиое расположение веретен
делений дробления,
У брюхоногого моллюска Гутпаеа (прудовик) на вегетативном полюсе яйцеклетки вскоре после оплодотворения формируется четко отграниченный сектор так называемой вегетативной
полярной плазмы (рис. 26, А, 1); сразу после делений созревания вещества полярной плазмы быстро растекаются под поверхностью яйцеклетки в направлении аннмальиого полюса (рис. 26,
А, 2, 3). Но наиболее существенные сегрегационные процессы у
моллюсков связаны с дроблением.
У морского ежа до оплодотворения по всей поверхпости яйца
рассеяи
красный
пигмент
— эхинохром,
После
оплодотворения он концентрируется в виде пояска в экваториальной зоне
яйца.
В перечислениых случаях сегрегационные процессы симмет`ричны по меньшей мере относительно полярной оси яйца. Теперь рассмотрим такие случаи, когда сегрегация нарушает полярную симметрию и способствует выделению в яйцеклетке меридиональной плоскости, соответствующей сагиттальиой плоскости будущего зародыша. Самыми наглядными примерами этого
рода могут служить яйца асцидий (подтип оболочников) и амфибий.
В яйцах
асцидий
процессы
сегрегации
хорошо
заметны
бла-
годаря разной окраске составных частей яйца. Неоплодотворенное яйцо асцидии содержит гомогенно рассеянные по всему кортикальному слою желтые граиулы (рис. 96, Б, Г). После оплодотворения они активно движутся, направляясь сначала к вегетативному полюсу, а затем иесколько поднимаются вверх по
той стороне яйца, куда проник сперматозоид (рис. 26, Б, 2). Там
опи располагаются под экватором в виде так называемого жел_того серпа (рис. 26, Б, 3). На противоположной стороне яйца
появляется другой серп, состоящий нз светло-серого компонента цитоплазмы. Вегетативное полушарие заполняется ооплазмой, богатой желтком и митохоидриями, а анимальное
— прозрачной
нентов
безжелтковой
ооплазмы
цитоплазмой.
Каждый
впоследствии входнт в состав
,
этих
компо-
клеток,
из
которые
89
Е
дадут начало определеииой структуре зародыша: желтый серп -—
мезодерме, серый серп
— хорде. Через середины этих серлов
проходит сагиттальная
плоскость;
цитоплазма
вегетативного.
полушария
соответствует
энтодерме,
анимального— эктодерме.
Менее сложная сегрегация, ио также выделяющая сагиттальную плоскость, осуществляется в яйцах амфибий (рис. 26,.
В, Г). В анимальном полушарии яиц непосредственно под плазматической мембраной, в кортикальиом слое, лежат гранулы
пигмеита. При вхождении в яйцо сперматозоид увлекает за собой часть гранул, расположенных поблизости от точки его проникновения. Это вызывает отток гранул с противоположной стороны яйца. Сильнее всего отток в плоскости вхождения сперматозоида. Поэтому участок кортекса, расположениый в этой плоскости напротив места вхождения сперматозоида н иа границе
анимального
и
вегетативного
полушарий,
более
всего
светлеет
и приобретает серый оттенок. Этот участок имеет серповидную
форму и называется серым серпом. Зависимость между сперматозоидом и серым серпом была показана еще В. Ру: поднося
сперматозоиды в пипетке к определенным точкам поверхности
яйца, он наблюдал образование серого серпа иа противоположной стороне. Интересно, что аналогичное действие на яйцеклетку оказывает и введенная с помощью пипетки взвесь разрушеиных сперматозоидов.
Ооплазматнческая сегрегация в яйцах амфибий ие ограничивается поверхностным слоем, а захватывает и желток: желточиые гранулы разных размеров сегрегируются.
Аналогично оболочникам серый серп амфибий также намечает плоскость сагиттальной симметрии: она проходит через
его середину. Это связано с тем, что из материала серого серпа
“Впоследствии возникает так называемая дорзальная губа бластопора
— центр зарождения процесса гаструляции и «первичный
организатор» осевых зародышевых органов. (Подробнее об этом
будет сказано инже.}
Проблема соотиошения кортикальных и эндоплазматических
перестроек в процессах ооплазматнческой сегрегации-— одна из
центральных для раннего развития. Большинство исследователей считают, что проморфологическая оргаиизация,
возиикающая под действнем сегрегационных процессов, закреплена имеино
в
кортикальном
слое.
Основной
довод
в
поддержку
этой
точкн зрения— опыты
по центрифугированию
янц. Если с
помошью
центрифугирования
изменить
нормальное
распределение веществ ооплазмы, то у большинства видов яйцеклеток
серьезных нарущений развития не произойдет, а выведенные из
нормального расположения компоненты ооплазмы вновь займут приблизительно прежние места. Это объясняется тем, что
центрифугирование не нарушает той основы яйцеклетки, которая ответственна за размещение компонентов яйца.
Однако механизм взаимодействия эндоплазмы с кортексом,
90
-.
.
так
же
как
внутреиний
механизм
самой
ооплазматической
се-
сегрегации
привлекали
боль-
грегации, до сих пор иеизвестиы.
Процессы
ооплазматической
шое внимание исследователей уже при зарождении мехаиикн
развития, так Как они рассматривались как довод в пользу неопреформизма. Предполагалось, что в этих процессах, пронсходящих
в
начале
развития,
н
сосредоточена
вся
его
«загадка».
В дальнейшем некоторые ученые доказывали, что кортикальный слой или сегрегированная ооплазма представляет мозаику
областей, содержащих внутри себя все факторы обеспечения
последующего развития зародыша. В настоящее время эмбриологи не склонны придавать кортнкальному слою и ооплазматической
сегрегации
столь
исключительной
роли,
хотя
зывает сомнения, что в них сосредоточены важные
дующего развитня морфогенетические факторы.
“икс
+.
Партеногенез, гиногенез, андрогенез
не
вы-
для
после-
`
ц
В отдельиых случаях (ииогда
— массовых) развитие может
происходить без оплодотворения. Это случаи естественного партеногенеза и гиногенеза (от греч. «партенос»
— девственница). .
При партеногенезе развитие ндет прн участии только женского
пронуклеуса. Если его формированию предшествует нормальный
мейотический
процесс
с редукцией
числа
хромосом,
яйцеклет-
ка получает гаплоидный набор хромосом и из иее, в случае
успешного развития, формируется гаплоидная особь. Обычно в
иачале дробления партеногенетических зародышей число хромосом удваивается и формируются диплоидные особи. Существует несколько способов диплоидизации, о которых
вкратце
будет сказано ниже.
Естествеиный партеногенез — явление редкое. Лишь в исключительных случаях оно представляет собой значимый для вида
способ размножения, например, у летних поколений некоторых
ракообразных и коловраток. Ои обнаружен также у пчел, ос,
ряда чешуекрылых. Партеногенез не может быть единственной
формой размножения вида: он либо чередуется с половым размножением, либо встречается у отдельных рас.
У позвоночных партеногенетическое размножение известно
только среди пресмыкающихся. В 1957 г. И. Даревский описал
естественный партеногенез
у трех рас скальной ящерицы (Гасейфа
замсош),
обитающих
в Армеиии,
них самок.
`
Развитие без оплодотворения
сано и для индеек. Свыше 40%
самцов,
могут
случаях
развнтие
начать
до
состоят
из
од-
в естественных условиях опияиц, отложенных в отсутствие
развиваться,
доходит
которые
конца
одиако
(обычно
лишь
оно
в
единнчных.
останавлнва-
ется из-за различных аномалий). Это явление нельзя рассматривать как способ размножеиня, а, скорее, как отклоиение от
нормальиого размиожения посредством оплодотворения.
91
У других видов позвоночных естественное партеногенетнческое развитие неизвестио.
Искусственный партеногеиез возможен, по-видимому, у всех
видов животных, однако их яйца различаются по способности
развиваться без оплодотворения и в отношении факторов и условий, стимулирующих в них партеногенез. Разработка методов
партеногенетического развития
— важная в научном и прикладиом отношениях проблема. О прикладных аспектах партеногенеза речь пойдет ниже (см. «Заключение»).
Впервые искусственный партеногенез был вызван русским
ученым А. А. Тихомировым в 1886 г. у шелкопряда обработкой
яиц разведенным раствором серной кислоты. Позднее именно
шелкопряд оказался тем объектом, на котором этот метод продемонстрировал исключительные возможности управления процессами размножения вида в искусственных условиях. Начиная
с 30-х годов Б, Л. Астауров и его школа разработали эффективную технологию партеногенетического размножения щелкопряда в лабораторных и производственных условиях. Суть этой
технологии состоит в том, что неоплодотворенные яйца подвергают воздействию разных физических и химических факторов,
которые одновременно активируют и диплоидизируют их. Существует два основных механизма диплоидизации при партеногеиезе:
амейотический
и мейотический.
Первый
состоит
в том,
что под влиянием тех или.иных условий в ходе мейоза женской
половой клетки выпадает стадия редукции числа хромосом (а
в случае естествеиного партеногенеза — самопроизвольно), в результате чего формируется яйцеклетка с диплоидиым пронуклеусом.
У шелкопряда в естественных условиях партеногенез встречается с частотой 0,001—0,0001 %. В 40-х годах Б. Л. Астауров
с сотрудникамн
разработал
простой
и эффективный
метод
мас-
сового амейотического партеногенеза. В результате 18-мкнутной обработки неоплодотвореиных яиц температурой 46°С 90 %
яиц партеногенетически развиваются в нормальных диплоидных
личинок исключительно женского пола (см. ниже). Режим термической обработки подобран так, что в ходе созреваиия не
происходит редукции числа хромосом. Позднее В. А.
ков разработал метод низкотемпературной активации
Струнниамейоти-
ческого (300—330 мин при —11°С) партеногенеза и создал мётод стимуляции мейотического (120 мин при —5—11°С) партеногенеза. В этом случае мейоз протекает нормально, стимулируется
развитие
неоплодотворениых
яиц и днплоидизация
происходит во время первого деления. Партеногенетическое потомство, получениое этим способом, состоит из одних самниов, которые продуцируют больше шелка, чем самки.
Много работ по искусствениому партеногенезу, направлениых на изучение мехаиизмов активации, проведено на яйцах
морского ежа. В 1886 г. А. А. Тихомиров впервые показал, что
обработка зрелых яиц морского ежа хлороформом или стрихни-
ном может стимулировать
начальные стадии них развития. Позд-
нее
испытан
на
этом
объекте
был
широкий
спектр
физико-хи-
мических факторов и было показано, что партеногенетическая активация достигается самыми разными воздействиями: растворамн солей (МаСр, КС, СаСЪ, МеСЬ), гипертонической
и гипотоннческой морской водой, жирорастворителями
(этиловый
спирт, бензол, ацетон, эфир), детергентами (мочевина), органическими кислотами (молочная и т. д.), кратковременным воздействием высоких или низких температур, действием УФ-лучей и многих других. Такое разнообразне агентов свидетельствует о том, что способность к партеногенезу присуща самому
яйну, а внешние факторы лишь неспецифическим образом способствуют реализации этих потеиинй. У амфибий партеногенетическое развитие индуцируется простым проколом поверхности
яйца
иглой,
смоченной
в крови,
или
введением
в него
раз-
рушеиных клеток или клеточных органелл.
механизм
партеногенетической
активании
пока
облучением
яйцеклетки.
У
мышей
гиногенез
удалось
получить
путем микрохирургического удаления из зиготы мужского пронуклеуса. Такие активированные яйца,
содержавшие
только
женский пронуклеус, затем помещали в среду с цитохалазином
В, который предотвращал цитотомию первого деления, и яйцо
становилось диплоидным. Из таких яиц получены мыши женского пола.
Аидрогенез — явление,
противоположное — партеногенезу.
В этом случае яйцеклетка развивается только с участием мужского ядра. Естественный андрогенез встречается у табака и
кукурузы, иногда у тутового шелкопряда.
Андрогеиез может быть вызваи нскусственно. Еще в начале
века были поставлены опыты по оплодотворению фрагмевтов
яиц морского ежа, лишенных собственного ядра. Такую разновидность искусствениого
андрогенеза, когда оплодотворяется
фрагмент яйца, иазывают Мерогонией. Опыты
по мерогонии
были использованы для решения важнейшего вопроса генетики: передается ли наследствеиность только через ядро или также через цитоплазму. Так как сперматозоид практически не содержит цитоплазму, то в случае если аидрогенетический организм будет нести только отновские признаки, следует исклю93
=
Истинный
ждет своего выяснения.
Гиногенез — разновндность партеногенеза, происходящего в
результате незавершающегося оплодотворения. В данном случае оплодотворение играет роль лишь агеита, активируюшего
яйцо к развитию, но мужской пронуклеус в нем ие участвует.
Гиногенез чаще всего происходит при оплодотворении яиц спермой другого (родственного) вида, которая активирует яйно, но
не вносит свой геиетический материал в геиом зародыща. Например, яйца серебряного карася могут быть стимулированы
к развитию спермой сазана, плотвы,
обыкновеиного
карася.
Гииогеиез может быть вызван искусственно термошоком или
`
чить цитоплазматическую лередачу наследственности. Для опытов по мерогонии брали самна и самку разных видов морских
ежей с разными типами строения скелета. У полученных андротенстиков действительно наблюдался скелет чисто отцовского
типа, тогда как у истиниых гибридов скелет был промежуточной формы.
Щирокую
известность приобрели
искусственному
не
только
В
этих
андрогенезу
теоретическое,
опытах
ядро
у
но
яйца
и
опыты
Б. Л. Астаурова пс
тутового
шелкопряда,
имеющие
прямое
практическое
значение.
инактивировалось
кратковременным
прогревом или облучением. После этого яйца оплодотворялись.
Проникшие сперматозоиды формировали проиуклеусы, два из
которых сливались, образуя диплоидный набор хромосом (могли быть получены и полиплоиды}. Теоретическое зиачение этих
опытов
— получение доказательств того, что все иаследственные свойства особи определяются факторами, сосредоточенными в ядрах половых Клеток.
При
партено(гиио)генетическом
и аидрогенетическом спо‹собах размножения соотиошение мужских и жеиских особей
отличается от обычного (1:1), что позволяет использовать эти
варианты размножения для регуляции пола,
Генетическое (хромосомное) определение пола
Пол зародыша зависит от набора гоносом (половых хромосом), который образуется в результате соедииеиия гаплоидиых
хромосомных наборов отна и матери. У партеногенетических,
гиногенетических и аидрогенетических особей пол определяется
гоносомами только матери или отца и исход зависит от того,
какой
метный
№7)
пол,
(т.
мужской
или
или гомогаметный
мосомами
женский,
е. определяется
у данного
вида
— гетерога-
двумя’ разиыми
(определяется
двумя
гоносомами
ХУ;
одииаковыми
хро-
ХХ; 27).
‚„
Хромосомная
формула, определяющая
ВИДОВ ЖИВОТНЫХ
8
[6
хх
ХУ
,
А
гетерогаметный пол
женский
пол у разных
Примеры
Большинство млекопитающих,
неко-
гетерогамет- | торые амфибии (например, Капа рёрыный пол | е/5 — леопардовая лягушка), некото-
мужской
27
| рые насекомые (например, ДговорЁНа)
Птицы. рептилии, некоторые амфибии (например, Хепориз {аеё; — шпорцевая лягушка), некоторые насекомые
{например,
Вотрух — шелкопряд)
Если гетерогаметен мужской пол, для обозначения гоносом
используют символы: ХХ — женский пол (знак 9%}
и ХУ—
мужской пол (знак $). Если гетерогаметен женский пол, используют символы: 77 (5), 2\ ($}.
В генетическом плане механизм определения пола может
быть разным даже в случаях, когда хромосомная
формула
одинакова.
У млекопитающих
\У-хромосома
содержит
гены,
определяющие мужской пол (см. гл. 10). Однако есть виды
(НетЦ\ега), у которых У-хромосома отсутствует и мужской
пол определяется одной Х-хромосомой. У дрозофилы пол детерминируется отношением набора аутосом к половым хромосомам. У иекоторых млекопитающих есть два типа Х-хромосом,
и
клетки
Среди
самок
содержат
млекопитающих
У-хромосом
(®ХХ,
набор
имеются
Х,Х.Х.,Х»,
также
виды
а
самна
— Х. ХУ.
© двумя
типами
&Х\У)).
Все эти примеры характеризуют генотип днплоидных организмов, к которым относится подавляющая
часть животных.
Отклонения от этого правила
— естественные или искусственные
— ведут либо к нормальному определению пола при нормальной или иной хромосомной формуле, либо к разным формам
аномалий
(в
этнх
случаях
формулы
хромосом
атипичные).
Рассмотрим случаи, когда у вида, размножающегося половым
способом, образуются особи с участием хромосом только одного родителя, т. е, партеногенез, гиногенез и андрогенез без диплоидизации.
В действительности
партено(гино)генез
и андрогенез без
диплоидизании зиготы ие реализуются (развитие останавливается иа ранних стадиях). Гаплоиды встречаются в природе как
исключение, но у таких видов сложный механизм определения
пола. Один из интересных случаев
— червецы. У этих животных во всех клетках самца происходит гетерохроматинизация
всего отцовского иабора хромосом. В клетках самок этого не
происходит.
Поэтому
их самцы — факультативные
гаплоиды.
У пчелы медоиосной самцы
— истинные гаплонды, а самки—
диплоиды.
Определение
пола
у партено(гино)генетических
и андрогенетических диплоидов показано ниже.
Пол
партено(гино)генетического
и] андрогенетического
Партеногенез
или
(мейотический)
Гетерогаметный
Мужской
Гаметы
Женский
»
Партеногенез
пол:
—Х после диплоидизации
7
\
ХХ
самки
»
»
ХХ
»›
»
›»›
»
»
72 самцы
\М/\М! летальны
амейотический
(не происходит
Гетерогаметный
‚ Женский
Гаметы
потомства
гиногенез“
редукции
хромосом)
пол:
\С без диплоидизации
\7
самки
Андрогенез
Гетерогаметный
Мужской
-°
Женский
— Гаметы
»
пол:
—Х после диплоидизации
>
»
Г
»
У
›
»
ХХ самкн
УУ летальны
22, самцы
\М/\У летальны
95
ДРОБЛЕНИЕ
Общая
И
ФОРМИРОВАНИЕ
БЛАСТУЛ
Характеристика дробления
После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеусов тотчас начинается митотическое деление ядра зиготы. За
этим первым делением следует серия следующих делений, так
называемых делений дробления, объединенных рядом общих
свойств: 1} разделившиеся клетки зародыша не растут, т. е.
в. промежутке между делениями их масса не увеличивается—
<уммарный объем и масса всех возникших клеток не превышают объема и массы яйцеклетки сразу после оплодотворения,
2)
количество
ДНК
в
ядрах
удваивается
после
каждого
деле-
ния, как при обычном митозе (таким образом, количество ДНК,
приходящееся на зародыш, постоянно увеличивается).
В период дробления из-за отсутствия роста клеток после
делений их размеры непрерывно уменьшаются. Дробление завершается формированием бластулы, поэтому клетки дробящегося
яйца называют
Таким
образом,
ние
количества
что
в;результате
количества
ДНК
ДНК`К
бластомерами.
отсутствие
после
дробления
прироста
каждого
постепенио
количеству
цитоплазмы
делення
возрастает
нитоплазмы
и удвое-
приводят
к тому,
отношение
в каждом
бласто-
мере. Это способствует восстановлению нормального ядериоцитоплазматического
отношения,
нарушеиного
в
оогеиезе.
Ядерно-нитоплазматическим
отношением
называется
отношение масс (в приближенных расчетах
—- объемов) ядериого и
цитоплазматического
вещества
клеток.
В ходе роста ооцита
из-за увеличения вещества цитоплазмы ядерно-цитоплазматическое отношение Падает в несколько десятков или даже сотен
раз. Чтобы клетки многоклеточного зародыша приобрели нормальиую функциональную (и в первую очередь синтетическую)
активность, ядерно-цитоплазматическое отношенне в них должно стать таким, которое было до начала роста ооцита. Нетрулио подсчитать, сколько для этого потребуется делеиий дроблеиия. В ооцитах морского ежа ядерно-цитоплазматическое отношение до начала роста составляет !/, в зрелом ооните
— '/5о;
в ооцитах веслоногого рака циклопа соответственные величины
равны
'/15 И
'/1260.
В
первом
случае
ядерно-нитоплазматическое
отношение необходимо увеличить примерно ‘в 91 раз, во втором —в 84 раза. Для этого потребуется 6—7 делений дробле-
ния (28—64; 27— 128).
Возникающее в зрелом яйце соотношение массы ядра (точнее, массы генетнческого
материала)
и массы цитоплазмы
несовместимо с иормальной жизнедеятельностью эмбриоинальной клетки. Одна из функций дробления состоит в восстановлении типичных для соматических клеток ядерно-цитоплазма96
>
и
тических отношений путем быстрого увеличения числа ядер при
сохраненин исходного количества цитоплазмы.
Несоответствие величины ядерно-цитоплазматического отношения зиготы величинам, характерным для соматических клеток,
служит
яйцеклетку
ний
одним
из
факторов,
к дроблению.
дробления
у
Это
диплоидных
побуждающих
видно
и
из
активированную
сравнения
гаплоидных
числа
деле-
зародышей
лягу-
шек, аксолотля и костистых рыб: объемы зигот (т. е. количество цитоплазмы) у диплоидов и гаплоидов одинаковы, А количество ядерного вещества у гаплоидов, естественно, вдвое меньше. Оказалось, что у гаплоидов по сравнению с диплоидами иа
одно делеиие дроблення больше, что и позволяет в обоих случаях восстановить в каждом бластомере нормальную для данного вида величииу ядерно-нитоплазматического. отношения.
Первоначально
закономерности
процесса
дробления,
свой`
ства бластомеров и формирующихся бластул изучались в основном путем описания морфологии и геометрии дробления и изучения различнй в потенниях к дальнейшему развитию с помощью методов экспериментальной эмбриологии
(главным образом,
разделения
бластомеров).
В
последующем
ранний
эмбриогенез
стаз
исследоваться
с помощью
биохимических,
молекулярно-биологических
и геиетических
методов и более
усовершенствованных экспериментально-эмбриологических приемов.
,
о
що
о
о
Пространственная организация
н морфология дробления
полян
Общие закономерности. За редкими исключениями бластомеры дробящихся яиц располагаются в строгом порядке относительно
друг
друга
и относительно
поляриой
оси
яйца.
Кроме
того, размеры бластомеров закономерно различаются (обычно
поярусно). Эти проявления пространственной оргаиизании определяются в основиом следующими процессами: |) закономерным расположением интерфазных ядер в бластомерах; 2) закономерной ориентанией веретен последовательных делений дробления (которая, в свою очередь, определяет локализацию плоскостей цитотомии); 3) движениями бластомеров на разных
фазах клеточиых циклов.
На проявление этих закономериостей влияют количество,
плотность и характер распределения желтка и активной цнтоплазмы в яйце.
Зависимость геометрнн дроблення от колнчества и распределения желтка, На первые два процесса (которые раньше считались единственными факторами, влияющими на пространственную организацию) сильное влияние оказывает расположение желтка В яйцеклетках. Правила зависимости между расположением желтка и положением ядер и веретеи были сформу-
лированы
в конце ХХ
-
7
заказ 645
в. немецким эмбриологом
.
.
.
-°
.
-.
О. Гертвигом
.‹
.
7...
97
по аналогии
с правилами
Ю.
Сакса
для растительных
меристем.
Ю. Сакс отметил, что в верхушечных меристемах растения ядра
располагаются в геометрических центрах клеток, а верстена
ориентируются по их нанболее длинным поперечникам. О. Гертвиг модифицировал эти правила для яин, содержащих желток,
сформулировав два положения
(правила Сакса
— Гертвига):
1) клеточное ядро стремится расположиться в центре свобод-
ной от желтка
в иаправлении
цитоплазмы,
2) веретено клеточного деления—
наибольшей протяженности свободной от желт-
ка цитоплазмы.
Рассмотрим, как происходит дробление разных типов яиц
согласно этим правилам.
Уже говорилось, что по количеству желтка различаются
яйнеклетки
поли-,
мезо-,
байголецитальные
и
алецитальные_.-
Другой признак, по которому их классифицируют,
— расволожение желтка относительно полярной
(анимально-вегетативной} оси яйца. По этому признаку яйцеклетки принято делить
на тело-, гомо(изо)- и нентроленитальные. Тедолецитальные
яйцеклетки отличаются четкой полярностью в расположении
желтка: его количество постепенно или резко Нарастаёт в анимально-вегетативном
иаправленин.
В гомо(изо)лецитальных
яйцеклетках
желток
распределен
равномерно.
Накозец, к
центролецитальному
чала
обладающие
эллипсоидной
типу
относятся
(благодаря
формой.
яйцеклетки,
развитию
Полярность
с
в яйцевых
в обычном
самого
на-
трубочках)
смысле
слова
у
этих яйцеклеток не выражена, так как место выделения редукционных телец непостоянно и не связано с осями яйца. Вместо
анимального и Вегетативного полюсов у этих яиц говорят о
передием и заднем полюсах, Ядро занимает центральное лположение и окружено островком свободной от желтка нитоплазмы.
По периферии яйца также расположен ободок свободной от
желтка цитоплазмы. Центр и периферия яйца связаны тонкимн цитоплазматическими
мостиками,
а все
промежуточное
Полилецитальные
быть
яйца
по
центролецитальными
распределению
(членистоиогие}
и
желтка
могут
телолецитальны-
ми (костистые рыбы, рептилии, птицы). Все мезолецитальные
яйца по этому признаку относятся к телолецитальным (осетровые рыбы, амфибии). Наконец, олиголецитальные яйца принято
относить
к изо(гомо)ленитальным,
хотя
у них
иногда
более
или менее выражены
полярные
различия
в распределении
желтка.
Согласно первому нравилу Сакса
— Гертвига только в Изолецитальных
яйцах
ядро
располагается
в геометрическом.
‘центрегв
менее
ных
яйцах
Гертвига,
` 98
телолецитальных
смещенным
яйцах
К_анимальному
ядро
членистоногих,
согласно
после
проиуклеусов
слияния
окажется
полюсу.
первому
ядро
В
более
или
цеитролециталь-
правилу
яйца
Сакса—
делился
‚—
на
#
много ядер, которые по цитоплазматическим
мостикам
переходят во внешний слой свободной от желтка цитоплазмы (периплазму)
и равномерно там распределяются. Здесь ядра еще
несколько
раз синхронно делятся,
из
округлых
становятся
овальными и в них появляются ядрышки, Затем деления становятся
асинхронными,
формируются
клеточные
перегородки
А
[2
Рис. 27. Последовательные стадии поверхностного
дробления
яйца насекомого (А — Г} (по Б. И. Балинскому, 1965)
.
и образуется базальиая мембрана, отделяющая периплазму от
центральной массы желтка.
В полилецитальных яйцах телоленитального типа свободиая
от
желтка
цитоплазма
расположена
тонким слоём, поэтому,
несомненно, что согласно второму правилу Сакса
— Гертвига
веретена первых делений дробления будут расположены параллельно поверхности яйна, т. е. тангенниально. Так будет продолжаться до тех пор, пока тангенциальные поперечники бластомеров не сравняются с радиальными поперечниками; обычно
это наблюдается уже к конну дробления.
Огромный
по
сравнению
с чистой
цитоплазмой
объем
желт-
ка в полилецитальных яйцах бороздами не расчленяется, Таким
образом, в полилецитальных яйцах дробление охватывает лишь
свободную
от желтка цитоплазму: Такой
тип дробления называется частичным или меробластическим. Борозды дробления
ие распространяются на область, занятую желтком; это связапо с тем, что борозды активно растут по поверхности желтка. Например, в яйцах сумчатых, где содержится небольшое
количество желтка, уже в первом делении борозда дробления
7
-
99
огибает желток и тем самым полностью отделяет его от первых
двух бластомеров. Поэтому уже первых два бластомера сумчатых обладают характерной для всех млекопитающих алецитальностью.
Дробление
центролецнтальных
нию
на
бластомеры
птии
дробится
яиц,
поверхностного
сводящееся
слоя
ют поверхностным (рис. 27). В телолецитальных
анимальном
идальным
ся
полюсе.
(рис.
целиком;
чается
тонкий
диск
Такой
цитоплазмы,
тип
яйцах
сравнительно
дробления
небольшое
бластомеры.
рыб
называют
количество
Такой
называ-
расположенный
28, 29). Мезо- и олиголецитальные
в вегетативиые
к разлеле-
нитоплазмы,
тип
н
на
диско-_
яйца дробят-_
желтка
вклю-
дробления
назы-
вают голобластическим.
ния — взанмиая перпенднкулярность (ортогональиость} первых
трех борозд, причем две первые проходят по меридианам яйца.
Исключения из этого правила есть, но оии федки. Для мезолецитальных
яин
ортогональиость
непосредствеино
выводится из правил Сакса — Гертвига; в таких яйцах веретено первого делеиня дробления располагается
параллельио
экватору
яйца. В данном случае говорят, однако, не о тангенциальном, а о широтном направлении, так как веретеио
находится не под самой поверхностыю. Соответствеино
борозда
первого
деления
располагается меридиоинально (рис. 30, А, Б). Веретёна
двух вторых делений по тому же правилу расположены в той же плоскости, ио
под прямым углом к первому веретену; легко видеть,
что именно эти иаправлеиия
теперь примерно соответствуют
иаибольшей
протяжеииости
бедной желтком
Рис. 98. Последовательные стадии
(А—Д) дискоидального
дробления
яйца костистой
рыбы (по
Б. И. Балинскому,
1965).
ние
(бл)
бластомеров
нераздробленном
Скопле-
лежит
желтке
(ж)
на
цитоплазмы.
В результате яйцо делится двумя
меридиональными
бороздами, расположенными под прямым углом (рис. 30, В). Первые четыре бластомера мезолецитальиых яиц равны между собой и иногда обозначаются
как квадранты
яйца.
После этого направлеиие наибольшей протяженности чистой нитоллазмы в каждом квадранте уже совпадает с мернднанами яйна, так как широтные
поперечиики
квадрантов
Рис. 29. Последовательные стадии
ления
яйца
курицы.
Вид
(А —Г)
на зародышеёвый
Балинскому, [965)
дискоидального дроб-
диск
сверху
(по Б. И.
короче меридиональных. Поэтому все четыре веретена третьих
делений дробления располагаются меридионально. Вместе с тем
их
как
Центры
остаются
вегетативиая
смещепнпыми
область
в
к
анимальному
большей
мере
полюсу,
занята
так
желтком.
Поэтому борозды третьих делений дробления расположены по
широте яйца, смещеиной в анимальную стороиу от экватора.
Образуются
четыре
более
мелких
анимальных
бластомера
(микромеры) и четыре более крупных вегетативных бластомера
(макромеры), содержащие весь желток (рис. 30, Г). Позже
дробление утрачивает общую правильность, ио аиимальные
бластомеры
все
время
остаются
мельче
вегетативных
(рис. 30, Д, Е).
о
Закономериостн дроблення
`
т”
олиголецнтальных яйцеклеток
дне
лиюиажь
суеты"
В олиголецитальных яйцеклетках
типов расположения бластомеров, из
главные.
наблюдается несколько
которых отметим лишь
Радиальный тип. дробления присущ хордовым
(лаинетник,
круглоротые, осетровые, амфибии), иглокожим и некоторым
другим группам с голобластическим типом развития. При этом
типе дробления бластомеры разных широтных ярусов распола-..
гаются, по крайией мере на ранних стадиях, довольно точно
один над другим, так что полярная ось яйна является осью
радиальной
альном
симметрии.
варианте
тип дробления
Радиальный
выводится
рассмотрен
Равиомериое радиальиое
кожих (рис. 33).
-
тип
дроблений
из ортогочальности
иа примере
дробление
°
яйна
лягушки
протекает
.
в его нде-
веретен» Этот
(рис. 30).
в яйцах
игло-
В
101
Спиральный
у моллюсков;
объединяются
симметрией
тип дробления,
(энантиоморфизм)
бластомеров.
двух)
наблюдающийся
наиболее
четко
кольчатых и ресничных червей (все эти формы
в группу ЗргаНа), отличается лево-правой дисуже
на
стадии
четырех
(иногда
как
В основе этого типа дробления, так же
В
Рис.
30.
Последовательные
стадии
(АЕ)
Б. И. Балинскому,
дробления
1965}
яйца
лягушки
(по
и радиального дробления, лежит ортогоналяьность последовательных делений, а лево-правая диссимметрия возникает из-за
того, что в анафазе каждого последующего деления дробления
только что разделившиеся бластомеры поворачиваются вокруг
& =
Рис. 31. Спиральное дробление в декстральных яйцах брюхоногого моллюска
Гутнаеа аяпай
(АГ) и в синистральных яйцах брюхоногого моллюска
Рйуза асы (Д,Е} (по В. Н. Мещерякову, 1976). Везде вид с анимального
пояюса; Г— вил сбоку ((— те — деление дробления, 11
— 2-е деление дробления
оси
веретена
в противоположные
стороны (рис. 32). Направле-
ние этих поворотов детерминировано генетически: у большинства видов или рас моллюсков
ближайший
к наблюдателю
бластомер
каждой пары поворачивается по часовой стрелке.
Рис. 32. Взаимные повороты сестринских бластомеров при спиральном дроблении (по В. Н. Мещерякову, 1976). А —вид сверху; 5 —
вид сбоку. Слева
— поворот
против часовой стрелки, справа
— поворот по часовой стрелке
Эти формы называют декстральными. У других моллюсков,
например у Рйуза асша, ближайший к наблюдатели бластомер
пары
каждой
поворачнвается
против
часовой
— синистстрелки
ральные формы. Направление поворота бластомеров определяется исключительно геномом матери и не зависит от генома,
вносимого самцом при оплодотворении («материнский эффект»,
Рис. 33. Последовательные
кожих.
4,
В Е — вид
стадии
сбоку;
(А — Е)
радиального дробления
Б — вид сверху;
стоцель)
Е — пелобластула
яиц игло{(бц-- бла-
*
см. ниже). При этом ген декстральности доминантный. Это свидетельствует о том, что направление
поворота
бластомеров
определяется какими-то структурами (вероятнее всего, микрофиламентами),
синтезироваиными
еще в оогенезе.
Опишем повороты бластомеров на дробящихся яйцеклетках.
Одновременный поворот двух пар сестринских бластомеров в
анафазе
второго
деления
дробления
(рис. 31, А, 32, паправление
Рис. 34. Дробление яйца аскариды (из П. П. Иванова,
следующих делений;
двух бластомеров с веретенами
бластомеров
фигура
до поворота вегетативной
из четырех
бластомеров
после
пары
1937). АД, Б — стадви
В — стадия четырех
бластомеров;
завершения
Г — ромбическая
поворота
бластомеров
поворотов показано стрелками, номера борозд
— римскими пифрами) приводит к винтовому скручиванию борозды первого
деления дробления. При
завершении
формирования
второй
борозды это скручивание закрепляется (рис. 31, Б). При пере-
ходе от четырех бластомеров к восьми такое же скручивание
У декстральных яиц приводит к повороту четверки (квартета}
более мелких аиимальных бластомеров (микромеров) отиоснтельно квартета вегетативных макромеров (рис. 31, В, Г; черточкн показывают направления отделения микромеров от макромеров). В синистральных яйцеклетках стадии четырех и вось-
ми бластомеров показаны иа рис. 31, Д и.
Кроме
радиального
и
спирального
известны
и
некоторые
другие типы голобластического дробления, хотя они встречаются реже. Так, у некоторых групп беспозвоночных существуют
разные типы так иазываемого
билатерального
Для
этого
дробления.
тийа“”Характерна`”
одна плоскость симметрии.
В качестве примера
рассмотрим
дробление
круглого
червя
— аскариды
(рис.
34).
В
_
отличие
от
большинства
Рис. 35. Анархическое дробление
у медузы Осеафа {по К. Н. Давыдову,
дробления
вотных веретено
1914)
первого
деле-
иия дробления у аскариды ориентировано меридиоиально,/ и“
ходит приблизительно
поэтому первая борозда
экваториально (рис. 34, А). Затем
мальный
делится
бластомер
у
других групп жи-
меридиональной
проани-
бороздой,
а
вегетативный — широтной
(рис. 34, Б). В результате получается Т-образная фигура из четырех бластомеров, лишенная поворотной симметрии, но имеющая плоскость симметрии
отражения, совпадающую с плоскостью рисунка. Затем путем
поворота вегетативной пары бластомеров Т-образная фигура
преобразуется в ромбическую (рис. 34, В, Г). Этот поворот
происходит не во время цитотомии, как при спиральном дроблении. а в промежутке между делениями, в иитерфазе. Иитерфазные движения бластомеров
— явления другого порядка, чем
описанные перед этим днссимметричные анафазные повороты.
Интерфазные движения разнообразны. У других круглых червсей они выражаются в том, что две первые пары бластомеров,
поначалу ориентированные крест-накрест, затем поворачиваются так, что тоже
оказываются
ния
Нередко
наблюдаются
бластомеров
раннем
развитии,
позднем
развитии,
в одной
плоскости,
интерфазные
движеиия
друг
на друга.
отмечаются
на
стадии
когда
бластомеров. и,
Опи
двух
они
бластомеров,
связаны
—..-
с
образуя
типа
как
так
ромб.
наполза-:
в самом
и
в
более
дифференцировкой
—=У” некоторых ннзших беспозвоночных
(кишечнополоетные,
нпаразитические плоские червн) наблюдается анархическое дроб-..__
ление,
когда
бластомеры
слабо
связаны
между
собой
и вначале
располагаются неправильными цепочками
(оии порой
даже
распадаются под ударами волн морского прибоя, но из отдельных участков тем не менее образуются полноценные зародыши)
— рис. 35. Позже бластомеры объединяются и в конце
104
коннов
образуют
плотное
скопление
— морулу.
В
этом
типе
дробления интерфазные движения бластомеров также нграют
большую роль.
Итак, простраиствеииая организация дроблеийия в основном
определяется: 1) расположеиием ядер и ориентацией
веретен
согласио правилам Сакса
— Гертвига; 2} в случае’ спирального
дробления
— диссимметричиыми аиафазными поворотами бластомеров; 3) в ряде других случаев
— разнообразными интерфазными движениями бластомеров.
Ооплазматическая сегрегация
в ходе дробления
В ходе делений дробления многих яиц, особенно с так называемым детерминативным (мозаичным} дроблением (см. ниже),
продолжается начавшаяся ранее ооплазматическая сегрегация.
Среди форм со спиральным дроблением ооплазматическая
Сет егация особенно наглядна у некоторых кольчатых червей-—
ибфех и моллюсков Пуапазза и еп Цит, в яйцах которых
сие до иачала дробления
на вегетативном
полюсе имеется
ооплазма
особого
вида,
так
У моллюсков
она периодически, в ходе каждого
деления
дробления, выпячивается в виде лопасти, отчего и получила
назваиие
Полярной
называемая
А
полярная
Б
плазма.
8
лопасти
(рис. 36, А, 5). Борозда первого деления
дробления и иескольких
последующих деле-
ний при нормальном
развитии
никогда не рассекает
полярную плазму, а огибает ее, причем, по-видимому, произвольно
(рис. 36, В). Здесь проявляется
свойство борозды проходить на
граиинце между разиыми фазами ооплазмы.
В результате
Рис. 36. Попадание вегетативной полярной плазмы в один из первых двух
бластомеров моллюска
Му Ши едиИ$
в результате неравномерного первого:
деления дробления
(по Дж. Иберту,
1968). А — выделение
полярных
телец;
Б — формирование полярной лопасти;
В — первое
деление
(полярная
ло-
пасть попадает в правый бластомер)
|
после третьего деления дроб‘``
<.
ления полярная плазма попадает в бластомер, расположенный в
вегетативном полушарии зародыша на его будущей спинной стороне. Этот бластомер прииято обозначать символом 1. Затем
она распределяется между его потомками, попадая по преимуществу в расположениый ближе к анимальному полюсу бластомер 24 и в находящийся ближе к вегетативиому полюсу бластомер 44. Их потомки образуют большую часть органов лнчинки.
Потомки 24 остаются на поверхности тела, и из них развивается большая часть эктодермы, а из потомков 44, кроме прочего,—
целомическая
мезодерма
(см. гл. 6).
Если
лопасть на стадиях первого или второго
удалить
деления
полярную
дробления, то
105
появляются личиики, лишенные мезодермы и некоторых других
(эктодермальных) закладок.
Биохимический анализ содержимого полярной лопасти показал, что оно сильно обогащено АТФ: 40% имеющейся в яйце
АТФ
сосредоточено
в этой
плазме. Для
чего
нужна
такая
высо-
кая концентрация АТФ в полярной лопасти и какое это имеет
отношение к дальнейшему развитию судьбы бластомера 48,
пока неизвестно.
Таким образом, вещества полярных плазм закономерно распределяются по бластомерам в ходе дробления и, иесомненно,
влияют на дифференцировку бластомеров. Однако, что лежит
в основе этих влияний
— неизвестно. Постепенно накапливается
все больше данных о том, что влияния эти не прямые, а передаются
мер,
через
что
ряд
последовательных
полярные
плазмы
звеньев.
влияют
на
Показаио,
скорость
напри-
деления
тех
бластомеров, в которых они содержатся. У моллюсков Пуапа$5а
и Гутпаеа бластомеры с полярными плазмами дробятся заметно быстрее других бластомеров, у моллюсков
медленнее,
а
после
удаления
полярных
РаЕеЦа и Тгосйи$ —
плазм
различия
в
темпе
делений разных бластомеров исчезают, так же как различия
в их дифференцировке. Между тем длительность клеточного
цикла
может
влиять
Интересный
на дифференцировку.
случай
закономерной
региональной
локализа-
ции определенного вещества (аскорбиновой кислоты) в яйце
описан у моллюска Аруяа. Первоначально в незрелом яйце
аскорбиновая кислота в составе гранул распределена по всей
цитоплазме,
но
в
ходе
созревания
она
локализуется
в
узкой
зоне в виде пояска над экватором.
Если
яйцо подвергнуть
центрифугированию и сместить гранулы к вегетативному полюсу,
то
через
трируясь
некоторое
в узкой
зоне
демонстрирующий
время
над
онй
вновь
экватором.
фазовую
поднимаются,
Это
наглядный
негомогенность
внутрияйневой
среды, которая играет немалую роль в неравномерном
делении компонентов, их сегрегировании.
:
концен-
пример,
распре-
Активация репликации и особеииости
клеточных делений при дроблении
Вскоре после оплодотворения в пронуклеусах начинается
репликация ДНК. Так как ооплазма содержит в большом количестве все факторы синтеза ДНК, отсутствие репликации до
активации яйна обусловлено какими-то механизмами, которые
подавляют синтез ДНК до этого момента. Одна из возможных
причин этого заключается в особом состоянни хромосом, в частности в заблокированности точек инициации синтеза ДНК в
репликонах (см. гл. 2). Другая возможная причина
— в том,
что компоненты системы синтеза ДИК иаходятся в связанном
‚ состоянии.
леусе,
05.
Для
активации
по-вндимому,
синтеза
требуется
ДНК
в
дополнительный
мужском
пронук-
фактор,
способ-
ствующий
набуханию
и подготовке
сперматозоида.
ядра
ДНК
ванной
к репликации
Этот
компактизопоявляется
фактор
в
процессе созревания (см. гл. 3). При его отсутствии ядро сперматозонда пе подвергается декомпактизации и структурным
перестройкам, которые создают условия для возобновления
функций ДНК, из которых первая
— репликация. В присутствии этих факторов перестройки завершаются спустя несколько
минут
после пребывания
ядра
в ооплазме.
Сиитез ДНК начинается в обоих пронуклеусах одновременио, и в каждом из них удваивается свой (отцовский или материнский} набор хромосом. Это одна из особенностей зиготы,
так как во всех других клетках гомологичные наборы хромосом
редуплицируются, находясь внутри одного ядра, т. е. одной
системы репликации.
Так как ядро сперматозоида не привносит в яйцо своих факторов репликации ДНК, оно пеликом использует систему релликанции яйца — ДНК-полимеразы, нуклеозидтрифосфаты, фЕкторы инициации синтеза ДНК; гистоны для сборки нуклеосом,
пегистоновые белки и т. д. Все они проникают в ядро сперматозоида из ооплазмы,
Первоначально объем ядра сперматозоида значительно мень„ ше, чем у женского пронуклеуса. Вскоре после проникновения
в ооплазму ядро сперматозоида набухает за счет поступления
в него материала ооплазмы и увеличивается в размере в 20 раз.
Так, у морского ежа, живущего в теплых морях, уже через
20 мин после оплодотворения завершаются не только все эти
подготовительные
процессы,
но и репликация
ДНК в
обоих
про-
нуклеусах, которые готовы вступить в первое деление дробления. Запасов факторов репликации в яйце значительно больше,
чем требуется для активации мужского пронуклеуса. Об этом
можно судить по наблюдениям за поведением ядер сперматозондов при полиспермии, а также по опытам
Дж.
Гёрдона,
который вводил в неоплодотворенное яйцо множество ядер из
соматических клеток или большое количество очищенной ДНК.
синтезируют ДНК,
например ядра головного мозга,
тов птиц, них
в
также, хотя и с некоторой задержкой,
ся синтез ДЫК.
—
В
случаях
полиспермии
пронуклеусах,
мает
руют.
участие
однако
только
Факторы
равномерно,
так
в
синтез
процессах
один
ИЗ
во
активируется
развития
пронуклеусов,
репликации,
как
ДНК
видимо,
всех
эритрбценачинает-
остальные
распределены
бластомерах
во всех
зародыша
их
прини-
дегенери-
в ооплазме
достаточпо
для
обеспечения репликации ДНК. Это особенно важно для периода
синхронных
временно.
дах
при
делений
Факт
дробления,
инициации
полиспермии
также
когда
синтеза
все клетки
ДНК
во
свидетельствует
всех
о
делятся
одно-
сперматозои-
том,
что
и
фак-
107
торы, необходимые для этого, имеются в яйне в избытке и распределеиы в ием так, что ядро сперматозонда может активироваться в любом его участке.
После удвоения числа хромосом в пронуклеусах начинается
первое деление дробления зиготы. К этому времени веретеио
уже сформировано, ядерные мембраны разрушаются и хромо-
сомные
наборы
объединяются.
Иногда
гомологичные
наборы
хромосом смешиваются до наступления метафазы, ио в ряде
случаев даже в метафазе они располагаются несколько обособленно.
Одна из загадок механизма подготовки к делению активированного яйца — пронсхождеиие цеитриоли. Предполагается,
что в большиистве случаев центриоль привносится сперматозоидом, так как яйцеклетка лишена ее. В соответствии с этим предположением партеногенетическое развнтие у многих животиых
невозможно нз-за отсутствия центриоли.
Особенности клеточных делеиий
в период дроблейия.
Синхроиное и асиихроиное дробление
У
многих
видов
первые
деления
дробления
о:
ое
и
..
идут
=
синхроино.
Затем наступает период асинхрониых делений. Синхронные и
асинхроииые деления отличаются
по параметрам
клеточных
циклов, особенностям нцитотомии и биохимических процессов.
Синхронные
делевия —это
быстропротекающие укороченные
одинаковые циклы. Они не нуждаются в новых синтезах макромолекул, увеличении объема цитоплазмы и ядра, но им требуется
репликация
ДНК
и,
по-видимому,
синтез
некоторой
части
гистонов. „Благодаря тому что в яйне сосредоточены факторы
и компоненты для большого числа клеток, возиикающих в ходе
синхронных делений дробления, процесс сводится в основном
к
синтезу
ДНК, сборке
хромосом
(отчасти, видимо, за счет
ново-
образующихся гнстонов) и к цитотомин. При синхронных делениях клеточные циклы сильно укорочены за счет практически
полного отсутствия фазы С1 и фазы С(2, а также за счет сильного укорочения фазы $ и собственно митоза (фазы М}. Например, весь цикл деления в яйцах морского ежа длится 30—40 мин
(речь
идет
о теплолюбивых
видах)
с продолжительностью
$-фазы всего 15 мин, в яйцах аксолотля никл длится около
99 мин. Наиболее короткие циклы наблюдаются у насекомых,
онн ие превышают
10 мин, причем $-фаза занимает лишь
3,5 мин. Такие сильно укороченные циклы отчасти объясняются
тем, что в период синхронных делений у насекомых отсутствует
цитотомия. Ни в каких других клетках животных и растений
йет
столь
высокнх
хронных делений.
щим особенностям
108
темпов
деления,
Такие темпы
этих деленнй.
как
в
возможиы
яйцах
в
период
благодаря
син-
следую-
1. Сиитетические процессы, которые обычно подготавливают
очередиое деление клеткн, сведены к мииимуму: подавляющая
часть продуктов, образующихся при этих синтезах, уже есть в
зрелом яйце, поэтому процессы роста перед делеинямн отсутствуют. Фазы СГ н (2, в ходе которых осуществляются эти
сннтетические процессы, при синхроиных делениях редуцированы, а фаза $ сильио сокращена.
2. Столь значительное укорочение цикла деления нельзя
объяснить только вышеуказаиной причиной, так как синтез
ДНК и сборка хромосом при синхронных делениях осуществляются в полном объеме. Укороченне $-фазы достнгается иным
механизмом: синхронизацией начала репликации во всех репликонах генома. Остановимся подробнее на этом механизме.
Напомним,
что
клеткн
эукариот
в отличие
от бактернй
пред-
ставляют собой полирепликоиную систему. Число репликонов—
автономно реплинирующихся участков ДИК
(генома)
— определяется числом точек инициации репликации, т. е. средним
расстоянием между ними (размерами репликонов и суммарной
длиной
ДНК
в
геноме).
Время
полной
редупликации
ДНК
генома зависит от числа репликонов (точек нннциацин), скорости продвижеиия репликанционной вилки (собственно репликации) и степеии синхроиности начала репликации в разных репликонах.
Измерения показали, что в ядрах синхронно дробящихся
яиц скорость продвижения репликационной вилки обычная, ио
у них зиачительно больше точек ииициании и в отличие от
других клеток инициация синтеза ДНК во всех репликонах
происходит одиовременно (синхронно). Подобной ситуации нет
ин в одних других видах клеток. Таким образом, при синхронных делениях общее время репликации ДНК в ядре совпадает
с временем удвоения одного (притом укороченного) репликона.
В обычных клетках снитез ДНК в репликонах происходит асин-
хроино потому, что в фазе $ продолжаются другие внутриядерные процессы и, в частности, транскрипция. В синхронно делящихся клетках яйца транскрипция
практически
отсутствует
(см. ниже) и невозможна в этих условиях. Следовательно, в
период
сннхронных
делений
полирепликонный
зукариотный
геном редуплицируется как монорепликонный геном бактериальной клетки.
Данные показывают, что сборка иуклеосом во время репликации ДНК не может служить лимитирующим фактором, если
не ограничен приток всех типов гистонов в нужном количестве
к местам репликанин. В обычных клетках резерва гистонов не
образуется, оии сннтезируются во время $-фазы координированно
(кроме
гистона
Н!)
© репликацией
ДНК
и
иемедленно
используются.
В яйцах запасаются все фракции гистойов. Вместе с тем
сразу же после иачала дробления в цитоплазме иа резервированных иРНК начинается синтез новых молекул гистонов. Так,
о
>.
109
=-
в
ра
неоплодотворенных
яйцах
морских
ежей
наряду
с некоторы-
ми запасами гистонов обнаружена неактивная форма иРИК
для всех пяти гистоновых фракций. Такие же иРНК обнаруживаются в полисомах дробящихся яиц. Предполагается, что
после оплодотворения яйца запасеиные иРНК активируются,
образуют полисомы и на этих матрицах синтезируются 4е поуо
все
в
гистоновые
период
Так,
фракции.
синхронных
на 200-клеточной
Скорость
делений
стадии
синтеза
дробления
в эмбрионе
гистонов
и
одипаково
морского
ДНК
высока.
ежа
в 1 мин
образуется 1,5 мкг ДНК и 1,3—2,3 мкг гистона. Однако в отличие от других клеток синтез гистонов и ДНК как в оогенёзе,
так и в раннем эмбриогенезе не скоординирован ни по фазам
клеточного цикла, ни в количественном отношении. |
Сборка надмолекулярвых структур из уже синтезированных
белков
играет
важную
роль
в процессе
цитотомии.
Цитотомия
при дроблении кроме обычного (разделение цитоплазмы посредством мембран) имеет особое морфогенетическое значение, так
как является фактором, определяющим тип. дробления.
В процессе цитотомии можно выделить фазу, связанную с
образованием перетяжки между бластомерами в результате
сокращения уже имевшейся мембраны, и фазу синтеза, точнее,
сборки новых участков клеточной мембраны, формирующей
перегородку
между
вновь
фаза
протекает
в порме
ского
деления
— в период
возникшими
бластомерами.
на поздних
стадиях
данного
анафазы
и телофазы,
Первая
митотиче-
вторая
фаза—
после завершения деления, в период интерфазы.
В настоящее время различают два типа цитотомии
— сократительиый и ростовой. Первый тип в наиболее «чистой» форме
встречается
в яйцах
со сравнительно
малым
количеством
желтка (иглокожие, моллюски). У них образование перетяжки
между бластомерами обусловлено работой сократимого кольца
из микрофиламентов, собранного примерно к стадии анафазы
в плоскости будущей перетяжки. Сборка этого кольца из более
мелких субъединиц (минелл} происходит за несколько десятков
мииут под прямым влияиием полюсов митотического веретена,
т. е. нентриолей и полярных лучистостей. Ядерные структуры
для этого не нужны: перетяжки могут образовываться в энуклеированных
(лишенных
ядер)
яйцеклетках,
так
же
как
в.
яйцеклетках, содержащих ядро. С другой стороны, если митотическое веретено механическим путем
(сдавливанием яйца
между стеклянными пластинками) сдвинуть с его обычпого положения, то перетяжка между бластомерами возникнет в необычиом для нее месте поверхности яйца, но точно посередине
между полюсами веретена. Таким образом, из обоих полюсов
веретена исходят какие-то неизвестные, достаточно направленные влияния (их распространение может быть связано с микротрубочками, образующими полярные лучистости); в той плоскости, где эти влияния от противоположных полюсов встречаются
(в субкортикальном слое), и происходит сборка кольна из
110
ыы
микрофиламентов. После того как это кольно собралось, оно
уже работает автономно, независимо от полюсов веретена, и
перетяжка между бластомерами продолжает углубляться.
Вслед
за
сократительной
нитотомией,
уже
в интерфазе,
обя-
зательно наступает период синтеза (точнее, сборки из субъединиц, синтезированных в цитоплазматических органеллах бластомеров} новых участков клеточной поверхности. Эти участки
формируют зону контакта между бластомерами, которая непосредственно после завершения нитотомии очень мала, но затем
увеличивается (бластомеры как бы слипаются друг с другом).
Таким образом, при сократительной цнтотомии образование
перетяжки между бластомерами и синтез новой контактной
поверхности между ннми разъединены во времени.
В яйцах с большим количеством желтка (мезо- и особенно
полилецитальных)
сокращение микрофиламентарного
кольца
не может полностью осуществить цитотомию, которая в этом
случае осуществляется по ростовому типу. Решающее значение
приобретает своеобразный, малоизучениый процесс активного
роста вершин борозд дробления, как бы врезающихся в яйно.
Врезающиеся борозды проходят по границам между отдельными фазами ооплазмы, тем самым закрепляя и завершая
ооплазматическую сегрегацию. В случае сильных искусственных нарушений процесса сегрегации борозды могут даже ветвиться, что полностью дезорганизует ход дробления.
Сразу же по завершении цитотомии бластомеры олиголенцитальных яиц остаются связанными между собой лишь тоненькими мостиками. Именно в это время их легче всего разделить.
Однако через пекоторое время поверхность контакта между
инми увеличивается. Это происходит в результате встраивания
новых субъединиц плазматической
мембраны
в поверхность
бластомера. Процесс встранвания достаточно активен. Подечитано, что в яйцах шпорцевой лягушки (Хепориз [ае15) после
первого деления дробления за | мин образуется 4-103 мкм?
иовой мембраны. В результате встраивания новых участков
мембраны бластомеры начинают плотно соприкасаться. Как
правило,
особенио
во время
ранних
делений
дробления,
бласто-
меры увеличивают контактную поверхность симметрично. Однако бывает и так, что один из контактирующих бластомеров как
бы катекает на другой, остающийся округлым.
При дроблении многих типов яиц оба вида цитотомии сочетаются. Например, в яйцеклетках рыб борозды начинают образовываться путем врастания, а на последующих стадиях образования борозд участвует сократительное кольцо. У шпорцевой
лягушки первая борозда дробления начинает формироваться
в анимальной части яйцеклетки посредством сократительной
цитотомии, а дальнейшее ее углубление внутрь яйна осуществляется благодаря ростовой цитотомии.
Переход к асинхронным делениям сопровождается утратой
иазванных
выше
особенностей
клеточных
.
делений,
характер111
\
ных для синхронного периода: появляются фазы @] н @2, увеличнвается продолжительность всех фаз,
В начале асинхронного периода деление бластомеров нередко
распространяется
тивному
полюсу
в
виде
волны
яйцеклетки:
от
сначала
анимального
делятся
к
вегета-
анимальные
бластомеры, а затем бластомеры, расположенные ближе к вегетативному полюсу. Иногда этот отрезок дробления называют
метахронным.
В дальнейшем такая временная организация
делений утрачивается, и они становятся полностью независимыми друг 0% друга (асинхроннымн). Относительная продолжительность синхронного и асинхронного периодов у разных
видов неодинакова.
Относительно длинный
синхронный
период — 7 первых делений дробления — наблюдается в яйцах игло-
кожих. В яйцах амфибий (аксолотль) все бластомеры
синхронно вплоть до четвертого деления дробления
16
бластомеров).
Затем,
с 5-го
по
11-е
деления
делятся
(стадия
наблюдаются
«волны дробления»: сначала делятся самые аннмальные бластомеры, затем расположенные на экваторе яйца, после этого вегеТативные. При этом анимальные бластомеры сохраняют‘ синхронность деления относительно друг друга до 10-го деления
включительно.
Начиная
с 11-го деления,
дробление
становится
повсеместно асинхронным.
В яйцах многих групп животных
— круглых Червей, некоторых моллюсков, млекопитающих
— периода синхронных делений
нет:
начиная
со
2-го
_^
Период
деления,
дробление
идет
асинхронно.
Бластуляция
позднего
асинхронного
ных циклах бластомеров
дроблення,
в
когда
в
клеточ-
появляется фаза @1, называют перио-
дом бластуляции. В этот период или даже раньше внутреннне
стенки бластомеров начинают расходиться и между ними возникает сначала небольшая, а затем все увеличивающаяся полость
дробления (бластоцель). Максимальных размеров бластоцель
достнгает на заключительном этапе дробления. Бластомеры к
этому времени перестают быть округлыми, у них увеличиваются
доверхности взаимного контакта, в связи с этим стенка зароды-.
ща эпителизируется— приобретает вид эпителиального пласта.
Эпителизация стенки зародыша
— одна из важнейших предпосылок более тесных взаимодействий между клетками и их координированных движений в ходе дальнейшего развития..
Зародыш, прошедший все названные превращения, называется бластулой.
Типы бластул. Строение бластулы зависит от типа дробления яйца, а тни дробления в значительной мере определяется
количеством И расположеннем желтка в яйце.
Яяцеклетки с малым количеством желтка
стулы
целем
112
формируют
бла-
с тонкими однослойными стенками и обширным бласто— целобластулы. Нанболее типичны целобластулы игло-
|
.
кожих, почти сферические по форме (рис. 37, А). У кишезнополостных с анархическим
типом
дробления
целобластулы
имеют вытянутую
или
неправильную
форму.
У некоторых
кишечнополостных
бластоцель
ние заканчивается
на стадии плотного
вообще
не образуется
комка
Бластула со стенкой равномерной толщины и очень маленьКИМ,
центрально
-:
_.
жит
РАНЕ
расположен-
5$
ным
бластоцелем (некоторые
кишечнополостные,
моллюски, черви, а ‘также млекопитающие)
называется
и дробле--
клеток
— морилы..
«
стерро-
бластулой.
—___—ем больше в яйце желтка,
тем-церавномернее дробление,
тем круннее вегетатнвные бластомеры
и тем
ванное
ими
толше
образо-
вегетатнвное
дно
бластулы. В мезолецитальных
яйцах осетровых рыб и амфи-
рис. 37. Типы бластул,
бий
стула (морской еж); Б — амфибласту-
дно
бластулы
занимает
все вегетативное
полушарие,
ное
Он
бластоцель смещен в анимальполушарие.
сверху
Значительно
а
ла (амфибии);
В, Г — дискобластуле
(костистые рыбы, птицы) .
покрыт
более
А — целобла-
о
тонкой
крышей
бластулы,
сложенной
Из двух-трех слоев мелких бластомеров. Бластулу такого строения называют амфибластулой (рис. 37, Б). Амфибластула встреется и у некоторых других форм, например у малощетинковых
червей.
В этом
случае
бластоцель
еще
меньше,
чем
у
амфибий,
крыша тоньше, а вегетативное дно толще.
В
полилецнтальных
яйцах
рыб,
пресмыкающихся
и
птни.
_ дробление дискоидальное. В результате образуется состоящий
из нескольких клеточных слоев диск, лежащий на нераздробленной массе желтка„/ Диск несколько выгибается над желтком,
[Г`И
между
ними
возникает
полость,
которую
также
называют
бластоцелем, а нногда подзародышевой полостью. Это дискобластула (рис. 37, В, Г}.
центролецитальных яйцах насекомых (и других членисто-ногих) после мнграции ядер на поверхность и образовання
клеточных
стенок
формируется
клеточный
слой,
окружающий
желток,— леридерма. Это перибластила. Ядра, оставшиеся в
желтке, участвуют в его расщеплении и носят название вителло-фагов.
р
Активация и функционирование генов
в период дробления
За редким
ты
щегося
83
исключением
транскрипционно
заказ
яйца начинается
645
(аскарида), ядро яйцеклетки и зиго-
неактивно,
и
синтез
РНК
после оплодотворения.
в
ядре
дробя-
У разных видов
.
113:
животных
развития.
щемся
он иаблюдается на разных стадиях раннего периода
Определить первые признаки синтеза РНК в дробя-
яйце
очень
трудно
из-за
его
крайне
слабой
актнвностн
{современные методы измерения синтеза РНК еще недостаточно
чувствительны}. В зависимости от того, на какой стадии развития начинается синтез РНК, изученные виды животных под-.
разделяют на две группы.
К
первой
группе
относятся
животные
с большим
}
колнчест-
вом желтка. У них синтез РНК начинается наиболее позд-.
но — перед образованием бластулы (у яиц с синхронным дроблением начало активного синтеза РНК приурочено к периоду
асинхронизации деленнй}. До этого периода сиптез РНК в бластомерах либо отсутствует, либб протекает на очень низком,
трудно определимом уровне. Обнаружение ядерного синтеза
РНК в ранний период затруднено еще н тем, что в цитоплазме
яиц
этой
группы
животных
имеется
много
митохондрий,
кото-
рые содержат собственную ДНК. Более того, количество митохондриальной ДНК может в сотни и тысячи раз превышать ее
содержание в ядре. Так как синтез РНК происходит и в митохондриях, отдифференцировать и нзмерить синтез ядерной РНК
достоверно не удается.
Ко
второй
группе
относят
животных,
у которых
яйца
содер-
жат малое количество запасепных макромолекул, органелл и
желтка. Это яйца червей, моллюсков, млекопитающих. Синтез
РНК в яйцах этой группы начинается уже на самых ранних
стадиях дробления. У аскариды синтез РНК, по-виднмому, не
прерывается в конце оогенеза, так как он обнаруживается даже‘
в пронуклеусах. У млекопитающих синтез РНК начинается со
стации двух бластомеров и в дальнейшем, к стадии бластоцисты, возрастает по крайней мере в 10—20 раз.
Хорошо изучена дннамика активации синтеза РНК и природа
синтезирующейся
РНК
в
раннем
эмбриогенезе
насекомых.
{дрозофилы), морского ежа, амфибий и рыб, Так, у насекомых
в тецение всего периода дробления ядра в центральной зоне,
когда еще отсутствуют клеточные границы, синтез РНК био_ химнческими методами не обнаруживается.
Он выявляется лишь
после стадни, когда ядра мигрируют на поверхность, образуя
бластодерму.
^
У морского ежа синтез РНК начинается па стадии 16—32
бластомеров.
Много дапиых свидетельствует о том, что у амфибий и рыб
синтез РНК начинается на стадии ранней бластулы (если только у них нет более раннего синтеза, достоверно пока не обнаруженного), Изучение динамики активации синтеза РНК в раннем эмбрноне очень важно, так как в период раннего эмбрногенеза.
начннают
устанавливаться
прерванные перед этнм
(в конце гаметогенеза) функциональные ядерно-цитоплазматические
отношения.
Начало
транскрипционной
активности в
‘эмбриогенезе
— свидетельство постепенного восстановлення ге114
.
нетической роли ядер в клетках зародыша. Запасание в ооплазме большого
количества
продуктов генной
активности предшествующего периода (оогенез) делает ооплазму относительно
самостоятельной, способной определенное время обходиться без
ядра.
>
.
ГЛАВА 6
.ГАСТРУЛЯЦИЯ, НЕЙРУЛЯЦИЯ,
ОБРАЗОВАНИЕ ПРОВИЗОРНЫХ ОРГАНОВ
но
После прохождения стадии бластулы в зародыше начинаются интенсивные передвижения
как отдельных клеток, так и
обширных участков стенкн бластулы, приводящие в конце концов к тому, что более или менее однородный перед этим зародыш расчленяется на два или три-слоя, которые называют зародышевыми листками, Самый внутренний зародышевый листок
Энтодерма,
внешний — эктодерма. Эти листки образуются у за-
родышей
нейший
всех
ход
многоклеточных
развития
листков
животных,
лишь
пастолько
необычен,
рые авторы избегают говорнть
и энтодерме. У всех животных,
` ных, формируется
у губок
что
дальнекото-
применнтельно к ним об эктокроме губок н кишечнополост-
еще и третий, средний
зародышевый
листок—
мезодерма, располагающийся между двумя первыми.
Процесс расчленения зародыша на зародышевые лнстки называется гаструлянией, а сам зародыш на стадин расчленения — гаструлой. Способы гаструляции довольно разнообразны. Отчасти они связаны со строением бластулы, но эта связь
далеко не однозначна. Рассмотрим основные типы гаструляции
тех зародышей, которые испытывают полное дробление, т. е.
принадлежат к голобластическому типу развития.
Способы гаструляцин у зародышей
с голобластическим
Особенно
разнообразны
типом дробления
способы
гаструляцни
у низших
бес-
У кишечнополостных,
дробление
которых
заканчивается
сплошной морулой без полости, наблюдается другой тип гастру-
ляции
— деламинация (расслоение). Он ограничивается эпителизацией клеток наружного слоя. Вдоль их выровненных внутренних
поверхностей
внешний
клеточный
клеток,
которая
вся
формируется
слой
мембрана,
(эктодерму)
становится
от
энтодермой
отделяющая
внутренней
(рис.
38,
этот
массы
В,,
В).
Рис. 38. Типы гаструляции (во П. П. Иванову, 1937). А — мультиполярная
иммиграция; 6, — Б» — последовательные стадии униполярной иммиграции;
В‚, В, — деламинация у гидроидного полива С1аоа тийсогийз; Г; — гаструляция у сцифомедузы Айгена Надаша; Г. — у Ашгена тагатаЙ5; Ду, Д.
— по-
‹ледовательные
стадии гаструляции
у морского
ежа;
Е — эпиболия
у мало-
щетинкового червя Кйупенейтия:
арх— стенка архентерона, би — бластопор, би — бластоцель, г. сл.— гиалиновый слой, покрывающий зародышей морского ежа, гк— гастроцель, мез — эмбриональная мезенхима,
мезод — целомическая
116
мезодерма,
экт — эктодерма,
у
энт — энтодерма
;
Таким образом, при деламинацин клеточные перемещения практически отсутствуют.
Наконец, у некоторых высших кишечнополостных (сцифоидные
медузы,
коралловые
полипы)
наблюдается
тип
„гаструля_..
ции, широко распространенный у представителей других типов
животных: впячивание, илн инвагинация. В этих случаях внутрь
бластонеля входят не отдельные клетки, а целый участок клеточного пласта, не утративший эпителиальной структуры. Впрочем, у кишечнополостных этот способ гаструляции легко заменяется другимн, более примитивными.
Так, у сцифомедузы
Аигейа Нау4ша
наблюдается более или менее выраженная
инвагинация (рис. 38, Г!), у А. тагатаИ$
— мультиполярная
иммиграция
(рнс. 38, Г2),
ау А. аигИа
— нечто
вроде унипо-
лярчой иммиграции с последующей эпителизанией иммигрировавших клеток. У некоторых видов гидроидных полипов
тоже
существуют различные сочетания иммнграционных и деламннациониых процессов или же последовательно протекают оба
процесса. Во всяком случае, гаструляционные процессы у кишечнополостных крайне вариабельны.
У других типов животных деламинационные и нммиграционные процессы имеют сравнительно меныцее значение для гаструляции, хотя также наблюдаются. Например, у иглокожих
путем
-
иммиграции
с
вегетативного
полюса
закладывается
так
называемая первнчная мезенхима, из которой потом формируются некоторые временные органы личинки
(скелет, органы
выделения). В целом же [процесс гаструляции приобретает бо„лее организованный характёр и осуществляется обычно путем
ннвагинации вегетативной стенки бластулы (рнс. 38, Ду, Д»).
Полость, которая образуется внутри зародыша при вворачивании вегетативной стенки бластулы, называется гастроцелем,
а ведущее в нее отверстие
— бластопором (перёйчным ртом}.
Края бластопора именуются губами,
=
Так как при инвагинации механическая целостность стенкн
бластулы ие нарушается, очевидно, что вворачивание дна бластулы должно сопровождаться более или менее значительным
смещением клеточного материала боковых стенок в вететативном направленин (вегетопетально}. Действительно, такие движения всегда происходят, и скорость их, как правнло, не меньше скорости вворачивавия. Вегетопетальные движення клеток
на поверхности гаструлы называют эпиболией (обрастанием}.
Известны случаи чисто эпиболнческой гаструляции, когда инвагинация невозможна из-за малых размеров бластоцеля илн
инертиости крупных, богатых желтком вегетативных макромеров. Например, у ряда малощетинковых червей макромеры
просто
накрываются
наползающимн
на ннх
микромерами
{рис. 38, Е).
Материал,
оставшийся
на
поверхности
вершення гаструляции, представляет
шевый листок, или эктодерму. Что
оо
в еуеииииме с плииаииям 575
зародыша
после
за-
собой наружный зародыкасается погрузившегося
——-
И?
.
° (любым
способом)
лостных
он
ний
внутрь
материала,
представляет
зародышевый
собой
листок,
„.Пищеварительного
тракта
стоящих
снстематических
то
лишь
чистую
у кишечнопо-
зитодерму
— внутрен-
формнрующий
впоследствин
с его
производными.
групп этот материал,
стенку
У всех
вышекроме
энтодер-
мы, содержит еще и материал
будущего
среднего зародышевого
листка
— мезодермы,
рано
поздно
который
или
отделяется
от
энтодермы.
Способы закладки мезодермы
у разиых групп животных
Различают
мезодермы.
внде
два
принципиально
Первый
встречается
у
отличных
типа
закладки
— телобластический
— в наиболее
спирально
дробящихся
форм,
чистом
относящихся
к первичпоротым животным. В предыдущей главе упоминалось
о бластомерах 24 и 44, получивших в ходе деления дробления
всю полярную
плазму. Две крупные клетки
— произволные
бластомера 44, симметрично расположеиные в полости бластоцеля
в области
губ
бластопора,
дают
начало
всей
так
называе-
мой целомической мезодерме лнчинкн. Эти бластомеры называются
мезобластами
или мезотелобластами.
Более мелкие
мезодермальные
бластомеров
тате
клетки
отипочковываются
серии
последовательных
путем
возннкает
:разделяются
пара
на
мезодермальных
парные
Затемненные
крупных
В
резуль-
Позже
они
отдельности
— сомиты,
внутри
которых
5 — энтероцельный;
ный.
этих
полосок.
Рис. 39. Способы закладки мезодермы
бластический;
от
делений,
(по В. В. Малахову,
В — деламинационный;
участки— целомическая
1976).
под-
А — тело-
Г — пролиферанниоя-
мезодерма
“
.-
путем расхождения клеток образуются участки вторичной полости тела, или целома, Способ формнрования полостей путем
расхождения клеток называется шизонельным_или кавитаци-
онным.
О=———
Такнм образом, при
телобластическом
способе закладки
целомическая мезодерма возникает из двух бластомеров со
строго определенной генеалогией (рис. 39, А). Мезодерма при
этом никак не связана с энтодермой, образующейся из других
бластомеров.
Закладка
мезодермы
из отдельных,
предназначенных
к тому
р
бластомеров
вей,
наблюдается
некоторых
также
ракообразных
у большинства
и у ряда
мелких
круглых
групп
чер-
первично-
ротых животных. В разных случаях генеалогня порождающих
мезодерму бластомеров неодинакова.
Принципиально другой — энтероцельный — способ закладки
мезодермы
свойствен вторичноротым животным
(иглокожие,
низшие хордовые} и в зачаточной форме
— некоторым червеобразным
(плеченогне). Здесь материал будущей мезодермы
вворачивается вместе с энтодермой в составе единого гастрального впячивания (рис. 39, Б), и в процессе инвагинации граница
между
обенми
закладками,
прослеживая
путь развития
ке, т. е. идя
от поздннх
неразличима.
Только
закладок в ретроспективном
как
поряд-
стадий
правило,
развития
назад,
к ранним,
мож-
но выяснить, что матернал будущей мезодермы локализован
в верхней части гастрального впячивания.
Такое впячивание, стенка которого включает материал как
энтодермы, так и мезодермы (а у хордовых —еще н хорды),
называется
первичным
кишечником
нли
архентероном.
ветственно гастроцель-в этих случаях называется
вичной
кяшки
илн
ся из архентерона
ВОЗНИКШИХ
полостью
путем
выпячиваний,
‘архентерона.
выпячиваиня
реже
путем
Соот-
полостью
Мезодерма
пер-
выделяет-
его степок и отшнуровки
деламинации
стенок
архен-
терона (рис. 39, В) или иммиграции клеток из них (рнс. 39, Г).
После отделения мезодермы и хорды в составе стенки архентерона остается чисто энтодермальный материал и архентерон
превращается в полость
вторичной
(дефинитивной)
кишки.
В редкнх случаях
(некоторые
низшие
хордовые
— кишечнодышащие)
целомическая
мезодерма
отшнуровывается
от
экто-
дермы.
Так же, как полость сомитов первичноротых, полость отшнуровавшихся мезодермальных пузырьков {часть бывшей полости
архентерона)
называется целомом или вторичной полостью
тела. Дальнейшая дифференцировка мезодермы будет рассмотрена ниже.
Как
уже
говорнлось,
телобластический
и
энтероцельный
способы закладки мезодермы в чистом виде встречаются сравнительно у немногих форм. И если эти способы все же считаются основными, то главным образом потому, что обладающие
имн систематические группы стоят у основания двух главных
ветвей
животного
мира
— первично-
и
вторнчноротых
жнвот-
ных. Первнчноротыми называют животных, у которых отверстие бластопора непосредственио превращается в ротовое отверстие, вторнчноротыми
— животных, у которых ротовое отверстие закладывается вторично, на стороне тела, противоположной бластопору (бластопор же нередко превранается в анальное отверстие).
у
«Сердцевину»
ствола
первичпоротых
образуют ЗритаЦа.
с телобластической закладкой мезодермы. Огромный тип членистоногних, у которых телобластичность почти утрачена, есте119
ственно,
выводится
из
С
стороны,
у основания
другой
типнчных
ЗригаНа
— кольчатых
ствола
вторичноротых
червей.
следует
поставнть иглокожих с ярко выраженной энтероцельностью.
Хордовые, у большинства которых энтероцельность затушевана,
несомненно, относятся к тому же стволу.
Гаструляция у амфибий
от
Гаструляцня
амфибий
— сложный
комплексный
процесс,
состоящий из множества разнородных клеточных движений.
Основные его компоненты
— эпиболия и инвагинация
— имеют
составной характер и дополняются процессами иммиграции и
деламинации. Вегетативная стенка бластулы амфибий образована крупными, богатымн желтком макромерами. Поэтому на
Рис. 40. Последовательные стадии гаструляции амфибий (по Б. И. Баливскому, 1965}. А — бластула; Б — ранняя гаструла; В — средняя таструла; Г—
поздняя гаструла. / — сагиттальные разрезы; 1] — половинки тех же зароды.
змей, новернутые на 90°:
бц — бластоцель,
губа бластопора,
гц — гастроцель, 0,2.— дорсальная губа бластопора,
в.г.— вентральная
жпр.— желточная пробка, ая — анимальный полюс, вег — вегетативный
лойюе
-
вегетативном полюсе не может возникнуть такое впячивание,
как у иглокожих и ланцетника. Но, по-видимому, хотя бы некоторые из богатых желтком наружных макромеров погружаются
внутрь зародыша. Эти движения иммиграционного типа получили название предгаструлядионных.
В результате этих движений светлая непигментированная вегетативная зоиа на поверхности зародыша сокращается в размерах, а темная (пигментированная) анимальная зона соответственно расширяется. Этот процесс можно рассматривать как
первую пассивную фазу эпиболии.
&
120
Собственно гаструляция начинается в области уже известного серого серпа. В этой области стенкн нескольких примыкающих друг к другу клеток выравниваются в линию, а затем
по этой линии возникает идущая вглубь узкая щель
— зачаток
бластопора
(рнс.
40).
Шелевидное
впячивание
вовлекает
в себя
все
новые
клетки
с поверхностн
углубляется
принимая
вид серповидной
бороздкн.
Анимальный
и
зародыша,
край
этой
бороздки называется спинной или дорсальной губой бластопора,
так как с этой стороны будет расположена спинная поверхность
зародыша. Полость щелевидной бороздки несколько расшнряется и превращается в зачаток первичной кишки, или архентерона.
Дальнейший ход гаструляции связан, прежде всего, с подворачиванием
клеточного материала через дорсальную губу
бластопора: клетки анимальных областей смещаются в вегетативном
направлении
(вегетопетально}
вплоть
до
губы
бласто-
пора и, подвернувшись через нее, образуют дорсальпую выстилку углубляющегося архентерона.
Таким
образом
клеточный
состав дорсальной губы бластопора непрерывно обновляется.
Вегетопетальные движения клеток наружной поверхности
гаструлы в направлении дорсальной губы бластопора продолжают движения эпиболии, в результате чего бластопор смещается в вегетативном направлении, н площадь поверхности, заннмаемая
анимальными
болия, в свою
активному
клетками,
все
очередь, происходит
движению
в
сторону
время
увелнчивается.
главным
образом
дорсальной
губы
Эпи-
благодаря
клеток,
рас-
положенных поблизости от нее. Кроме того, эпиболии способствует размножение клеток крышн бластоцеля и, возможно,
вдвижение клеток внутренних слоев крыши бластоцеля между
клетками ее наружного слоя.
Процесс эпиболии постепенно распространяется с дорсаль-
ной
стороны
зародыша
на
боковые
и
вентральную
стороны..
Это легко заметить снаружи благодаря увеличению площадн,
занимаемой темными
анимальиыми
клетками и уменьшению
светлой площади, занимаемой вегетативными клетками.
Одиовременно бластопор продолжает не только углубляться, но и
расти в стороны, охватывая светлую вегетативную зону сначала полукольцом, а потом и полиым кольцом (рис. 40}. Заключенный внутри кольцевидного бластопора светлый вегетативный
клеточиый
материал
пазывается желточной
пробкой.В
ходе
гаструляции кольцо бластопора постепенно сужается до узкого
отверстия н желточная пробка втягивается внутрь. В кольцевидном бластопоре кроме известной уже нам дорсальной губы
различают
сальной
вентральную.
губе)
ворачивание
и боковые
клеток,
губу (участок,
протнволежащий
губы, Через
тоже
эти губы
но `бИб`Несравненно
чивание через дорсальную губу.
Втянувшийся внутрь клеточный
роиа продвигается сплошным слоем
слабее,
идет
чем
дор-
под-
подвора-
материал стенки архентепо внутренней поверхности
^
121
стенки бластоцеля, постепенно оттесняя сам бластоцель в вентральном направлении и в конце концов
вытесняя
его.полностью.
В целом
это двнжение
называют
инвагинацией,
но так же,
как и движение эпиболни, оно слагается из целого ряда компонентов, и его принято делить на две фазы.
Первая фаза инвагинации связана с образованием узкой
щели архентеропа в чрезвычайно плотном клеточном скоплении. Здесь существенное место занимают процессы иммиграцни
клеток,
а
сама
щель
архентерона
образуется
благодаря
расхождению клеток. Вторая фаза инвагинации представляет
собой довольно быстрое расползание предварительно сконцеитрированного
материала
по
внутренней
поверхности
стенки
бластоцеля. Перед этим внутренняя поверхность бластоцеля
сглаживается. Такая поверхность представляет удобный субстрат для лвижения по ней инвагннирующих клеток.
Нейруляция у зародышей амфибий
ных
В
.
Вслед за стадией гаструляции у зародышей всех позвеночбез существенного перерыва настунает стадия. нейруляции.
этот
период
формируются
зующие-основу
иие данной
нервная
позвоночиых,
обра-
трубка (отсюда назва-
стадии развития), хордаи. „мезодермальные. сомиты.
Одновременно с этим
вторичную.
В
! осевые органы
их строёння;
данной
идет
превращение
главе
процесс
нейруляции
примере
зародышей
амфибий.
В течение
исходят
строго
определенные
интенснвные
первичной
кишки
рассматривается
всей
нейруляции
во
на
про-
формообразователь-
ные движения. В целом эти двнжения сводятся к конвергентному (сходящемуся к спинной средней линии зародыша} смещению материала эктодермы и мезодермы в вентро-дорсальном_
ваправлении. При этом дорсальная сторона зародыша растягивается в передне-заднем направлении и несколько сжимается
в поперечном иаправлении. Дорсальная эктодерма смешается
назад значительнее, чем мезодерма. Все эти движения в наибольшей степени выражеиы в туловищной области зародыша.
В головцой области вентро-дорсальных движений почти не
наблюдается.
Мезодерма
в этой
области,
напротив,
смещается
в вептральном направлении (подробнее об этом в гл. 8).
Формирование нервной трубки, из иейроэктодермы представляет собой часть этих движений. Сначала нейральная эктодерма уплощается и превращается в нервиую пластинку, которая в головной части
зародыша
шнре, чем в туловишной
(рис. 41). Края пластинки прнподнимаются и образуют нервные валики, окаймляющие пластинку в виде подковы. Затем
поверхность
нервной пластинки
начинает довольно быстро
сокращаться в поперечном направлении, преимущественно за
счет погружения ее наружных клеток в ее же внутренние слои.
Одиовременио она начинает прогибаться по средней линии,
образуя
углубление
нервным
желобком.
нервной
Еще
чуть
пластинки,
которое
называется
позже
нервной
пластинки
края
смыкаются, и формируется нервная трубка, полость которой
называется невроцелем. Передняя расширенная часть нервной
трубки превращается в головной мозг, а ее невроцель
— в полость мозгового пузыря. Более узкая туловищная часть трубки
Рис.
41.
Последовательные
Б. И. Балинскому,
1966).
стадии
нейруляции
А — сегиттальные
стороны;
у
разрезы;
В — поперечные
амфибий
Б-—внд
(А—
с
В)
(по
дорсальной
разрезы:
бц — остаток бластоцеля, бп — бластопор,
мез0д — мезодерма,
н.в.— нервные
валики,
н.пл.— нёерьная пластинка, н.тр.— нервная трубка, п.к.— полость кишечника, йр.х.-- пре
зумптивная хорда, х — хорда, экТ -- эктодерма, энт — энтодерма
=
превращается в спинной мозг, а его полость
— в спинно-мозговой канал. Передний конец нервной трубки некоторое время
остается
незамкнутым
и называется передним невропором.
Ее задний
конец
также
оканчивается
отверстием
— задним
невропором. Вскоре окружающая ‘эктодерма смыкается
над
ним и лежащим поблизости бластопором, образуя провизорный орган — нервно-кишечный
канал,
соединяющий
полость
мозга с полостью вторичиой кишки. Впоследствии этот канал
зарастает.
|
На самых ранних стадиях мейруляции точно по средней
линии зародыша из общей массы мезодермы обособляется хор-
—
123
да. По бокам от нее расположен материал будущих сомитов,
а вентральиее сомитов
— мезодерма боковой пластинки. Нозже
боковая пластинка расчленяется параллельно поверхности тела
на два листка: париетальный, прилежащий к эктодерме, ин висцеральный, прилежащий к энтодерме. Образующаяся между
ними узкая щель представляет собой вторичную полость тела —
целом.
Морфогенез сомитов тесно связан с происходящнм в течение’ нейруляции удлинением зародыша в передне-задием направлении. Это удлинение обусловлено активиым растяжением
как хорды, так и скручивающейся первной пластинки в процессе
их образоваиия.
Клетки мезодермы сомитов, вытянутые до того в поперечиой плоскости тела, разворачиваются на 90° (возможно, под
влиянием растяжения скрепленной с иими хорды и нервной
пластники) и ориентируются вдоль длинной оси тела. Сразу
же вслед за этим поворотом наступает метамеризация мезодермальиой массы: она рассекается поперечными бороздами на
парные группы клеток
— сомиты. Процесс метамеризации идет
постепенно в направлеинн спередн назад.
Нейруляция в передней (расширенной) части нервной пластинки тоже существенно влияет на морфогенез прилежащего,
к ней
головного
отдела.
Под
влиянием
иейруляционных
движе-
ний головиая область обособляется от туловищной, формируются ротовые структуры. Энтодерма передней части кишки (глотки} особенио активна: она участвует наряду с эктодермой в
образовании жаберных щелей, а также формирует печеночный
вырост. (Подробнее эти процессы рассматриваются в гл. 8.)}
Карты презумптивных зачатков амфибий
Положение и окончательиую судьбу той или ииой области
бластулы по завершенин гаструляции можно установить, нанося метки в различные пункты бластулы и прослеживая их последующие движення и превращения. Результаты такого исследования выражают, отмечая по схеме бластулы или раиней
гаструлы окончательиую судьбу меченой области. Такие схемы
называют картами презумптивных (будущих или, в более точном переводе с латинского, предполагаемых) зачатков. Первым
такие карты ставил немецкий эмбрнолог В. Фохт в 20-х годах.
Ои пропитывал
кусочки агар-агара красящими веществами,
которые поглощались живыми тканями и были для них безвредны (так называемые витальные краски
— нильский голубой, нейтральный красный и др.), прижимая эти кусочки к
различным областям поверхности бластулы. Краска диффуидировала в зародыш, и определениый его участок окрашивался.
Прослеживая перемещения окрашенного участка, можно было
узиать, где этот участок окажется после гаструляции и в какой
зачаток превратится.
о)
ОХ
124
|
По Фохту, перед началом гаструляции все закладки зародыша расположены на поверхности, точнее, выходят на поверхность.
Как
видно
из
рис.
42,
непосредствеино
под
дорсальной
губой бластопора находится зачаток так называемой прехордальиой пластиики (по завершении гаструляции, в основном
образующей выстилку ротовой полостн), анимальнее ее — за-
энт
брюшная
Рис. 42. Карты презумптивных зачатков на бластуле амфибий (ло В. Фсхту
из Л. Саксена и С. Тойвонена, 1963). А — вид сбоку; Б — вид с вегетативкого
полюса:
х — хорда, п.экт.— покровная
эктодерма,
энт— знтодерма,
б.лл.— боковая
пластинка,
мезод — осевая мезодерма, хв.мезод.— мезодерма хвостовых сомитов, н.в.— матернал первных валиков, н.экт.— нейроэктодерма, пх — прехордальная пластника
5“.
чаток будущей хорды, непосредствеиио над ней — презумптивиая эктодерма нервной системы, а в вентро-анимальной половине
— эктодерма покровов тела. Две последние закладки и по
завершении гаструляции остаются на поверхности’ тела зародыша. Вегетативнее нх последовательно располагается материал
осевой
мезодермы
(идущей
иа
образование
сомитов),
бо-
ковой пластинки
(несегментироваиная часть мезодермы)
и,
наконец, эитодермы. Прехордальная пластиика, хорда, мезодерма н энтодерма в ходе гаструляции погружаются виутрь
зародыша. При этом первые две закладки подворачиваются
через дорсальиую губу, мезодерма
— через латеральные и вентральную губы, а энтодерма накрывается сходящимися губами
бластопора.
Согласно этим представлениям, ввериувшийся материал хорды и мезодермы
иепосредственно
контактирует с полостью
археитерона, образуя ее дорсальную стенку. Иными словами,
считалось, что у амфибий строеиие стенки археитерона полностью соответствует (гомологичио} строеиию этой же стевки
у ланцетника или (за исключением хорды) у нглокожих.
Последующие работы Т. А. Детлаф, С. Левтрупа и Р. Келлера внесли иекоторые уточнения в эту схему. Оказалось, что
.
.
д
.
.
..
125.
у
бесхвостых
амфибнй
матернал
хорды,
осевой
мезодермы
и
боковой пластинки никогда (даже до начала гаструляции) не
выходит на поверхность зародыша, а с самого начала локализовац во виутренних слоях многослойной амфибластулы. В этих
слоях он испытывает движения
подворачивания
через губы
бластопора, вполне аналогичные описанным раиее, но
ни на одной стадии развития не образует
выстилки
гастральной
полости
(архентерона) (рис. 43). В противоположиость
архентерону ланцетника и иглокожих
архентерон бесхвостых амфибий
с вентральной
теральных
сторон
и с ла-
с самого
начала выстлан энтодермой,
а с дорсальной стороны—
тонким
лнстком
(гипохордой), непосредственно переходящим в энтодерму.
Рис.
на
43.
Карта
презумптивных
сагиттальном
срезе
через
зачатков
раннюю
гаст-
рулу шпорцевой
лягушки (по Р. Келлеру,
1976, несколько упрощено):
д.— дорсальная губа бластопора. бц— бла.
стоцаль.
бп — бластопор.
Я
рована
мезодерма,
в.г.— вентральная
светлая
гу-
ив.
область
— эи1о-
^
Вместе
дено,
что
с
тем
подтверж-
матернал
мезодер-
мы м и хорды
расположен
ПРИМерно на тех же уровнях,
что
и на
картах
Фохта,
Хотя
Н ВО виутреиних слоях стен-
ки бластулы.
Поэтому
клас-
сические карты Фохта можно
считать
правильными,
за
исклочением того, что верхний слой клеток презумотивной хорды в действительности даст начало гипохорде.
<\
.,
Раннее развитие костистых рыб
Яйца костистых рыб относятся к полилецитальиым по количеству желтка и к телолецитальным по его распределению.
Дроблеиие
частичное
(меробластическое),
дискоидальиого
типа:
на анимальном полюсе яйца возникает диск из бластомеров
(рис. 44}. Примерно на 4—5-м делениях дробления митотические веретена орнентируются вертикально, в результате чего
бластомеры разделяются на поверхностные и внутренние. Внутренние бластомеры, находящиеся непосредственно иа желтке,
погружаются в него, формируя так называемый желточный
синцитий (перибласт). Наружные бластомеры образуют плотный слой, под которым и располагается рыхлая масса внутренних
бластомеров.
Все
скопление
бластомеров
называют
бласто-
диском. Центр бластодиска приподнят над желтком, между ним
и желтком возникает подзародышевая полость, гомологичиая
126
`
бластоцелю. Бластолиск . постепенно
обрастает весь желток,
смыкаясь на вегетативном полюсе яйца (процесс эпиболии).
При этом перибласт образует
выстилку
желточного
мешка.
Желточный мешок
— важный временный (провизорцый) оргак,
существующий
у
зародышей
рыб,
рептилий,
птиц
и
млеко-
питающих.
лий
Основиая функция желточного мешка у рыб, птиц и рептитрофическая. В его клетках происходит первичная перера-
ботка желтка, а впоследствии
частью кишечника и в конце
Рис. 44. Строение
стой рыбы
(из
желточный мешок становится
эмбрионального развития или
бластодиска костиБ. И, Балинского,
1965). Виден плотный слой наружных
бластомеров и рыхлое скопление внутренних
б4 — полость
перибласт,
бластомеров:
бластоцеля,
и.ж.—
ж — желток,
п —
цитоплазматический
слой
на поверхности
желтка
уже на стадии личинки втягивается внутрь организма. Кроме
того, в стенке желточного мешка возпикают первые кроветворные островки, из которых образуются степки кровеноспых <осудов и клетки крови. В связи с этим желточный мешок несет
дыхательную
функцию. Наконец,
его клетки
представляют
собой барьер, не пропускающий или обезвреживающий токсичные для зародыша вещества.
Задолго
до
завершения
обрастания
желтка
в
анимальной
части бластодиска осуществляются основные процессы, формирующие тело зародыша. До недавнего времени полагали, что.
у костистых рыб истинная гаструляция происходит путем подворачивания заднего края бластодиска. Считалось, что из подвернувшегося материала {который сначала был на новерхности)
формируются
хорда
и осевая
мезодерма.
Роль
внутренних
бластомеров оставалась неясной. ,
«Такой взгляд на гаструляцию у костистых рыб оказался
неправильным. Уже некоторое время назад ©. Г. Соиным были
обнаружены своеобразные черты развития карпозубой рыбы
нотобранха, обитающей в пересыхающих водоемах тропических
стран. Весь слой поверхностных бластомеров зародышей этой
рыбы затрачивался на формирование оболочки, предохрапяющей
яйца от высыхания (подобие амниотических оболочек высних
позвоночных). Таким образом, наружные бластомеры выключались из развития тела зародьниа и все органы формировались исключительно из массы внутренних бластомеров.
Работы америкаиского эмбриолога В. Болларда на зародышах
форели
ние. Путем
ками
показали,
тщательного
мела, введенными
что
такой
мечения
способ
развития
ие
участков-бластодиска
на разную
исключе-
частич-
глубину, он установил. что
127
подворачивання поверхностного слоя в области задиего полюса
бластодиска нет. Поверхяостный слой участвует лишь в эпиболических движениях н впоследствии образует только покровы
зародыша. Все же остальные закладки возникают из массы
внутренних
начинают
бластомеров.
траекторий
полюсу
Рис
Когда
перемещаться
их
движений
(показаны
45. Ранние
начинают
сплошными
стадин развития
чем
.
дробление
в радиальных
коивергировать
стрелками
на
(по
Болларду).
форели
‹
заканчнвается,
направлениях,
В.
рис.
они
но вскоре
к
45,
заднему
А,
Б).
Объяснения
в
тексте
*
Тем времеием клетки поверхностиого слоя продолжают обрастать зародыш, двигаясь в иаправлении вегетативного полюса
{рис. 45, Б, пунктирные стрелки). На рис. 45, Б горизонтальные
полуокружности обозначают последовательиые уровни обрастания
яйца
зародышевым
диском,
справа
показано
расположе-
ние сформированного зародыша. Презумптивиые клетки хорды,
сомитов и нервной системы с самого начала лежат на разных
уровнях, так что карта презумптивных зачатков должна
быть
с самого
начала
трехмерной
(рис.
45, В).
На
карте
частым
пунктиром показан презумптивиый зачаток нервной системы,
более редким
— презумптивный зачаток хорды, еще более редким — зачаток мезодермы. Зачатки осевого комплекса костистых рыб отделяются друг от друга путем деламинации. При
нейруляции также не происходит движений скручивания: презумптивные
медиальной
клетки
линин,
нервной системы сначала
а затем в этой клеточной
конвергируют к
массе шизоцель-
ным путем (т. е. путем расхождения клеток) формируется подость невроцеля.
Сопоставлеиие развития костистых рыб с ранее рассмотренным развитием амфибий показывает, что такие основные формообразовательные процессы,
у них по-разному. Однако
как гаструляция и нейруляция, идут
на стадии сформированного осевого
комплекса (завершенной иейруляции) между зародышамн рыб
и амфибий существует глубокое сходство (гомология). То же
можно сказать и о других классах позвоиочных.
128
|
в
Общие черты развития амниот
Ирнспособление
высших
позвоночиых
(рептнлий,
птиц
и
млекопитающих} к наземиой среде обитания прежде всего связано с появлеиием ряда адаптивиых черт в их эмбриональном
развитни: образованием плотной
кожистой
или известковой
скорлупы у яйцекладущих форм, специальных эмбриональных
оболочек
— амниона н серозы (представляющих собой складки
бластодермы)
и особого зародышевого
органа
— аллантоиса
(вырост задней кишки зародыша}.
|
Для всех амниот характерно разделение материала зародыша на две части: собственио зародышевую, из которой формируется взрослый организм, и окружающую его виезародышевую, которая и превращается в зародышевые оболочки или
гомологичные им части зародыша млекопитающих. На примере
нотобранха было показано, что выключение части поверхиостного материала из развития в качестве приспособления к условиям высыхания встречается и у анаминй. Таким образом, предпосылки к выделению зародышевых оболочек прослеживаются
уже у анамний.
Раннее развитие птиц
Яйца птиц, как и яйца костистых рыб,
количеству желтка и телолецитальны по
Следовательно,
дробление
у них
тоже
полилецнтальны по
его расположению.
дискоидальное.
Зароды-
шевый диск (бластодиск) гораздо тоньше, чем у рыб. Центральная часть бластодиска, из которой впоследствии развивается
сам зародыш, называется зародышевым щитком. Из более периферической части бластодиска развиваются внезародышевые
органы. Внешний край бластодиска называется краем обрастания. Клетки края обрастания стелются по желтку и частично
погружены в него.
Формирование
зародышевых
листков
у птиц. Наиболее
характериый признак гаструляции у амниот
— ее двухфазность: .
в первой фазе гаструляции от бластодиска внутрь отчлеияется
гипобласт,
который,
по
современным
представлениям,
дает
на-
чало внезародышевой части энтодермы. После отчленения гипобласта верхний слой бластодиска уже называют эпибластом.
Во второй фазе гаструляции от эпибласта отделяется мезодерма, а также зародышевая энтодерма. После этого в составе
эпибласта
остается
лишь
одна
эктодерма.
‚ Первую фазу гаструляции у птиц проследить трудно, так
как у курицы она протекает еще в яйцеводах до откладки яйца.
Более
или
лишь
недавно.
менее
У
полные
данные
одного
из
краев
на
этот
счет
зародышевого
были
получены
щитка
(кото-
` рый впоследствии
окажется
задним)
происходит
усиленное
отделение клеток будущего гипобласта. Вначале оии расположены несколькими изолированными скоплениями, в дальнцей9
Заказ 645
129
шем сливающимися в одно. Это явление может быть названо
миожественной инвагинацией или миожественной иммиграцией
клеток гнпобласта.
Эти клетки распространяются
затем под
всей поверхиостью бластодиска.
В дальнейшем
бласте.
По
наиболее
периферии
важные
его
процессы
иаблюдаются
клеток, из
вергенния
пронсходят
сложные
в эпи-
движения
которых преобладает кон(схождение клеток) к зад-
нему концу бластоднска: там появляется сгущеиие клеток эпибласта в виде
продольиого тяжа — первичной полоски (рис. 46). На переднем конце первичной полоски формируется особеино
плотное
клеточное
сгущенне
—
иовский узелок. По новейшнм
конвергенция
бой
Рис. 46. Схема морфогенети-
куриного
клеток
линии
зародыша.
стрелки — движение
зпибласта.
—
пунктирные
движение
зившихся
под
клеток,
погру-
поверхность
заро-
дьина в области первичной 60роздки
и распространяющихся
между
энибластом
и
гипобла-
стом
но
подтекают
вые
клетки
характера.
средней
линии
со-
связанный
©
спередн
и
эпибласта,
сбоку
но они
все
но-
В ней ие
задерживаются, а мнгрируют из нее
вглубь, на этот раз распространяясь в
промежутке между эпибластом и гино-
бластом
(см. рис. 47). При подворачи-
вании клетки бывшего эпибласта утра-
чивают связи между собой и расползаются
химного
представляет
процесс,
периодическими сокращениями
бластодиска. Волны этих сокращений исходят из заднего конца первичной полоски.
Первичная полоска по клеточному
составу непостояина: к ней непрерыв-
ческих движений, связанных
с образованием мезодермы в
области первичной бороздки
Сплошные
клеток
ритмический
гензе-
данным,
по
внутренней
поверхиости
эпи-
бласта в виде отдельиых клеток мезенВселение клеток эпибласта происходит по
первичной
полоски
и особенно
интенсивно
на
ее
передием конце. Поэтому уже через несколько часов после возннкновения полоска приобретает желобок по средней линни, а на
месте гензеновского узелка появляется первнчная ямка. Первичная
полоска
с желобком
ется первичной
---
бороздкой.
называ-
Мате-
ит
— мМ8308 пб,
рнал ‘бывшего эпибласта, проходящий
внутрь. через переднюю
часть первичной бороздки и первичной
ямки,
мигрирует
затем
преимущественно вперед от первичной ямки, материал же, вселяющийся через среднюю и заднюю частн первичной бороздки,—
в стороны, а затем вперед.
1 о6
$
0
Рис. 47. Направление миграции клеток будущего
среднего
зародыше:
вого диска из области первичной
бороздки (из И. Бодемера, 1971}:
экт — эктодерма,
мезод — мигрирующне
п.б.-- первичная
бороздка,
клетки
презумптивной
дерма
— мезодермы.
энт — энто-
Дальнейшая судьба клеточиого материала, прошедшего через
первичную бороздку и первичную ямку, такова. Раныше всего
из передней части первичной бороздки мигрирует материал
энтобласта. Он смещается в виде узкой полосы к самому переднему коицу зародыша и образует впоследствин голов-
ную
кишку.
этого
материала
Позже
часть
смещается
иазад и участвует в образовании среднего и заднего отделов кишечиика,
Вслед
вичную
часть
за ним
ямку
через
пер-
и
переднюю
первичной
бороздки
переходят
клетки
Нервная
пластиние
мезобла-
ста, которые также мигрируют вперед и располагаются
между
эпибластом
родышевой
и за-
энтодермой.
Центральиая
часть
Внезародьниедая
мезодерма
мезобла-
ста дает начало головной мезодерме
и
хордальному
вы-
Рис.
48.
Карта
презумптивных
зачатков
росту,
впоследетвии през по раем
ИЕ.
ращающемуся в хорду. Боколе, 1970):
‘лее
латеральные
мезобласта
дают
области
начало
ме-
г_ зачаток головной мезодермы, 6.м.— зачаток
энтодермы
хорды. энт
—
желточного
мешка,
х — зачаток
энтобласт (зачаток головной киш-
зодерме будущих
сомитов
ки)
(осевой мезодерме}. Через
центральиые части первичной бороздки подворачиваются клетки
будущей мезодермы боковой пластиики
{также мигрирующне
вперед и располагающиеся сбоку от матернала осевой мезодермы).
Наконец,
через
задиий
участок
первичной
бороздки
подво-
рачивается матернал виезародышевой мезодермы, мигрирующий
затем латерально вплоть до края обрастания.
По мере ухода клеток из первичной бороздки она все более
укорачивается и материал гензеновского узелка смещается все
более назад по бластодиску. В конце концов он оказывается
на заднем конце зародыша.
Таким образом, вторая фаза гаструляции птиц (и других
амниот} явио гомологична гаструляции анамний. Первичную
бороздку можно гомологизировать с бластопором, ее края —
с боковыми губами бластопора, геизеновский узелок (первичную ямку) — с дорсальной губой. Материал энтобласта гомологичен прехордальной пластинке амфибий. Гомология гензе-
новского
узелка
дорсальиой
губе
бластопора
амфибий
под-
тверждается и экспериментально: гензеновский узелок обладает действием так называемого первичного индуктора
(см.
гл. 7).
Гомологичность структуры гаструлы и хода гаструляции у
9»
131
амфибий и птиц особенно ясна при сравненнн карт их презумптивных зачатков (рис. 48; сравнить с рис. 42, 43).
Тем временем внезародышевые части, т. е. гипобласт и эпнбласт, расположенные на периферни зародышевого днска, про-
полжают
добный
обрастать
желток,
таковому костистых
формнруя
рыб.
желточный
мешок,
В простраиство
по-
между
гино-
бластом
и эпибластом
жел-
точиого
мешка
клеткн
внедряются
внезародышевой
зодермы.
Они
ме-
образуют
скопления — так
называемые
кровяные
островки.
Наружиые клетки этих скоплений
образуют
эндотелиальные
стенки
сосудов
зародышевой
части
вне-
системы
кровообрашения, а из тех
клеток, которые оказалнсь в
просвете сосудов, образуют-
ся форменные элементы крови.
Впоследствин
сосуды
внезародышевой
системы
кровообращения
только
для
служат
газообмена,
не
нон
для
транспорта
питательных
веществ
жЖелточиого
мешка к зародышу и удалення продуктов
к
,
кубации
(по
Б.
И.
а
.‹
:
{
обмена.
Формирование осевых органов у птиц. В конце пер-
Балинскому,
1965).
ы
Редиеи
становятся
видны
г.к,— головная
кишка,
валнки.
Расположенная
ПР
хи
объемная реконструкция:
г.скл.— головная
склад-
ка. гл.п.— глазной пузырь, г.у.— гензеновскяй
узелок, ж.в.— желточные вены, н.йл.— нервная
мозговой
пузырь,
Три, баш
с.м.п.-—- средний
зырь, 3.м.п.— задний
мозговой
мозговой
музырь
пу-
части
б
А— вид сверху; Б— вид с левого бока
МЕЖДУ
ними
оластодиска
нервные
эктодерма
представляет собой нервную
пластинку.
суток
В
теченне
инкубации
вторых
нервная
пластинка путем скручивания преобразуется в нервную трубку. Нервные валики смыкаются в направлении спередн назад. Передний отдел нервиой трубкн
с самого начала сильно расширен
— из него образуется передний мозговой пузырь (рис. 49). На самом переднем конце нервной трубки остается долго незарастающее отверстие -—- невропор.
В конце первых суток инкубацни начинается также подъем
переднего
конда зародыша
над поверхностью
бластоднска.
Этот конец отделяется от бластодиска узкой впадиной — голов-
ной складкой. Края этой складки постепенио распространяются
все далее
132.
назад,
окаймляя
зародыш
с боков
и отделяя
его
от
распластапной
по желтку
складки
(непрерывно
ваются
туловнщнымн.
бластодиском
внезародышевой' части.
связанные
с
головной
Одновременно
переднего
конца
с
Эти
боковые
складкой)
назы-
приподниманием
зародыша
от
желтка
пад
начииает
ат
оромт
И
Рис. 50. Последовательные стадии
У цыпленка
аж
—
амниотическая
дермы,
на
поперечных
оболочка,
дт — дерматом,
зародыша,
амн.п.—
мт — мнотом,
экт
—
.
(А
— В) замыкания зародышевых
срезах
полость
и.м.—
эктодерма,
(из Б. И.
амниона,
в. м.— висцеральный
париетальный
энт
—
Балинского,
энтодерма,
листок
э4
—
оболочек
.
1965):
листок
мезодермы,
мезо-
й — целом
экзоцелом
133
„“
отделяться передняя часть энтобласта. Прн этом она образует
карманообразное выпячнвание, переходящее сзади в пока еще
распластанный по желтку энтобласт. Это выпячнвание называется головной кишкой (рис. 49), а вход в него сзади
— передними кишечными воротами.
Развитие
зародышевых
оболочек
и аллаитоиса
птиц. В конце
вторых суток инкубации зародыш курицы с головного конца
начинает покрываться зародышевымн оболочкамн. Онн формнруются как складкн внезародышевой эктодермы и прнмыкающего к ней парнетального листка
мезодермы. Эти складки удлиняются и смыкаются над телом зародыша по его средней
лннии,
после чего шов между ними. исчезает и обе складки объединя-
ются
(рис. 50,
А— В).
В резуль-
тате возннкашот две расположенные друг над другом оболочкн.
Нижняя, блнжайшая к зародышу
Рис. 51. Схема строения куриного
зародыша с зачатком аллантоиса
(по Б. И. Балинскому,
1965):
оболочка называется
амниотической, а верхияя,
лежащая
над
амниотической— серозной. — Полость между зародышем н аминотнческой оболочкой
называется
желточный
мешок, сер — серозная оболочка,
эн — экзоцелом,
3.к.— задняя
полостью амниона, а полость межкишка
.
ду амниотической и серозной оболочкамн — полостью внезародышевого целома или экзоцеломом. Такое название дано ей потому,
что она выстлана внезародышевой мезодермой.
На ранних стадиях развнтия внезародышевый целом широким просветом связан с теми участками целома, которые позже
войдут в состав зародыша, но с ростом туловищной складкн
этот просвет сужается и зародышевые участки целома обособляются от экзоцелома.
По мере развития зародыгта головная кишка удлиняется и
передние кишечные ворота все далее смещаются назад, отделяя
от желтка новые участки энтобласта. Через 51—56 ч инкубацни
на противоположном конце зародыша аналогнчным образом
формируется задняя кишка, спереди заканчивающаяся задними
кишечными воротами (рис. 51). К четвертым суткам развитня
задние и передине кншечные ворота почти смыкаются, оставляя
узкий просвет между кишечннком зародыша н желточным мешком — желточный
стебелек.
Перед
вылуплением
зародыша
через желточный стебелек остаток желточного мешка втягивается в полость тела.
|
К концу третьнх суток инкубации куриного зародыша появ-.
ляется новый эмбриональный орган, характерный для всех
амниот,— аллантоис. Он образован энтодермой н прнлежащим
алл — аллантонс,
амн.п.— амниотическая полость, ам — амниотическая оборочка,
134
е.к.—
головная
хищка,
ж.м.—
-
к ней внсцеральным листком мезодермы и представляет собой
вырост задней кишки зародыша
(рнс. 51). У аллантоиса
три
основные функциин. Во-первых, он работает как зародышевый
орган выделення (вплоть до вылупления зародыша), так как
в нем
накаплнваются
продукты
обмена.
Во-вторых,
он является
органом дыхання зародыша. Это обусловлено тем, что в мезодермальной оболочке аллантоиса развивается сеть кровеносных
сосудов, а по мере развития зародыша аллантоис сильно разрастается и в конце концов начинает занимать всю полость
виезародышевого целома, тесно прнмыкая к серозной оболочке
и через нее
— к подскорлуповой
дерма
аллантонса
и кровеносная
слнвается
сеть в обеих
оболочке
оболочках
что создает
наилучшие
условия
‘ность
Наконец,
аллантоис
яйца.
яйца. Прн
с мезодермой
еще
этом
серозной
мезо-
оболочки
более разрастается,
для газообмена
выполняет
через
поверх-
функцию
питання,
поскольку переваривает остаткн белковой оболочки.
Аллантонс, так же как амниотическая и серозная оболочки,
относнтся к внезародышевым органам. Прн вылуплении большая часть аллантоиса отпадает, а меньшая часть втягнвается
внутрь зародыша, образуя мочевой пузырь.
Раннее
У высших
развитие
высших
(плацентариых)
млекопитающих
млекопнтающих
яйца
алециталь-
ные: очень небольшое количество желтка в бластомерах все же
имеется, но желток этот впоследствни выталкивается. Дробление полное, неравномерное, но его нельзя отнести ни к одному
нз известных типов, например раднальному илн спнральному.
Бластомеры связаны довольно слабо и могут поворачиваться
один относительно другого. С самого начала дробленне асннхронное. Очень рано по сравнению с низшими позвоночнымн и
беспозвоночнымн — уже на стадин 2—4 бластомеров — начинает
проявляться
действие
генома
зародыша,
и
со
стадии
8
клеток
трансляция белков идет полностью на зародышевых, а не на
матерннских матрицах (см. гл. 5). Для млекопитающнх характерно также раннее образование обширных зон контактов между бластомерамн — компактизация бластомеров.
В результате дробления образуется плотная морула, состоящая из 16—32 клеток (рнс. 52, А). В моруле очень скоро (у зародышей
мышн
на
стадии
светлых
наружных
клеток
ренних
особая
клеток. Из. наружного слоя впоследствии развивается
внезародышевая ткань
— трофобласт, а из внутренней
массы
эмбриобласта
или
16
бластомеров)
и более темная
зародышевого
выделяется
плотная
узелка
масса
слой
внут-
формируются
сам зародыш и его провизорные органы (рис. 52, Б). На рассматрнваемых стадиях судьба
каждого
бластомера
еще пе
детерминнрована н может быть экспериментально изменена,
Например, если у зародыша мышн взять однн бластомер на
135
стадии 4 бластомеров
и поместить
его на поверхность другого
зародыша, то из пересаженного бластомера разовьется трофобласт, а если такой же бластомер поместить внутрь, он войдет
В состав зародышевого узелка и может образовать впоследствии часть тела зародыша. Этот результат
— яркий пример за-
Рис. 52. Морула
(А) и бластоциста
(5) летучей мыши
1965):
(по Б. И. Балинскому,
3.).— зародышевый узелок, тр — трофобласт
висимости
пути развития
бластомера
дыше.
В коице процесса дроблення
меров)
На
в
этой
моруле
стадии
возникает
зародыш
от его положения
в заро-
(у мыши
— на стадни 32 бластообшнрная
называется
полость
(бластоцель}.
бластоцистой
(рис.
53).
Однослойная стенка бластоцисты и представляет собой трофобласт. У анимального полюса бластоцнсты располагается клеточная масса зародышевого узелка (эмбриобласт). Вслед за
этим в эмбриобласте обособляется внутренний, обращенный в
полость бластоцисты слой, Он вполне гомологичен гнпобласту
зародышей птнц. Эта гомология подкрепляется еще и тем, что
краевые клетки гипобласта распространяются по внутренней
поверхности трофобласта, обрастая полость бластоцисты и формируя стенку так называемого желточпого мешка. В желточном мешке млекопитающих желтка, конечно, нет, но по способу
своего образования он вполне гомологичен желточному мешку
птиц и рептилий. Его появление у млекопитающих следует счнтать ярким примером рекапитуляции
— проявлення черт развития эволюцнонных предков.
Одновременно с образованием желточного мешка или вскоре
вслед за этим
начинает
формироваться
полость
амниона
(рнс. 54}. Лишь
ные)
136
у немногих
она развивается
млекопитающих
(хищные,
примерно так же, как у низших
копыт-
амниот,—
Рис. 53.
обезьяны
вид;
Формирование
гипобласта
в
(по Б. И. Балинскому, 1965).
бластоцисте
А — общий
Б — зародышевый узелок под большим увеличением:
гп — гипобласт,
тр — трофобласт
путем смыкания складок трофобласта над зародышевым узелком. У большинства вндов млекопнтающих полость амниона
возникает иначе: она формируется в толще зародышевого узел8
Рис.
54. Схематическое
изображение
соотношений
шевых частей у различных млекопитающих
землеройки;
амн.п.—
4.
амниотическая
Б — летучей
пелость,
алл
мыши;
В — человека
— аллантоис,
лом
зародышевых
и внезароды-
(из Б. И. Балинского,
ж.м.—
и
1965).
А —
Г — мыши:
желточный
мешок,
э4
— экзоце-
137
ка
кавитационным
расхождению
его
или
шизоцельным
клеток.
Дно
путем,
возникшей
т.
таким
е.
благодаря
образом
поло-
сти амннона (прнмыкающее к гипобласту) представляет собой
зародышевый щиток, а крыша гомологична амниотнческой оболочке (гомологом серозной оболочкн следует считать трофобласт).
Зародыш развивается из зародышевого щнтка аналогнчно
низшим амниотам (проходя через стадни первнчной полоски,
первичной
бороздкн
с
тензеновским
узелком
ит. д.). У некоторых
млекопнтающих
(лету-
чие
морскне
мыши,
свиики} возникает, как
у
рептилий,
мезодер-
мальный
мешочек,
у
других вместо него, как
у птиц, вперед от гензеновского узелка растет плотный
хордальный вырост.
После
образования
;
Рис. 55. Схематическое изображение зародыша
первичной
полоски
часть выселившихся из
нее
мезодермальных
клеток проникает межДУ Трофобластом и эн-
млекопитающего
с эмбриональной
(из Б. И. Балинского, 1965):
Тодермой
желточного
мешка,
становясь
вне-
о
щек,
х — хориоя,
плацентой
амитотичесния пезить
в — ворсинки
зародышевая
мезодерма,
хориона,
зи —
вн.мез.— вне-
зкзоцелом
г.
формируется
еще
раньше
—
зародышевой мезодерМОИ.
У
логичная
приматов
ана-
закладка
(первичная мезенхима)
одновременно
с
трофобластом
и независимо от еще не обособившегося к этому времени зародышевого щитка. В массе внезародышевой мезодермы
(мезенхимы) появляются лакуны, которые затем сливаются между собой,
образуя
полость
внезародышевого
целома
(экзоцелома — рис. 54, 55). На
поверхности трофобласта к этому
времени
развиваются
многочнсленные ‘ выросты
— первнчные
ворсинки, в которые затем врастают клетки внезародышевой
мезодермы (мезеихимы), образуя там кровеносные сосуды. Ворсинкн трофобласта с вросшнми в ннх кровеноснымн сосудами
называются вторичными, а сам трофобласт со вторнчнымн ворсинкамн— хорионом (рис. 55).
Несколько позже у зародышей млекопитающих возникает
структура, сходная с аллантонсом, нногда ее называют аллаитондной ножкой. Аллантоидная ножка построена исключнтельио из внезародышевой мезодермы н в противоположиость ал_ 138
лаитоису птиц и рептилий энтодерма в ней отсутствует. Из нее
формируются кровеносные сосуды, подрастающие изнутри к
ворсинкам хорнона.
Вторнчные ворсинки хориона и аллантондная ножка входят
в
состав
плаценты
— важнейшего
внезародышевого
органа
мле-
копнтающих, который связывает кровеносные снстемы плода
матери и тем самым служит для питания зародыша.
Имплантация
Типы
плацент,
Для
высших
и
‘
млекопитающнх
характерно
бо-
лее или менее плотное прикрепление зародыша к стенкам матки, наступающее через несколько дней после начала развнтня
{у мышн на 6-е, у человека на 7-е сутки), когда зародыш находится на стадни бластоцисты. В основе процесса прикреплення,
называемого имплантацией, лежит погружение вторичных ворсинок хориона в стенку матки. В результате образуется особый
орган
— плацента,
имеющая
зародышевую
часть
(ворсинки
хорнона) н материнскую часть (более или менее измененная
стенка
маткн).
К
зародышевой
части
плаценты
можно
отнестн
также аллантоидную
для кровосиабження
ножку, которая имеет особое значение
у иизших
млекопитающих
(сумчатые),
где
плаценты
материнская
часть
перазвита.
У
высших млекопитающих по глубине погружения ворсинок хориона зародыша и степени нх проиикновения в слизистую оболочку
маткн
различают
следующне
типы
плацент
(рис. 56).
Полуплацента
(зпнтелиохориальная плацента) встречается
у ряда копытных, лемуров и китообразных. Ворсинки хориона
ие прободают даже эпителиальной выстилки матки, а лншь
погружаются в складкн ее слизистой оболочки, как пальцы в
перчатку (рнс. 56, 4).
Десмохориальная плацента жвачных устроена так, что ворсннки хориона в месте контакта разрушают слизистую оболочку
маткн и внедряются в ее соединительный слой, но не достнгают стенок кровеносных сосудов маткн (рис. 56, Б).
Прн
эндотелиохориальной
плаценте
хищных
между
сосуда-
ми плода н матери устанавливается контакт, ворсннкн хориона
проникают через весь соедннительнотканный слой слизистой
оболочки маткн И отделяются от ее сосудов только эндотелиальной стенкой последних (рнс. 56, В).
И, наконец, наиболее тесная связь сосудов плода и матери осуществляется в гемохориальной плаценте приматов н некоторых другнх отрядов (насекомоядные, рукокрылые), Здесь
ворсннкн хориона прободают также эндотелий кровеносных сосудов слнзнстого слоя матки и иепосредственно соприкасаются с матерниской кровью (рис. 56, Г). Таким образом, кровь
матери
н плода
оболочкой
разделена
ворсннок
между
хориона
и
собой
лншь
стенкамн
тонкой
наружной
капиллярных
сосу-
>
139
дов зародыша,
Установлено,
что
клетки ворсинок
хориона
активио заглатывают путем пиноцитоза целые капельки крови
матерн,
Кроме
вышепрнведенной
гистологической
классификации
плацент существует их анатомическая классификацня, основанная на расположении ворсииок по поверхности хориона. Согласно
этой
классификации различают:
|) диффузные плаценты; ворсинкн образуются по всей поверхности хориоиа}
$“
< ЕЯ
ии
а
кь
Рис. 56. Типы
плацент. А — зпителиохориальная;
эндотелиохориальная;
140
Б — десмохориальная;
Г — гемохориальная
В ==
я
2)
множественные
плаценты;
ворсинки
хориона
собраны
в
группы, которым соответствуют определенным образом траисформированные участки слизистой оболочки маткн (плацентомы); 3) зонарные (поясковые) плаценты; ворсинки хориона
расположены по его поверхности в форме пояса или кольца;
4} дискоидальные плаценты; ворсинки сконцентрнрованы в одном участке, имеющем форму диска.
Анатомнческие тнпы плацент примерно соответствуют гистологическим типам, перечисленным в том же порядке. Так,
зонарные
плаценты
являются
в то
же
время
десмохориальнымн,
дискоидальные — гемохорнальными и т, д.
Фуикции плацеиты. Выделяют следующие основные функции
плаценты.
1. Функция газообмена между плодом и матерью. Посредником газообмена служит особый фермент
— трансферин. Он
переносит молекулы кислорода
от гемоглобина
материнской
крови к гемоглобину плода. Последний
(фетальиый гемоглобин) обладает болышим сродством к кислороду, чем гемоглобин
матери.
2. Функция питаиия. На ранннх стадиях развития после имплантации ворсинки хориона лолучают литательные вещества от
клеток слизистой оболочки матки, разрушенных при имплантации и образовании плаценты (гистотрофика). Затем основной
функцией плаценты становится получение пнтательных матерналов из материнской кровн (гемотрофнка). Помнмо питательных веществ через плаценту в кровь плода могут поступать инородиые вещества. При этом отмечается высокая избирательность в отношении проннкновения разлнчиых веществ:
одни из них проннкают в кровь плода (например, антнбнотнки
тетрациклннового ряда), другие — иет.
3. Антитоксическая функция. Плацента способна удалять
ряд токсических веществ н ядов как за счет деятельности фер-
ментов
(аналогичных
ферментам
печени),
так и просто
путем
выброса токсинов в кровь матери. Плацента, как правнло, защнщает ллод от иифекции
— через нее ие проходят бактерин,
грнбки, опухолевые клетки.
4. Гормонообразовательная функция. Хорион плода представляет собой мощную эндокрнниую железу. Здесь вырабатываются
гонадотропиип,
адренокортикотропный
гормон,
соматотро-
пин (способствующий увеличению массы матки и плода) н другне гормоны, поступающие в кровь материнского организма.
К плоду не поступают стероидные гормоны хориона: эстроген,
аидроген н прогестерон. Во второй половине беремениости плацента становится основным источником гормонов, обеспечивающих пормальное протекание беременности н родов.
5. Кровосвертывающая функция. Плацента выделяет как
вещества, способствующие свертыванию крови, так и фибрннолитические вещества, исключающие образование тромбов.
Молекулярные и генетические аспекты
раннего развития
Одно
из
важнейших
направлений
в биологии
нндивидуаль-
ного развития состоит в выяснении закономериостей проявления генов на разных этапах онтогенеза. Это направление на стыке эмбрнологии и генетики (см. гл. 1) сформировалось уже
давно.
Основоположниками
его
были
как
генетики,
проявляв-
щие интерес к процессам развития, так и эмбриологи, понимавшие важность привлечения генетики к выясиению механизмов развития. В настоящее время этн науки обогатились нсследованиями
в области
молекуляриой
биологии
развития.
бла-
годаря которым была изучеиа молекулярная организация клеток,
нх генетического аппарата, механизмы экспрессни генов.
Раннее
развитие
— одна
из
областей,
где
особенно
тесно
взаимодействуют эмбрнология и генетика. Это понятно, так как
в этот период начинается проявление заложенных в гаметах
генетических
потенций,
закономериостей
формирования
заро-
дыша, превращение одноклеточиой системы в многоклеточиую,
начало днффереицировочных и морфогенетических процессов.
Раскрытне роли генов в этот период
— важная и трудная задача.
Она
генов,
функционирующих
сложиа
потому,
в
что
продукты
ходе
гаметогенеза,
активности
многих
накапливаясь
в
ядре и цитоплазме, начинают проявляться линь в этот ранний
пернод развитня эмбриона, в то время как у самих генов транскрипциониая активность низкая. Создается видимость отсутствия гениого контроля процессов раннего развития, видимость
того, что в этот период развитие контролируется цнтоплазматическими
факторами.
В
гл.
| уже
говорилось
о роли
ядра
и
цитоплазмы в процессах наследствениости и что правильное
понимание этой проблемы
связано с выяснением взаимодействня ядра и цитоплазмы, взаимообусловлениости
Исследование взаимодействий ядра и цитоплазмы
их функций:
было и оста-
ется одной из важнейших задач биологии индивидуального“
развития.
Роль генов в раннем развитнн. Одно из доказательств того,
что гены сосредоточены в ядре, было получено при биохимических
н
ннтофотометрических
ной ДНК в
аиализах
соматических клетках показали, что ДИК
в ядре (в хромосомах), за исключением
которая
распределения
ядре и цитоплазме. Исследования
обнаруживается
в цитоплазме.
клеточ-
такого плана
на
клетки сосредоточена
небольшой фракции,
Первоиачально
эти ре-.
зультаты рассматривались как доказательство существования
в цнтоллазме автоиомных наследственных потенций
— «цитоплазматической иаследственности» (см. гл. 1). Этому в очень
сильной
ооцитах
анализ
степени способствовал
и яйцеклетках. Оказалось, что
в
ДНК
содержання
ооциты и яйцеклетки
многих жнвотных содержат огромные количества ДНК (табл.
2), которое в сотни н тысячн раз превышает уровень, соответ149
с
_
Таблица 2. Содержание
Вид животных
ДНК
в яйнеклетках животных
О
ской
клетки,
мкг
валентах
!)
Иглокожие
Морской
еж
2,6.10-5
2.10—в
13
4,9.10—3
4,8-10-5
10°
Насекомые
Дрозофила
Рыбы
,
"Осетр
Вьюн
|
у
`
1,8.10—2|
4,6.10-8
4.104
3.2.102
7,3-10-5
4.103
2,0.10—8
1,8108
5,8.10—3
4,8.10—8
1.108
Амфибии
Жаба
Шпорцевая
лягушка | 6,6.10-—8
Птицы
6,3.10—
Курица
360
1 Количество,
соответствующее
диплоидному
числу
ствующий размеру их ядерного генома.
точиая ДНК локализована в цитоплазме.
Локализация
средоточеиа
жгутиков.
1.103
|
цнтоплазматической
в митохондриях,
В
яйцах
митохондрий,
чем
многих
и
животных
Очевидно,
ДНК
пластидах,
объясняется
хромосом.
выяснена:
в
имеются
высокое
эта
тия.
Эта ДНК
Важная
она
базальных
большие
со-
телах
запасы
содержаиие
их цитоплазме.
избы-
ДНК
в
"
не играет определяющей ролн в процессах развироль в процессах развития принадлежнт продук-
там активности генов ядерной ДНК.
В этой
тов
связи
активности
важно
генов
выясннть,
ядра,
каково
которые
значение
накаплнваются
тех продукв
оогенезе
(материнский эффект), по сравнению с продуктами активности
генов, образующихся
в раннем эмбриогенезе.
Исследование
этих вопросов включает несколько подходов:
1. Молекулярно-биологический анализ продуктов актнвности генов (РНК, структурные белки, ферменты) в раннем разВИТии.
2. Экспериментальио-генетические
исследования по выяснению дифференциальной роли
ядра и цитоплазмы
на разных
этанах раннего развития путем выключения ядра (энуклеация,
воздействие радиационных излучений, инактивация с помощью
ингибиторов) н отделеиия фрагментов интоплазмы.
3. Выясненне изменеинй потенций ядра и роли цитоплазмы
в опытах по разделению бластомеров, слиянию зародышей, пересадки ядер из соматнческих клеток.
143
4. Аиализ процессов раннего развития зародышей с изменениым набором хромосом (гаплоиды), с нарушениями в наборе
хромосом, с мутациями.
Активация
в
раннем
зародыше
запасенных
парата трансляции и матричных РНК.
дотворения свободные рибосомы, иРНК,
мы, фупкция которых
цессы синтеза белка;
компонентов
ап-
Сразу же после оплотРНК, 5$РНК оонплаз-
была ингибнрована, вовлекаются
из них формнруются полисомы.
в проБелки,
образующиеся в этот период, по своей природе практически не
отличаются от тех, которые уже имеются в цитойлазме, т. е.
былн синтезированы в ходе гаметогенеза. Следовательно, основное назначение этнх новых сиитезов
— продолжать обеспечение раннего эмбриогенеза
белками, прерванное в зрелом
яйце.
Исследования Показали, что белки, образующиеся в раннем эмбрноне, не запасаются, а включаются наряду с ранее образованными аналогнчными белками в формирующиеся
клеточные структуры. Например, несмотря на присутствие в
цитоплазме болыннх запасов всех пяти фракций гистонов, в
хромосомах
дочерних
клеток дробящегося
яйца
(например,
морского ежа) обнаруживаются как запасенные, так и новообразующиеся гистоны. Это означает, что новообразованные белки входят в тот же запас, в котором былн ранее синтезнрованные, а клетки черпают нз них белки по мере необходимости
иезависимо от времени их синтеза. Этот вывод, по-видимому,
справедлив для большинства видов белка, используемых в раннем эмбриогенезе. Наряду с этим в эмбрионе возможеи синтез
таких белков, которых не было раиее.
Основная масса белков
— это строительный материал илн
ферменты, необходимые для репродукции клеток. Наряду с этим
в клетке есть меньшая по массе категория регуляторных бел-
ков. Казалось бы, что эти белки должны синтезироваться только
на тех стадиях, на которых они нужны. Факты показывают, что
это це так: оии могут также запасаться и начать действовать
на более поздних стаднях,
Приведем
ЧеНсет{
(рис.
пример.
57),
У аксолотля
обозначаемая
обнаружена
индексом
«О»;
мутация
о\а
у гомозигот-
ных овобей «ОО», у гетерозиготных— «--/О». Она выражается
в том, что развитие зародышей, гомозиготных по этой мутации,
останавливается на стадии гаструлы. Развитие останавливается и в том случае, если гомозиготных самок скрещивать с
нормальиыми самцамн, т. е. когда зародыш содержит мутантный генотип матери и нормальный
— отца. Это означает, что
фактор, которого недостает у мутантов, синтезируется не в период эмбрионального развнтия, а в оогенезе (его отсутствие в
яйце гомозиготной
самки
не восполняется
в раннем
эмбриоге-
незе в присутствии нормальных генов отца). Экспернмеиты
подтвердили, что продукт этого гема накапливается в оогенезе:
если в яйцо гомозиготной самки инъецировать цитоплазму нор144
мального ооцита, то мутация не проявляется (рис. 57). Было
выяснено, что продукт этого гена сначала образуется в ядре,
а затем выходит в цитоплазму, Мутация «ОО»
— это отчетливый и пока редкий пример, на котором видна роль ядра в возникиовении в ооплазме факторов, важных для раннего развития («материнский эффект»)}.
Как же выяснить роль белков, образующихся в оогенезе и
в раннем развитии? Было предложено несколько способов прекращения иовых белковых сннтезов. Один из них — использоГенотип
матери
отца
0/0
+/+
0/0
+/0
ою
+/+
Оплодотворенное
:
яйцо
;
Бластула
трупа
— Гастру
И
Инъекция
иитаплазмы
+/+
++
Рис. 57. Мутация
0/0— гомозиготные
{объяснение
10
заказ 645
мутанты,
в тексте),
+/0
оуа деНет{
-— гетерозиготные
(00)
у аксолотля:
мутанты,
+ — гибель зародыша на стадии
тие
4-/-- —
гаструлы,
нормальные
' особи:
М — нормальное
разви-
д
146
вание
да).
ннгибиторов
С
помощью
синтеза
этого
белка
подхода
(пуромицина,
показано,
что
циклогексими-
хотя
в цитоплазме
43-РНК
— 285 тью»
и 185-рРИК
.
мо»,
ня и цех зо деи
..
Е
Е
>
9
АЛМА
27’
„—
МА
``
.
ы
ы
.
.—-.--
к
^^
-**
мен-=
285 185-рРНК
„.. фо
фк
|
—
Зы гокая
фтнаситейвнов скорость синтеза
достаточио резервов белков, развитие зародыша в. присутствии
этих ингибиторов угнетается. Это свидетельствует о том, что в
цитоплазме отсутствуют какие-то важные белки, которые образуются только в раинем эмбриогеиезе. Одиако эти вопросы
еще недостаточно изучены.
=ЗЁ
-*45
п
|
Амппьфикоция
р НК
ЕЕ
.
АХ
.
о
А
.
Действие
Нсчато
зармона
образебания
2470999
5189
.
.
— Оплодотёворе.
роста
т
2652
40
поздитья
#0830- В,
Ак.
ще
тив
биения
ниве пу
тени
2806т060й
ночаН
5 мес
45
|
блостула ото
ние
оешипа
и
Стадии
А
мелтка
Время
031
100ч
——Щ—-
Созревание
8 течение
15 ч
Рис. 58. Относительные скорости синтеза нуклеиновых кислот в ходе развития
амфибий (по Дж, Гердону, 1974). Фракция 45-РНК содержит в основном тРНК,
.
фракция иРНК
— г.РНК
Виды РНК, синтезирующиеся в раннем эмбриогенезе
риод активации транскрипции. У разиых видов животных
сарипнпопная
вотных
активиость
с большими
повышается
резервами
РНК и
неодновременно.
белков
в петраиУ
жи-
транскрипция
ак-
тивируется не сразу. В большинстве случаев выделяют две
фазы; 1) активация траискрипции (низкий уровень процесса);
2) резкое повышение уровня траискрипцни. У вьюна (представителя
костистых
рыб)
первая
фаза
приходится
иа
пернод
до
стадии гаструлы, после чего иаступает вторая фаза.
До сих пор речь шла об общем уровне транскрипции. Исследования показали, что существует
определенная
последовательность в ннициировании сннтеза разных видов РНК и разная динамика последующего изменения ннтеисивности их сиитеза. Этот вопрос впервые был хорошо изучен Дж. Гердоиом
на примере раннего развития Хепориз {ае15
(рис. 58). На
рис. 58 видно, что; 1} в период созревания все гены иеактивны; 2) после оплодотвореиия до стадни бластулы сннтез РНК
не удается обнаружить (у шпорцевой лягушки); 3) первыми
активируются геиы, ответственные за синтез гяРНК и тРНК;
4) спустя некоторое время (поздняя бластула
— ранняя гаструла)
одновременно
начинается
сиитез 285, „18$
и 55РНК;
146
5) в последующем синтез 28$, 18$ и 55РНК идет координированно, т. е. эти РНК образуются в эквимолярных количествах. Это
характерно для всех клеток, за нсключением ооцитов, в кото-
ых, иапомиим,
синтез
285$ и 18$ рРНК:
55РНК
сначала
не скоордииироваи
иакапливается
с синтезом
в больших
количест-
вах 55РНК (в форме рибонуклеопротеидов
— РНП), а затем
усиленно накапливаются 285$ и 18$ РРНК (в форме рибосом-
ных субъедиииц). Лишь в конце оогенеза соотиошение этих
РНК н 55$ РНК выравнивается до эквимолярного (напомним,
что эти виды РНК в клетке необходимы в эквимолярных количествах, так как в каждой рнбосоме присутствует по одной
молекуле 28$, 18$ и 5$ РНК).
Дннамика биосннтеза основных классов РНК в предзародышевом н в раннем зародышевом развнтии указывает на существование
мехаиизмов,
регулирующих
их
траискрипцию.
Кроме того, процессы биосинтеза различных
РНК в
тогенеза скоординированы, т. е. эти два важных
дивндуального развнтия находятся под коитролем
ходе гаме-
периода
единого
инме-
ханизма регуляции. Одиако об этом механизме пока ничего не
известно.
Эксперименты с выключением функции геиома с помошью
ннгибиторов траискрипции. Опыты по выключеиию сннтеза новых вндов РНК в ранием эмбриогенезе с одиовременным измерением активностн белковых сннтезов позволяют определить,
какая часть белковых синтезов и на протяжении какого времени осуществляется с использованием иРНК, запасениых в оогенезе. Для предотвращения сннтеза РНК обычно используют
ингибитор транскрипции актиномицин нли факторы, разрушающие ядра, например радиацию. В опытах на яйцах морского
ежа было показаио, что, если актиномицин добавить в среду
с самого начала эмбрионального развития, белковые синтезы
продолжаются
в клетках
снитезирующнеся
венной роли в этот
дующинх стадиях.
в
эмбриона.
раннем
период,
Это
означает,
эмбриогенезе,
а будут
ие
что
и
играют
функционировать
РНК,
сущестна
после-
Одна из важнейших задач молекулярных исследований раннего развития н заключается в выяснении того, на каких стаднях сиитезируются и на каких стаднях начинают
Ффункционнровать те или иные виды РНК н белков. Другая задача этих
же исследований
— выяснить, есть ли качественные различия
в синтезе РНК и белков в разных бластомерах или частях зародыша, в разных зародышевых клетках и т. д. В настоящее
время имеются лишь отдельные указания на то, что такие региоиальные разлнчия как в сиитезе белков, так и в синтезе
РНК существуют. Но эти данные преимущественно свндетельствуют о колнчествениых различиях (в общем уровне синтеза
РНК и белков) и пока не ясно, существуют ли (и какие) отлнчия
между наборами РНК, синтезнрующимися в разных клетках
раннего зародыша.
10*
,
-
,
|
147
Эксперименты по энуклеации яиц. В многочисленных опытах
роль ядра и цитоплазмы выясняется путем микрохирургического удаления ядра.из яйца или его разрушения физическими
воздействиями, Существует иесколько способов получения цитоплазмы, лишенной ядра. Например, яйцо морского ежа можно
центрифугированием разделить на две половинки
— «ядерную» и
«безъядериую». Ядерная развивается нормально (хотя и получаются эмбрионы меньшего размера), безъядерная способиа
дробиться, в ней начинается синтез белка, но развития нет.
В последние годы разработана техника микроманипуляций
с яйцами
млекопитающих.
Разработан метод рассечения яй-
цеклеткн
мыши
на ядерный
и безъядерный
фрагменты.
Кроме
того, ‹ помошью микроманипулятора из зиготы мышн удается
удалить один или оба пронуклеуса, Эти опыты еще недостаточно полно использованы в исследованиях роли ядра и цитоплазмы, но ясно одно: цитоплазма без ядра способна дробиться,
образуя некоторое количество
безъядерных
бластомеров,
ио
развития ие происходит. Этими олытами показано также, что
зависимость цитоплазмы от присутствия ядра в разных типах
яиц проявляется неодинаково. В тех случаях
(например, у
амфибий, рыб), когда в цитоплазме много резервов, а траискрипция активируется не сразу, цнтоплазма дробится и образуется подобие бластулы. Напротив, у млекопитающих, у которых синтез РНК начинается уже на стадии двух бластомеров,
зависимость цитоплазмы от ядра значительно большая.
В 1959 г. А. А. Нейфах
предложил метод ннактивации ядра
с помощью радиации н провел множество экспериментов по
выясиению роли ядра в раннем эмбриогенезе.
Ядро и цитоплазма сильно различаются по чувствнтельностн к иоиизирующей (и ультрафиолетовой) раднации. Эти различия столь велики, что, облучая яйцо определенными дозами,
можно полностью разрушить ядро, существенио не повредив
цитоплазму. С помощью
облучения
рентгеновскими
лучами
было показаио, что несмотря на разрушение ядра яйцеклетка,
будучи активирована, дробится, но бластомеры не содержат
ядер (или содержат сильно поврежденные ядра). Развитие таких зародышей останавливается перед гаструляцией, нз чего
вывод,
что
был
сделан
ния
морфогенетической
для
нее
необходимо
нормальное
функ-
ционирование ядра в предгаструляционном периоде.
Если облучать эмбриоиы в разное время до гаструляции, то
обнаруживается стадия, после которой облучение не способно
предотвратить гаструляцию. В этом случае развитие останаве
ливается, но на более поздних стадиях. Облучая зародыши на
разных стадиях раннего эмбриогенеза, А. А. Нейфах определил
периоды раннего развития, в течеиие которых необходимо сохранение целостности ядра, для того чтобы развитие продолжа“
лось дальше. Эти периоды были названы «периодами проявле.
рентгеновскими
148
лучами
функции
ядро
ядра».
не
Так
просто
как
при
облучении
ииактивировалось,
а
физически разрушилось, что могло иметь побочные эффекты,
эти эксперименты были повторены, а результаты воспроизведены с использованием
(вместо облучения)
актиномицина, который подавляет синтез РНК, не разрушая ядра. На рис. 59
приведены результаты определения
«морфогенетических»
периодов
активности
ядра
в
раннем
развитии
вьюна.
Эти эксперименты хотя и не лишены некоторых недостатков (например, облучение все же затрагивает цитоплазму, а
актиномицин
подавляет
не
только сиитез РНК, но и клеточные делення и оказывает
„
<Я
множество
%&`Г-2
иных
«побочных»
эффектов), дали ценную информацию о различной роли
ядра и цитоплазмы
развитни.
Они
ходимые
для
бетановка|
3)
& Г
в раннем
“|1
видов, на которых проводились
эти опыты, все факторы, необ-
5
з0
развития
аб
50
Е
Стодии
5 цитоялазна
вплоть до формирования бластулы и начальных этапов гаструляции, имеются в ооплазме, и для прохождения этих
стадий фуикционирование яд-
развития
ку
Е 1%
показали, чтоу
раннего
5%
г.
в
20
Ч
остановки развития
РР, 727 7 бро
Рис. 59. Периоды морфогенетической
фунеции ядер в раннем развитии зародыша вьюна (по А. А. Нейфаху и
М. Я. Тимофеевой, 1978):
ра в этот период не обязательно. Но в период гаструляции
а — дробление,
б —- бластула,
а — гаструля-
ция, г — органогенез
функционирование ядра’ необходимо. Одиако пока не ясно, в чем состоит эта фуикция ядра: или
под его коитролем вырабатываются «морфогенетические» факторы, или какие-либо иные структуры, иеобходимые для жизнедеятельности клеток.
Раннее развитие гаплоидных и гибридных зародышей. Гаплондиые и гибридиые зародыши
— внутрн- и межвидовые—
ценная модель для изучения роли отцовских и материиских геномов
в
раннем
развитии.
Так,
они
позволяют
выясиить,
какое
участие в развнтии принимают факторы, вносимые в яйцо сперматозоидом. Так как сперматозоид вносит два компонента—
ядро и центриоль, то по существу речь идет о выяснеиии роли
ядра,т.
е.
отцовских
генов.
Выше
говорилось
о
замечатель-
ных результатах, полученных на андрогенетически развивающихся особях у шелкопряда. У других животных андрогенетические особи нмеют низкую жизиеспособность, но для выясиения роли отцовских генов в раиием развитии получение таких
зародышей имеет определенную ценность, поскольку андрогенетические зародыши некоторое время развиваются.
.
Миого
важной
информации
дали
опыты
с межвидовыми
гиб-
ридами. У некоторых животных (папример, у рыб) удается получнть гибриды даже между представителями семейств, у других
— только между разными видами. В подавляющем большин149
мезеихимной
бластулы).
Эти
которые
были
получены
в опытах
Напомним,
однако,
нию
ядра
тем,
яйцеклетки.
что
результаты
у
со-
по удале-
другнх
вндов,
например у млекопитающих (и, по-видимому, у иекоторых беспозвоиочиых), ситуация иная; с самого начала дробления яйца
ядро начинает фуикциоиировать, а при его отсутствии развитие немедленно останавливается.
Все
эти
эксперименты
ментатор
манипулирует
геномом,
Подобный
нмеют
не
общий
с отдельными
обобщенный
подход
недостаток:
экспери-
геиами,
с целым
хотя
и
а
сыграл
нема-
лую роль в разработке рассматрнваемой проблемы, должеи
сочетаться с методами, которые позволяют анализировать фуикцию отдельных генов или групп генов. Один из наиболее точных и эффективных методов такого рода — использование мутантов и анализ последствий отсутствия продукта дефектного гена.
Анализ мутаций, влияющих на процессы раинего развития.
В настоящее время генетика располагает интересиой информацней о роли геиов в процессах развития, полученной путем
анализа мутаций, проявляющихся в эмбриогенезе. Эта информация, как правило, касается поздних этапов развития: лишь
в редких случаях удается наблюдать мутации в раннем развитии.
Один
из
примеров
этого
рода
— изучение
мутаций
рибо-
сомных геиов. Такие мутации были обнаружены у шпорцевой
лягушки
(Хепориз 1ае15). Эти мутанты были лишены части
или всех рибосомных генов («мутации Опи»). Цитологически
это ‘проявлялось
в полиом
или
частичном
отсутствии
ядрышка.
В гомозиготиом состоянии (когда мутация имеется и в отцовском и в материнском геномах), обозиачаемом как «О/Опи», зародыши полностью нежизиеспособны, так как у них не образуется иовых рибосом. Но, поскольку в яйце есть запасенные рибосомы, зародыш развивается до тех пор, пока отсутствие новообразующихся рибосом не приводит его к гибели. Гибель
«О/Опи» зародышей иаступает на стадии выклева. Тот факт,
что зародышн так долго развиваются
— дополнительное свидетельство того, что в яйцах Хепориз {ае1$ значителен залас
рибосом, У гетерозигот
скрещиваиии мутантной
«-|-/Оли»
(потомство, получаемое
и нормальной особей)
развитие
прн
про-
текает нормально, так как одного набора рибосомных генов
достаточно для обеспечения зародышевых клеток рибосомами.
Наряду с мутаитами, полиостью лишениыми рибосомных генов,
были
обнаружены
мутанты
с частичным
выпадением
этих
генов. Если животное с частичной мутацией скрестить с полным мутантом, зародыни погибают, но иа более поздиих стадиях, чем гомозиготные, так как присутствие некоторого числа,
рибосомиых генов «оттягивает» время наступления гибели.
150
=
Чек мбаемыыл.
ежей
— на стадии
ответствуют
1
стве случаев гибриды не выживают, но гибель наступает на
разных стадиях развития. Анализ гибрндов иглокожих и низших позвоночных показал, что отцовские гены иачинают фуикциональио проявляться лишь перед гаструляцией (у морских
Аналогичная мутация (делеция в области ядрышкового оргаиизатора) известна у дрозофилы (мутация робЪеа). Изучение
этих
мутантов показало также положнтельную корреляцию
(до известного предела) между числом оставшихся в геноме
рибосомных генов и жизнеспособностью
мутантной
особи.
Анализ ядрышковых мутантов
— яркий пример прямой зависимости развития от функции гена.
(о
Морула
Ранний яйцевой
Яацево4,
цилиндр
цилиндв
Бластоциста
ЗУРИ
[>
зародышевый щиток
В
Сформированный
..
зародыш
иГри5тог
Т
я
Рис. 60. Нарушение
мутантных
ранних
стадий
эмбриогенеза
мыши
в результате
действия
генов Т-локуса, Пунктирные стрелки показывают эффекты мутант.
ных генов
Известен целый ряд мутаций, затрагивающих раинее развитие у мышей. Особый интерес в этой связи представляют мутации сложного локуса Т 17-й хромосомы. Локус Т состоит из
множества аллелей, обозначаемых знаком { и дополнительнымн
иидексамн (#1, 2... ит. д.). Известно более 100 1-генов, значительная часть которых (-—30%) при мутации вызывает гибель
гомозиготных зародышей на разных стадиях развития, начиная
от периода дробления (рис. 60, 112), стадии имплантации ({“”)
ит. д.
|
Известен также ген АУ (уеПо\и), мутация которого вызывает
распад раннего зародыша мыши до стадии прикрепления к матке. Существуют и другие мутации с фенотипическим проявленнем в раинем развитии, изучение которых дает миого цеиных
сведений о роли генов в этот период (табл. 3).
151
Таблица 3. Мутантные гены, обусловливающие снижение
пролиферативной активности клеток и дефекты у мышей
Мутантный
ген
Пораженная
клеточная система
или ткань
Р1аве{
(8)
ОсшШаг
тгеагдаНоп | Сетчатка
(ог)
Центральная
Время
нерв-
ная система
сетчатка
и|
С
[еапег (#212)
Центральная нервная система
Звог{-еаг
(5е)
Хондробласты
скелетогенная
;
мезенхима
Рехед-{аЙ (1)
|С
действия
9-х
суток
зэм- | Микрофтальмия
10-х суток
бриогенсза
эм- | Микрофтальмия
бриогенеза
13-х суток
бриогенеза
Гемопоэтические
|С
|
13-х
эм-
я
рождения
гемопоэтические
клетки
В-Клетки
подже- | После рождения
становление
кос-
тей
пере-
лома
после
и
дефекты
скелета
эм- | Транзиторная
бриогенеза
до|
7
дней
после
зроИла | Первичные
поло-|С 19-х суток
вые к стволовые | брногенеза
П1абеез (4Ъ)
Отставание роста и
атрофия
некоторых органов
Замедленное
вос-
|
суток
в
ненормальное поведение
о
.
клетки
Роп{пап{
(№)
Конечные эффекты
гена
гена
С 5—6-го дня после рождения
и|С
"о
ориг
ане-
мия
эм- | Бесплодие и
роцитарная
мия
|Сахарный
макане-
диабет
,
лудочной железы
.
.'
ГЛАВА 7
ДЕТЕРМИНАЦИЯ,
ИНДУКЦИОННЫЕ
И
ы
ЭМБРИОСНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ
ПРОЦЕССЫ В РАННЕМ РАЗВИТИИ
Основные
понятия
Одна из основных задач экспериментальной эмбрнологии—
изучение процесса детермннации клеток и многоклеточных зачатков. Детерминация
— это определение пути дальнейшего развития
` (или, как часто говорят эмбриологи, судьбы) иекоторого
участка зародыша (его отдельной клетки илн группы клеток),
который условно иазовем «материальиым элементом» или, короче, элементом зародыша. Нервый вопрос, который встает в
связи с детермииацией данного материального элемеита,— когда
в ходе развития наступает детерминация, второй вопрос
— чем
она обусловлеиа. Нервый вопрос достаточно обширен, и значительная часть экспериментально-эмбриологических исследований в первой половине ХХ в. была
посвящена
его выясиению. В этом отношении принципиальным оказалось установле-
152
,
.
р
..
Е?
ние того факта, что ни один элемент зародыша не детерминирован «изначально», всегда можно найти период начального
развития, когда судьба элемента еще не определена (не детермииирована). Существование такого периода послужило основанием для введения понятий потенция элементов и регуляция
путей их развития. Потенцин — это максимальные возможности
элементов зародыша, т. е. те направления их развития, которые
могли бы осуществиться; в норме реализуется лишь одно из
них, а‘остальные могут быть выявлены в эксперименте. Наличие периода развития, когда элемеиты еще не детерминированы,
показывает,
что
изначальные
их
потенции,
как
правило,
шире, чем те, которые реализуются. Это лежит в основе явлений эмбриональных регуляций, открытых немецким эмбриологом Г, Дришем. Эмбриональные регуляции
— это восстановление нормального“Хода развития нелого зародыша или зачатка
после его искусственного или естественного нарушения; такое
восстановление достигается благодаря изменению путей развития отдельных элементов. Эмбриональные регуляции не только свидетельствуют о существовании периода недетерминироваиности, но и показывают, каким образом совершается переход
из этого состояиия в состоянне детерминации. Детерминация,
как правило, идет от целого к частям: сначала детерминируется
целый
зачаток
зародыша,
но
судьба
отдельных
его
элементов
(клеток) еще не определена, затем постепенно илн путем скачкообразных переходов детерминируются отдельные
элементы.
Вопрос
— чем определяется судьба элемеитов
— еще труднее для одиозначного ответа, нежели вопрос
— когда она определяется. Лишь в сравиительно немногих случаях на первый
вопрос удалось дать ответ, да и то он не является
исчерпывающим. Речь ндет об опытах, в которых было показано детерминирующее (или, как чаще говорят, индуцирующее) воздействие одного эмбриональиого зачатка на другой. Опыты по индуцирующим
воздействиям привели к иеобходимости ввести
еше одно понятне: компетенция элемента зародыша. Компетенция
— это способность элемента восприиимать индуцирующие воздействия. Как правило, компетенция приходится на заключительную фазу периода иидетерминации.
`
.
р
Эксперименты по выявлению эмбриональных регуляций.
Регуляционные н мозаичные яйца
Как уже говорилось, эксперимеиты по выявлению сроков
детерминации в раннем развитии разных видов животных привелн к понятню эмбриональных регуляций. В эксперимеитах
использовались
следующие
осиовные
методические
приемы:
1}
удаление
части
материала
еще
не
дробящейся
яйцеклеткн
(отсасывание ооплазмы, отрыв фрагмента яйцеклетки путем
пцентрифугирования), отдельных бластомеров на стадиях дроблеиия, участков бластулы или гаструлы, 2) добавление избы153
точного
материала
путем
слияния
яйцеклеток
или
зародышей,
сращивания бластомеров и т. п., 3) перементивание материала яйцеклетки или зародыша (центрифугирование ооплазмы,
разъединение и пронзвольное соедииение бластомеров). При
этом выяснялось, изменяются ли пути развития
элементов зародыша, Во миогих случаях оказалось, что, несмотря иа эти
экспериментальиые воздействия, путем эмбриональных регуляций возникали целые нормальные зародыши
(что было бы невозможно, если хотя бы некоторые элементы не изменяли пути
своего развития).
До
иачала
дробления
ство опытов, в
путем сильного
мы
пипеткой
на
яйцеклетках
было
сделано
множе-
которых от них отрывали часть содержимого
центрифугироваиия, отсасывали часть ооплаз-
или,
наоборот,
сливали
две
или
несколько
яйце-
клеток в одну. За очень редкими исключеинями (яйца насекомых, где не регулировалась
уничтоженная
или
отторгнутая
половая плазма, см. гл, 2} отрыв или отсасывание даже значи`тельиого фрагмента
('/—1/3 яйцеклеткн)
не препятствовало
дальиейшему иормальному развитию целого, хотя и уменьншенного в размерах организма. Такие результаты: были получены
иа яйцеклетках многощетииковых червей, моллюсков, асцидий,
кишечнополостиых, иглокожих. Следовательно, накоплеиные в
оогенезе вещества не предраспределены в яйцеклетке каким-то
единствеиио возможным для развития образом.
Этот
вывод
подкреплен также большим количеством опытов по разделеиию,
сращиванию и полиой «перетасовке» бластомеров дробящихся
яиц. На основе полученных данных В. Ру разделил яйцеклетки
всех изученных в этом отношении животных на две группы:
регуляционные и мозаичные. К первой группе были отнесены
яйцеклетки, способные к регуляции, ко второй— яйцеклетки мозаичные, состоящие из жестко детермииированных участков
цитоплазмы или бластомеров, не способиых изменять ход своего развития и тем самым осуществлять регуляцию. Носледующие опыты показали, что качественной разницы в яйцеклетках этих групи нет, но времениые и количественные различия
в
способностях к регуляции`между ними имеются.
Одними из паиболее «регуляционных» являются яйца миогих
гидромедуз, например Аедтею. У этого вида нормальная особь
развивается из '/з2 яйнва
(из одиого бластомера на стадии
32 бластомеров). Таковы и яйца морских ежей, у которых нормальный зародыш развивается из меридионального сектора в
>, /, или Даже 1, яйца иа любой стадии дроблеиия до бластулы включнтельно — лишь бы этот сектор включал в равиой пропорцин как аиимальные, так и вегетативные зоны. Из яиц с
резким преобладанием анимального или вегетативиого материала нормальные зародыши ие получаются: из аиимальных
фрагментов образуются покрытые ресиичками бластулы, далее
не развивающиеся, а из вегетативиых участков
— напротив, зародыши
154
с
преобладанием
энтодермального
материала
н
недо-
развитыми эктодермальиыми частями. Эти даииые указывают
на какую-то неоднородность дробящегося яйца по аинмально-
вегетативной оси (см. подробнее гл, 5).
Нормальных
личинок
из разделенных,
меров. При этом
морского
ежа
удается
получить
даже
а затем перемешаиных в беспорядке бластоход регуляционного процесса еще более, чем
в рассмотрениом выше примере, отклоняется от нормального
развития. Например, кишечник образуется не инвагииацней, а
Рис. 61. Опыты Г. Шпемана по перешнуровке яиц тритона по фронтальной
{А) и сагиттальной (Б) плоскостям. В — формирование недифференцирован-
ного комка тканей из вентральной части; Г — развитие полноценного зародыша из дорсальной части, содержащей серый серп; Д — полноценные зародыу
ши, возникающие после сагиттальной перешнуровки
шизоцельным
путем
из
плотиой
клеточной
массы.
Иногда
даже
Личииочный скелет возникает раньше, чем покровы личинки, и
последиие затем образуются вокруг иего. Это удивительиое
свойство развития приходить совершенио разными путями к одному и тому же конечному результату называется эквифиналеностью. Эквифинальность можно рассматривать как ‘одно из.
важнейших
свойств
Рассмотрим
61).
Борозда
регуляционных
регуляцнонные
первого
делення
процессов.
способностн
яиц
дробления
у них
амфибий
либо
(рис.
рассекает
серый серп, либо лежнт в стороне от него. Если отделить друг
от друга два первых бластомера путем перешнуровки, то в первом случае из обоих разовьются совершенно нормальные зародыши. Во втором случае целый организм образуется только из
бластомера, содержащего серый серп, а из другого получится
так называемый «брюшной комок»: неоформленный материал
энтодермы,
Таким
одетый
образом,
для
также
недифференцированной
нормального
развития
эктодермой.
достаточна
хотя
бы
155
половина серого серпа. Именно этот факт, открытый немецким
эмбриологом Г. Шпеманом, подвел его к обиаружению индукционных явлений (см. с. 161).
За последиее время в связи с разработкой методов культивироваиия в искусствеиных средах яйцеклеток млекопитающих открылись возможности испытания и даже использования
иа
практике
их
регуляциониых
способностей.
Оии
оказались
очеиь высокими, Например, иормальный зародыш мыши развивается из каждого бластомера двухклеточной стадии. Кроме
того нормальиое развитие наблюдается и после слияния 2—
3 эмбриоиов.
Яйца асцидий, гребневиков, круглых червей н спирально
дробящихся форм традиционно относили к мозаичным. Действительно, у первых трех из перечисленных видов изолированные бластомеры дают те же зачатки (и не больше}, что и при
нормальиом развитии. Очень четко это показаио у гребневиков,
обладающих в иорме восемью рядами гребных пластинок, расположенных по меридианам через равные углы. Нри развитин
зародыша из ‘/› яйца получается только 4 ряда гребных пластииок, прн развитии из /, — только 2 ряда и т. д. Отсюда можно
сделать вывод, что у этих форм в период ооплазматической сегрегации достигается достаточио жесткая, иеобратимая расстановка структур. Что же касается спиральио дробящихся яиц,
то представление об их изначальной мозаичности сильно поколеблено данными последнего времени,
У спирально дробящихся яин один из бластомеров может
иметь полярную лопасть. Формообразовательиые потенции таких
бластомеров резко повышены по сравиению с бластомерами,
лишеиными полярной плазмы. Потомство последних не может
образовать мезодерму н ее производные. Бластомеры с полярной плазмой после своей изоляции, по крайней мере до стадии
4 бластомеров включительно, способны образовать полноценный зародыш. Если материал полярной плазмы равиомерно распределить между двумя первыми бластомерами, то из каждого
получится целый зародыш, в результате чего возникают срощенные двойники. Значит, во всех остальных отношеииях, кроме наличия или отсутствия полярной лопасти, бластомеры яиц
спирально дробящихся форм равноценны.
В
полной
мере
это
относится
к
яйцам
ЗргаНа,
лишенным
полярной плазмы или лопастей. Целый зародыш у ннх может
быть получен из любой 2 яйца. Положение дорсальиой и вентральной сторон, а следовательио,
и судьба левых и правых
бластомеров изначальио не определеиы, а зависят от положения
веретена первого деления дробления. Это означает, что детермиийрующую роль у спирально дробящихся форм играет не
столько предществующая дроблению ооплазматическая сегрегация, сколько сам процесс дробления.
Регуляционные способиости бластул
— ранних гаструл амфибий
— испытывались в опытах по пересадкам сравнительно
156
,
‚
неболыних участков из одного положения на зародыще в дру“
гое и их вырезанию из зародыша и помещеиию в физиологнческий раствор (эксплантация). Хотя эти опыты неравиоценны, все они подтверждают способность практически всех участков
зародыша
изменять
путь своего развития.
Систематические
опыты
по эксплантациям проводил
И. Гольтфретер. На основе
своих результатов он составил
«карту
потенций»
ран-
ней гаструлы амфибий (рис.
62), которую можно сопоставить
с картами
презумп-
тивных зачатков (см, рис. 49,
43). Любой участок презумптнвной мезодермы и хорды
может дать при эксплантации
практически
структуру
любую
анимального
лушария.
Область
по-
презумп-
тивиой покровной и нейральной эктодермы при эксплантации не дает ничего, кроме
участков
покровной
мы
(причина
если
участки
этого
эктодерб
будет
рассмотреиа позже}. Однако
эктодермы
презумнтнвной
пересадить
в
0б-
Рис. 62. Карта потенций ранней гаструлы
тритона, составленная на основании опытов по эксцплантации отдельных участков
(по
И, Гольтфретеру,
из Л. Саксена
и
С. Тойвонена, 1963):
/— эпидермис,
мы,
2 -- нервная ткань,
4 — хорда,
5
— боковая
3— миото-
пластинка
ласть мезодермы
или хор.
ды, оии дифференцируются
ь
в точиом соответствии со своим новым положением, т, е. встраиваются в местные хордальныеили мезодермальные структуры.
Аналогично изменяется мезодерма,
если ее участки
пересадить в область презумптивной эктодермы.
Участки
презумптивной
эитодермы
при
пересадке
также
иногда превращались в хорду и мышцы, т. е, в типичиые мезодермальиые производиые. Обмен участками в пределах
презумптивиой энтодермы приводил на названных стадиях к четкому развитию «по положению»: участок презумптивной передией кишки, пересаженный иа место задией, развивался в заднюю
и иаоборот.
Таким образом, практически все участки бластулы
— ранней
гаструлы амфибий
— способны развиваться в разных направлениях
и при
пересадках
дифференцируются
в соответствии
со
своим иовым положеиием.
Какие же выводы следуют из опытов по регуляциям? Вопервых, эти опыты показывают, до какого момента развития
судьба тех или иных частей зародыша еще не детерминирова157
на, и тем самым помогают выявить, на каком этапе осуществляются основные детерминирующие процессы.
Было уже показано, что такие процессы могут происходить как в оогенезе, так
и в период дробления и еще позже. Во-вторых, явления регуляций позволили выявить целостный контроль над детермииа„=
вег
Рис.
63, Схема регуляционного процесса в меридионально разрезанной целобластуле морского ежа (объяснение в тексте)
ре
‚цией элемеитов,
целому. Г. Дриш
ное
значение
ваться
каждого
дальше)
Разберем,
т. е. механизмы, подчиняющие
сформулировал этот вывод так:
что
элемента...
ссть
фуйкция
его
это
значит,
на
(т. е.
то, как
положения
примере
судьбу части
«Проспектив-
ои будет
в
разви-
целом».
развития
целого
за-
родыша из половинки бластулы морского ежа, разрезаниой по
меридиану (рис. 63). Если нанестн на схему бластулы карту
основных презумптивных зачатков (эктодерма бесцветна, энтодерма боковых стенок архентерона отмечена точками, а материал целомической мезодермы
— штрихами — рис. 63, Д,, 4.),
то очевидно, что при регуляционном замыкаиии полубластулы в маленькую сферическую бластулу (рис. 63, Б, Б2) материал окажется расположенным примерно так, как на рис.
158
63, Б. (упрощенно принимаем, что замыкание полубластулы
будет происходить точно в плоскости рисуика, хотя на самом
деле
это
трехмерный
Б4).
Очевидно,
процесс).
Если
бы
материал
судьбы
клеток
и дальше
развивался в точном соответствии со своим исходным значением,
то из Б» возиикло бы нечто вроде Бз, т. е. аснмметричное
образование, где материал анимального полюса (в норме образующий
хохолок ресничек) был бы расположеи по соседству с краем
целомической мезодермы. В действительиости формируется совершенно нормальиый, хотя и уменьшенный зародыш (рис. 63,
для
этого
исходные
должны
из-
меииться примерио так, как показано стрелками на рис. 63, Ба:
оставшаяся снаружи презумптивная энтодерма
«эктодермализуется» (стрелка 1), ввернувшаяся внутрь презумптивная эктодерма, напротив, «энтодермализуется»
(стрелка 2} или «мезодермализуется (стрелка 3), а часть презумптивной мезодер-
мы «энтодермализуется»
Какому
закону
(стрелка 4).
подчинены
все
эти
преобразоваиия?
Чтобы
сформулировать этот закои, Дриш приписал отдельным: клеткам
зародыша
определениые
координаты
относительного
целого,
‘например
— широты относительно анимально-вегетативной осн.
Тогда ясио, что каковы бы ни были промежуточные микропроцессы, все клетки, расположенные анимальнее экватора {в частности, на широте аа, рис. 63, Б-), должны
эктодермой,
а клетки,
вегетативной
широты
расположенные
(на
дермой
вне зависимости
судьба
клеток
широте
вв,
рис.
от их прошлого.
определяется
их
в конце концов
примерно
стать.
между
0—50°
63, Б2),— стать
мезо-
Это
положением
и означает,
в
целом.
что.
Особо
подчеркием, что судьба любой клетки определяется ее положением имеиио в коордииатах целого, а не относительно любой
отдельной
наперед заданной клетки. Действительно, после замыкання разрезанной половинки бластулы взаимиые положения всех клеток настолько сильио отличаются от нормальных
(например, клетки анимального и вегетативиого полюсов расположеиы ие иапротив друг друга, а рядом), что отсчет положения каждой клетки от любой заранее выделенной другой клетки ие мог бы восстановить
нормальную
структуру
зародыша,
Но как может «положеиие в целом» влиять на путь развития
клеток? Во времена Дриша такие влияния казались совершенно иепонятнымн и даже стоящими вне рамок науки, Дриш тоже
склонялся к мысли о непознаваемости «фактора целого», и это
надолго затормозило дальнейшие поиски в этом направленниСейчас уже привычно представлять живую природу в виде
системы из многих взаимовлияющих уровней организации, где
выситие
уровни
как
целое
венной
формулировкой
влияют
на более
низшие
таких
законов
(отношения
«популяция
— организм»,
«организм
— орган», «орган
— клетка» и т. д.). Закон Дриша кажется теперь совершеино естестности части и целого,
лежит
одного
из
хотя и сейчас не до конца
в основе этой соподчиненности
соподчинен-
ясно, что
же
(см, гл, 11}.
159
г
Явления регуляций в иормальном развитии
тов
Изложенные
клетки
данные
зародыша
показали,
способны
что
в условиях
изменять
свою
эксперимен-
судьбу.
А на-
сколько точно детерминирована судьба клеток при нормальном
развитин? Всегда ли неизменен весь путь морфогенетнческих
движеннй
какой-либо
клетки
зародыша?
Иными
словами,
у
всех ли зародышей данного вида все эмбриональные клетки занимают в точности одииаковые места?
Многочислеиные
наблюдения
неопровержимо показывают,
что такая «поклеточная точиость» встречается лиць в виде исключений. Она установлена, например, у коловраток, круглых
червей и иекоторых других животных. Они действительно состоят из строго определенного числа клеток, каждая из которых
расположена на определенном месте и вынолняет определенную функцию, Например, у коловратки НудаНпа зейа кожа
состоит из 301 клетки, глотка
— из 165, половой аппарат
— нз
19, мускулатура
— из 122, иервная система
— из 247, выдели-
тельная
— из 24, а все тело животиого
— иэ 959 определенным
образом расположенных клеток. Но такие случаи
— лишь любопытные исключения. У подавляющего большинства организмов
клеточная точность утрачивается либо в ходе дробления, либо
на последующих стадиях. Так, у кишечнополостных при авархическом дроблении положение каждого бластомера явно случайно. Можно сказать, что анархическое дробление — самой природой поставленный оцыт по перемещиванию бластомеров. Но
и у форм с детерминированным дроблением встречаются как
неточности в расположеиии бластомеров, ие препятствующие
дальнейшему развитию, так и просто несколько разиых, ио
равноправных способов их взаимного расположения (например,
у круглых червей).
Насколько различными путями может
идти
гаструляция,
мы уже знаем иа примере медуз рода Аигейа. Но даже если
этот процесс проходит однотипно, движение отдельных клеток
может быть в известной мере случайным (мезеихимные клетки
зародышей морских ежей). У зародышей амфибий своеобразной
меткой бластомера могут служить желточные гранулы. Найдено, что хотя бластомеры с гранулами определенного тина
располагаются, как правило, сомкнутыми группами, нередки
и «ошибочные» (однако не вредящие дальнейшему развитию}
вклиниваиия между ними бластомера из другой зоны.
Нодобных примеров можно привести очень много, особенио
если рассматривать процессы более позднего развития, Однако
и приведенные факты показывают, что клетки отнюдь не движутся по жестко заданным наперед «формообразовательным
траекториям»: их поведение может быть более или меиее неодинаковым и даже независимым друг от друга (что видно на примере процессов гаструляции). Однако такая многовариантность
не сбивает развитие
зародыша с основного
пути к конечной
С
160
=
цели. Важно, что ие только в эксперимеите, где искусствеино
иарушается нормальный ход развития, ио и в естественных
условиях ход развития клеток регулируется согласно их положению
в целом.
Вероятио,
такой
гибкий
регуляторный
харак-”
тер развития имеет существенные адаптивные преимущества:
если какое-либо одно звено будет подавлено нли полностью выпадет, сохраняются шансы на достижение нормального конечиого результата. С другой стороны, в экстремальных условиях
резерв измеичивости может стать источииком эволюционных
преобразований.
<
Первичная эмбриональная индукция у амфибий
‚
В
опытах
по
перешнуровке
яиц
амфибий
было
показано,
что целый зародыш возиикал лишь из тех бластомеров, которые включали в себя хотя бы часть материала серого серпа.
Из бластомеров, лишенных этого материала, ие развивалось
ничего,
кроме
недиффереицированиой
эитодермы
и
покровов
тела, и таким образом осевые органы нацело отсутствовалн.
Между тем в норме из материала серого серпа образуются
лишь хорда, прехордальная пластинка и часть осевой мезодер-_
мы (хордомезодермы). Чем же объяснить отсутствие нервной
системы при развитин из бластомеров, лишеиных материала
серого серпа? Г. Шпеман сделал смелое предположение, что
хотя она и не возникает из материала серого серпа, но инду-
цируется им, т. е. формируется
из индифферентной эктодермы_
под его влиянием.
Для
проверки
этого
предположения
падо
было
зачаток,
раз-
вивающийся из материала серого серпа, т, е. хордомезодерму,
привести в коитакт с таким материалом, из которого нервиая
система в норме никогда не развивается, например с эктодермой вентральной стороны тела. Таким образом, следовало пересадить зачаток хордомезодермы в вентральную область зародыша. Нри этом надо было исключить возможность случайного занесения вместе с хордомезодермой участка презумптивного материала нервной системы. Между тем это нелегко сде-
лать, потому что на карте презумитивных зачатков (см. рис. 42}
материал нервной системы прилегает к материалу хордомезодермы, и никакой видимой граиицы между ними на живом зародыше нет.
Для
метод
отведения
возможных
гетеропластикн.
мезодермы
Он
‘его
под
брюшную
на
11
645
заказ
срезах
тканей
зародыша
|
применил
зачатка
от зародыша
были лишены
эктодерму
пигмеита,
зародыша
тритоиа с пигмеитированными тканями.
та по распределению пигментнрованных
клеток
Шпеман
трансплаитат
(дорсальной. губы бластопора)
чатого тритона, ткани которого
садил
возражений
взял
хордо-
гребени пере-
обыкновенного
После окончания опыи непигментированных
можно
было
видеть,
что
151
произошло от трансплантата, а что возникло из тканей хозяина (рис. 64).
Результаты
этого
замечательного
опыта,
поставленного
в
1924
г,
были
таковы.
Примерио
через
сутки
после
пере-
садки дорсальной губы на брюшной стороне зародыша хозяина
развились отчетливые осевые структуры: нервная трубка, сомиты, хорда, а также зачатки эмбриональных почек. Измени- ————...
Рис. 64. Схема опыта Г. Шпемана и Г. Мангольд
сена и С. Тойвонена, 1963, и Б. И. Балинского,
пересадке
родыша;
(ло Г. Итеману, из Л. Сак1965). А, Б — операция по
хордомезодермального зачатка; В — внешний вид полученного заГ- разрез через зародыш
после операции
(см. предыдущий
рисунок):
н.3.— индуцированный
зародыш
на вентральной
сторове
лась даже прилежащая энтодерма: в ией появилась полость
`кишечиика. Анализ материала, вошедшего в состав всех этих
структур, показал, что большииство их возиикло из клеток зародыша хозяина: почти вся нервная трубка, а также часть мезодермальиых тканей. Таким образом, произошла настоящая
иидукция
— глубокое изменение свойств местной ткаии, которая в норме дала бы только покровную эктодерму и, Возможно,
некоторое количество мезенхимных клеток. Сама же пересажеиная
хордомезодерма,
которую
теперь
называют
индукто-
ром, образовала, как и следовало ожидать, хорду, часть мезодермы, а также иебольшой участок нервной трубки.
Очень интересиый побочный результат этого опыта состоит
162
..
м
РЗ
.
.
ы
х.
в том, что структура органов осевого комплекса оказалась чвезвычайицо точной, хотя клетки трансплантата и хозяина заняли в
них в общем
случайные
положения. Фактически в опыте Шпемана
произошла ие только индукция, но и регуляция, аналогичная
тем, что были в опытах с перемещиванием клеточного материала. Но главиое внимание исследователей всего мира вызвал
ясио
доказаиный
факт
индукции
одиой
закладки
другой,
а
именно
— нервной трубки хордомезодермой. Это явление позже назвали первичной эмбриональной индукцией. Уже тогда
были известны индукционные процессы в более позднем развитии, которые были назваиы вторичными и третичиыми: более
ранних индукционных процессов у позвоночных тогда известно
не было. Одиако, как было показано позже, есть и более раиние нидукциоиные процессы.
Надо заметить, что сам Шнеман использовал термин не иидукция, а организация и пазвал хордомезодерму первичным
организатором или оргаинзационным цеитром, а ие индуктором, как теперь принято. Эти различия в терминологии, которые могут показаться незначительными, отражают сложную и
драматическую историю дальнейших работ по этой проблеме.
Прежде чем перейти к их разбору, рассмотрим, насколько широко распространены явления первичной индукции среди хордовых животных (у беспозвопочных нервная система закладывается совершенно нначе и прямых параллелей здесь быть не
может), как формируется
индукционная
способность
самой
хордомезодермы по мере ее развития и каковы различия в индукционном действии разиых участков хордомезодермы.
й
И
Первичная индукция в других классах хордовых.
Поиятие компетенции эмбриоиальной ткани
„Уже
вскоре
рована
диска
после
индукционная
рыб.
Несколько
открытия
Шпемана
способность
позже
было
была
дорсального
показаио,
продемонстрикрая
бласто-
что и геизеиовский
узелок у птиц (который надо считать гомологом дорсальной
губы бластопора амфибий) проявляет индукциойное действие:
будучи пересажеи в любое место зародышевого диска, он вызывает образоваиие иад собой целого дополиительиого зароды“
ша. В 60-х годах эмбриологи Тунг и Тунг провели очеиь тонкий опыт по имплантацин в бластоцель ранней гаструлы ланцетиика дорсальной губы от другого зародыша ланцетиика. Он
оказал на окружающие ткани совершенно такое же ипдуцируюее
действие
и
вызвал
образование
дополнительиой
нервиой
трубки.
Позже было отмечено, что опыты по индукции у лаицетиика
ставились при температуре несколько выше нормальиой для
этих животиых и что при нормальной температуре нервная система у них может развиваться и без воздействия иидуктора.
Если это верно, то можно сделать вывод: индуктор требуется
1
-
й
.
163
ланцетнику лишь в качестве дополнительной «подстраховки» в
Экстремальиых условнях.
Интересными оказались результаты опытов на зародышах
асцидий. Осиовные зачатки у этих животных детерминируются
еще в период дробления. Картирование яйца асцидий иа стадии 8 бластомеров показало, что как материал хордомезодермы, так и основная часть иейрального материала локализованы
в одном и том же заднем вегетативном бластомере и поэтому
недоступиы разделению. Однако небольшая часть нейральиого материала, формирующего головной ганглий, расположеиа
в заднем анимальйом бластомере, лежащем как раз над задним вегетативиым.
Существуют
ли ирдукционные
влияния
задиего вегетативного бластомера иа задиий анимальный? Чтобы это проверить, анимальиый ярус бластомеров поворачивали
иа
180°
так,
чтобы
задний
анимальиый
бластомер
терял
кон-
такты с задним вегетативным, Но взамен последний оказался
бы в контакте с передним анимальиым бластомером, из которого в норме возиикал только покровный эпителий. По аналогии
с амфибиями
в переднем
аиимальном
бластомере
следова-
ло бы ожидать возиикиовения нидуцированиого головного ганглия; одиако этого ие произошло. Быть может, у асцидий головной ганглий возникает
зодермальиого материала?
ся из перемещцеииого
блюдалось
и этого:
совершенно автономно
Тогда он должен был
задие-анимальиого
ганглий
иигде
не
бластомера.
появился.
Из
от хордомебы развить-
Но ие иаэтого
инте-
ресного‘`опыта следуют сразу два вывода: 1) для возиикиовения
головного ганглия у асцидий требуется воздействие хордомезодермального материала, которое можно уподобить иидукционному, но 2) иикакой материал, кроме того (задне-анимального),
который в норме образует этот гангтлий, воспринять эти воздействия не в состоянии. Этот результат хороию объясним, если
привлечь
понятие
компетеиции,
которое
было
сформулировано
в иачале главы, Изменение хода развития возможно лишь в том
случае, если компетентная к образоваиию некоторой закладки
область шире, чем область, из которой эта закладка в норме
развивается. Именно так происходит у амфибий: к формированию нервной системы компетентна вся покровная эктодерма.
Аналогично дело обстоит во всех других классах хордовых,
кроме асцидий. У последних же область компетенции не шире
размеров нормальной закладки,
материала получить не удается.
отчего индукцию из другого
В дальнейшем в ходе эволю-
ции хордовых произошло расширеиие областей и удлииение
— признак существенного
срока компетенции, М то и другое
эволюциониого прогресса.
Компетенция эмбриоиальных тканей, по всей видимости,
служит отражеиием каких-то относительно автономных внутренних процессов в клетках, характер и темп которых трудно
или просто иевозможно измеинть экспериментальными воздействиями. Например, независимо от того, произойдет ли гастру164
ляция или первичная индукция, компетенция к восприятию действия индуктора возникает в эмбриональиой эктодерме к иачалу стадии гаструлы и прекращается к концу гаструляции.
Иногда говорят об автономиых «часах компетенции» в тканях,
Рис. 65. Схема опыта П, Ньюкупа
по
ипдукции мезодермы из презумптивной эктодермы под влиянием энтодермы У зародышей хвостатых амфибий.
А— бластула
до
презумптивная
эктодерма,
операции:
зумптивная мсзодерма,
Р, И—
11!
— пре-
ГУ — презумп-
Ё;}
ЕД
\
тивная энтодерма; 5 — индукция в эктодерме
мезодермальных
свойств
(стрелки) после удаления зоны 111
связывая компетенцию с какими-то внутриклеточными сивтетическими процессами. Однако сведеиия об этом еще очень скудиы.
О
.
.
Возникновение иидукционных свойств
в ходе развития
Голландский эмбриолог П. Ньюкуп вырезал
из бластулы
тритона область презумптивной мезодермы (зону М1 на рис. 65,
А} и сращивал то, что осталось,— энтодерму (зоиу 1У) с эктодермой (зоны Ги /!). Такие «укороченные» в анимально-вегетативном направлении зародыши развивались нормально; хордомезодерма с нормальиой способностью к индукцин восстанавливалась из той части эктодермы, которая оказалась теперь в контакте с энтодермой. Ньюкуп полагает, что продемонстрировал еще
более раиний индукционный процесс, чем первичная индукция
Шпемана,— активацию в эктодерме мезодермальных свойств
под влиянием. контакта с энтодермой
(этот предполагаемый
процесс показан стрелками иа рис. 65, Б).
Таким образом, в опытах Ньюкула свойство быть индуктором показано на материале, вовсе не происшедшем из зоны
серого серпа. Добавим сюда еще иовые данные шведского эмбриолога С. Левтрупа. Ему удалось заново получить
серый
серн
с индукционными
свойствами
в вентральной
половние
яйца
амфибий, помещенного в условия довольно крутого градиента
аэрации (снабжения кислородом): серп возник на болеё аэрированной
стороне.
Напомним,
получить
простым
переворачиванием
дробления.
Следовательно,
что
такая,
дополнительный
яиц
серп
можно
до
начала
амфибий
казалось
бы,
уникальная
структура, как серый серп, и происходящая в норме
него хордомезодерма могут быть получены из разных
яйца,
разиыми
путями
и даже
на
разных
стадиях
лишь из
участков
развития;
то,
что в иорме детерминируется путем ооплазматической сегрегации еще до иачала дробления, в опытах Ньюкупа воспроиз165
водится уже иа уровие межклеточных взаимодействий на стадин бластулы. Таким образом, формированне особенно важиых
для
организма
структур
еду вательных
чения»).
«страхуется»
более чем
взаимодействий
(приицип
Региональиость
индуктора
и индуцируемой
нервной
одной
системой
«двойного
обеспе-
системы
Из карт презумптивных зачатков
териал дорсальиой губы бластопора
амфибий видио, что мараиней гаструлы в ходе
инвагинации
и подстелет
погрузится
глубже
всего
собой
буду-
шую передиюю часть нервной пластинки, которая превратится
в передний мозг, материал же дорсальной губы средней и поздней
гаструлы
подстелет
собой
среднюю
и
заднюю
стинки
— будущий спинной мозг. Зависит
нервной системы от ее внутренних свойств
индуцирующих
ииыми
словами,
свойствах
от
ранней
и
регпоиальности
поздней
части
пла-
ли региональиость
или от различий в
дорсальных
индуктора?
губ,
Поставленные
Г. Шпеманом
опыты по исследоваиию индукциоииых свойств
дорсальной губы бластопора ранней и поздней гаструлы показали, что Такие различия действительио имеются: губа раиней
гаструлы, т. е. передняя часть хордомезодермы, индуцировала
преимущественно структуры переднего мозга (рис. 66, 1}, а губа
поздней гаструлы
— преимущественно структуры спиииого мозга‚ а также зпиачительное количество мезодермальной ткани
(рис. 66, 2} хвоста зародыша. Так возиикло представление о
том, что первичный индуктор состоит из двух частей: передиемозгового,
вызывающего
образование
чисто
нейральных струк-
тур, и спиино-хвостового, вызывающего образоваиие из комиетентной эктодермы, кроме спинномозговых иейральиых структур, хвостовой мезодермы. Позже удалось идеитифицировать
химические факторы,
примерно
соответствующие
по своему
действию этим двум индукторам (см. ниже).
Оказалось, однако, что к региональности иервиой системы
приложим приицип «двойного обеспечения». Ставились опыты
по повороту всей хордомезодермы на 180° (передним коицом
Рис. 66. Региональность индуктора
1! — головной
1%
(объяснение в текстс):
отдел, индуцированный
губой бластопора
отдел, индуцированный губой бластопора
—_
ранней гаструлы,
поздней гаструлы
2 — хвостовой
назад) и по полному перемешиванию клеток индуктора. В обоих случаях возникали хорошо организованные нервные пластинкн с иормальной региональностью. Опыты такого рода ясно показывают, что в индуцируемой нервной пластинке есть собственные внутренние факторы организации. Эти свойства еще ярче
выступают в процессах вторичных индукций (см. гл. 8, 10).
Все сказанное приводит к убеждению, что процесс первичиой эмбриональной индукции иельзя понять исходя только из
внутрениих свойств самого
осуществления требуется по
агирующего
материала,
иидуктора::
для его нормального
меньшей мере компетентность ре-
а также
какие-то
другие
его
свойства,
проявляющиеся в способности к самоорганизации. Это видно,
иапример, из опытов английской исследовательницы Э. Дюкар.
Оиа установила, что одиночиые клеткн не воспринимают дей-.
ствие иидуктора и чем больше клеток в реагирующей ткани, тем
активнее ее реакция. При этом уже индуцированные клетки
могут передавать индукционное действне свонм соседям. С другой стороны, для оказания иидуцирующего действия достаточно"
лишь
одной
клетки индуктора.
ый
-°
Механизмы
индукции
.
Когда Шнеман
открыл явление нндукции, исследователи
обратились к поискам механизма этого явления. Вначале су“
ществовало миение, что мехаиизм заклточен в каких-то тоиких,
сугубо прнжизиениых свойствах индуктора (или, по Шлеману,
организатора). Однако уже через несколько лет обнаружилось,
что мертвая (убитая нагреванием или фиксацией} ткань индуктора также может вызывать образование нейральных структур в компетеитной эктодерме. Это вызвало целый поток работ по испытанию индупирующего действия совершенно чуже`родных тканей, а также разлнчных химических веществ. Иеследоваиия,
проводившиеся
в конце
20-х
и в 30-е
годы,
показали,
что индукторами могут быть вытяжки из разных ткаией беспозвоночных и позвоночных животных, а также из растений.
Индуцирующее действие проявили и некоторые неорганические
вещества,
например
хлорид
лития,
который
способствовал
прев-
ращению компетентной эктодермы не в нейральную ткаиь, а
в мезодерму и отчасти в энтодерму. Поэтому его назвали мезодермалнзующим
или вегетализующим фактором.
Некоторое
недоумение
вызвали
данные
американского
эмбриолога Л.
арта, который в 1940 г. описал явление «самонейрализации»: в эктодерме зародыша аксолотля, помещенной
в физиологический раствор, нейральные структуры возникали
без всякого индуктора. Позже это объяснили тем, что при эксплантации ткани часть ее клеток гибнет, и из них высвобождаются индукторы, которые присутствовали там в скрытом виде,
Широкое распространеиие иеспецифических иидукторов и явле-
ин
167
иия самонейрализации показывают, насколько сама по себе
компетентная энтодерма зародыща близка к тому, чтобы вступить иа путь нейральной
или мезодермальной диффереицировки.
Другое направление в изучении индукции связаио с поисками «специфических индукторов»
— таких веществ, которые вызывают индуцирующее действие в ничтожных концентрациях.
Финские
эмбрниологи,
руководимые
С.
Тойвоненом,
в
30—40-х
годах обнаружили, что такие индукторы могут быть получеиы
из костного мозга, печени и почек млекопитающих. Вытяжки
из печени индуцнровали
преимущественно
передне-мозговые
структуры
(т.
а вытяжки
из костного
ные
е. действовали
сходно
мозга
с головиым
индуктором},
— преимуществеино
мезодермаль-
(подобно туловищному индуктору}.
Если
в бластоцель
под-
опытного зародыша имплантировать оба эти
индуктора,
то
получится более или менее нормальный зародыш. Позднее иемецкий биохимик Х. Тидеман получил еще более активные индукторы из тканей куриных зародыщей. Ему удалось более, чем
кому-либо другому, приблизиться к выяснению химической природы индукторов. Мезодермализующий индуктор оказался белком, а наиболее сильное нейрализующее влияние обнаружилось у фракции нуклеопротендов. Тидеман обнаружил также,
что лишь мезодермальный нндуктор проиикает в иидуцируемую
ткань, а нейральному индуктору достаточно подействовать на
клеточные мембраны, чтобы началась нейральная дифференцировка. Это очень важный факт, свидетельствующий о значении
перестроек мембраиы в клеточной дифференцировке. В настоящее время интенсивно изучаются молекулярные
механизмы
действия индукторов (см. гл. 10).
ОРГАНОГЕНЕЗЫ
И
8
“
ГЛАВА
ЦИТОДИФФЕРЕНЦИРОВКА
В этой главе описано развитие основных систем органов
позвоиочиых животных и дифференцировка их клеток. При этом
отдельные органы будут рассмотрены согласно принятому в
курсах эмбриологии принципу, Т. е. в порядке их преимущественной принадлежности к одному из трех зародышевых листков — эитодерме, мезодерме и эктодерме. Подчеркнем, что лишь
немиогие органы построены из производиых
одного какогонибудь
зародышевого
ся из производных
вития
вступает
в
листка.
двух
контакт
Большинство
органов
образует-
зародышевых
листков
и по мере
с
листками
или
другими
при
разсвоем
возникиовении и дифференцировке нспытывает индукциоиные
воздействия со стороны производных другого листка. Понятио
поэтому, что принцип разделения органов па зародышевые ли168
стки до некоторой степени условен. Однако этот принцип
бен для изложеиия и с иекоторыми оговорками его можио
менять.
удопри-
Развитие производных энтодермы
и связанных с ними закладок
<.
Кишечная
энтодермы
трубка
относятся
и ее
дифференцировка.
пищеварительная
К
система
производным
и
ее
производ-
ные. Эволюционно она наиболее древняя и возникает в онтоге`незе одна из первых. В разных классах позвоночных (см. гл. 4}
кишечная
трубка
формируется
неодинаково.
У
бесчерепных
(лаицетник), круглоротых, хвостатых амфибий и рептилий на
определенных стадиях развития гастроцель представляет собой
истиниый археитерон, так как материал хорды и_мезодермы
иепосредственио граничит
с полостью-гастроцеля. Лишь позже
эти закладки отделяются от полостн гастроцеля наползающим
С
вентральной
стороны
слоем
энтодермы
и
архентерон
превра-
Щается в дефииитивиый (окончательный) кишечник. В других
группах позвоночных
— птин, млекопитающих, по-видимому, у
всех рыб, а также бесхвостых амфибий
— стенка гастроцеля с
самого иачала состоит из энтодермального материала; в связи с этим закладки хорды И мезодермы ‘Иикогда`нё граничат
с полостью
кишечника.
Таким
образом,
ное впячиваиие с самого иачала
ный
кищечник.
Дальнейшее
в этих случаях гастраль-
представляет
развитие
и
собой дефинитив-
днфференцировка
де-
фииитивной кишки в общих чертах сходны у всех позвоиочных.
Специфические особенности амниот, связанные с закладкой у
них передней и задней кишки и их последующим объединеиием,
были разобраиы ранее (гл. 6).
Сформировавшаяся кишечная трубка позвоночных может
быть разделена на три_-отдела: переднюю, среднюю и заднюю
кишки (рис. 67, 68). Наиболее сложно и подробно дифференнируется_ передняя кишка. Относительио долгое время она представляет собой слепой вырост, так как ротовое отверстие прорывается на сравиительно поздиих стадиях. До этого времеии
передняя кищка успевает дифференцироваться на глотку, зачаток желудка и зачаток. печени. Зачаток печени возникает из
печеночного выроста. Кроме того, за счет материала передней
кишки впоследствии формируются большая часть двенадцатнперстной кишки и поджелудочиая железа. На более поздиих
стадиях развития из вентральной стенки передней кишки образуются
зачатки
легких.
Они
появляются
непосредственно
сзади
глотки на вентральной стороне пищеварительного канала в
виде парных выпячиваний. Дальиейшее развнтие этнх зачатков рассматривается в этой же главе.
Одиа из наиболее характерных черт зародышей всех позво®
169
ночных
— образование в стенке глотки
жаберных
карманов,
часть
которых
преврашается
в сквозные
жаберные
щели
(рис. 67). Наибольшее число жаберных шелей формируется у
низших
позвоночных.
Например,
у
круглоротых
их
14. У
заро-
дышей ры
амфибийо... ХА.
закладывается
пять пар жаберных карманов,
=.
из которых четыре задних открываютсявево внешнюю
внешнюю среду_
среду
в
ад, наб.
эй
Рис, 67. Зародыши амфибий на стадии ранней хвостовой почки в сагиттальной
проекции. А — вид с удаленной покровной эктодермой;
Б— вид разреза в
сагиттальной плоскости;
ан — анальное отверстне, сл.п.— слуховой пузырь, гл.н.— глазной пузырь, гл.ст.— глазной
стебелек, жаб. щ.— жаберные щели, ж.энт,— желточная эйтодерма, зач.гип.-— зачаток гипофиза, з.к.— задняя кишка,
М — мозг, мезод
— мезодерма, н.тр.— нервная трубка, я.м.—
передний мозг, п.к.— передняя кишка, печ.в.— печеночный вырост, р — место будущего рта,
пр — пронефрос,
с — сердце, сом — сомиты, ср.к.— средняя
кишка,
х — хорда,
эп — эпидермис (покровная эктодерма}, жаб,д.— жаберные дуги, ср.м.— средний мозг
виде
жабериых
щелей,
а передиий
так остается
И
слепым вы-
ростом. При прорыве жаберных щелей покровная эктодерма
соединяется с энтодермой передней кишки.
У зародышей амниот закладываются четыре пары жаберных
карманов, из которых три передних на короткое время превращаются в жаберные щели, но впоследствии снова зарастают.
вая пара карманов превращается в евстахиевы трубы, соединяющие подости среднего уха с ротовой полостью. Из дру„гих жабериых кармаиов развиваются железы внутреиией сек-_
"РАМН,
Л.
Рис.
68. Развитие органов пищеварения
и их производных
у амфибий.
А — фронтальный, Б — сагиттальный разрез зародьина на стадии ранней хвостовой почки, В — схема строения передней части ки'мечника на более поздней стадии развития {сагиттальная проекция):
гл — глотка, 2л-к.— глоточные карманы, д8.к.— двенадцатиперстная кишка. ж — желудок,
желчн.й.— желчный пузырь, л — зачаток легкого, п зачаток печени, печ.в.— печеночный
вырост,
.170
.
й.Нк,—
полость
передней
кишки
ср.к.—
средняя
кишка,
х -- хорда
ненариого выпячивания. между. первой
гами формируется щитовидная железа.
3.5.
В промежутках
между
жаберными
и второй
«аберными
ду-
зуба зародыша
сала-
шелями_закла-
дываются хрящевые жабер:
ные дуги, образующие висцеральный стскелет. Они строятся
нз переместившихся
сюда клеток нервного гребня
(эта закладка
описана
ниже).
Чем выше организация позвоиочного, тем боль-
ше
сокращается
берных
число жа-_
дуг, котбрые
развития
большим
в ходе ^
подвергаются все
преобразованиям.
У круглоротых
и акуловых
Рис. 69. Зачаток
рыб закладывается семь пар
дуг,
_ у
других
рыб- —
пар. Хряши
первой
превращаются у рыб
мандры:
ПЯТЬ
3.5.— зубной
босочек.
2.2.
потовой
эпителий,
пары
в че-
люстные дуги, хрящи второй
пары — так
в
иазываемую пподъязычную дугу. У наземных позвоиочиых за счет хрящей первых_нвунар-возникают, кроме того,
слуховые косточки (см. ниже). За счет остальных дуг у высших
позвоночных формнруются хрящи трахей. Кроме того, клетки
дорсальных кониов жаберных
дуг участвуют в образовании го-_
отовое впячивание (стомодеум) — также пронзводное эктодермы. Оио появляется у позвоночных еравнительно поздно и
вначале отделеио от. полости глотки ротоглоточной мембраной,
которая затем прорывается. Еще до соединения с полостью
глотки дорсальная часть ротового впячивания
(карман Ратке) соприкасается`с`дном ‘промежуточного мозга. Впоследствии карман Ратке полностью отшнуровывается от ротового впячиваиия н образует переднюю н промежуточиую доли важией-
щей эидокринной железы
-- гипофиза. Задняя, нейральиая, доля
гипофиза
возникает
ционйым
Зубы
воздействием
развиваются
из
дна
промежуточного
мозга
под индук-
кармана Ратке.
.
из общего эпителиального утолщения.
эктодермального происхождения и из мезенхимнойткани, в которую
зачатка
это
утолщение
берет
начало
Из_эпителиального
вдаётся
(рис.
из
нервного
клеток
утолщения,
69).
Мезенхима
зубного
гребня
ииже).
врастающего
в
(см.
подлежашую
171
инка. На ее внутмезенхиму, формируется тяж— 3
ренней поверхности появляются колбовидные выросты, из которых возникают эмалевые органы. Навстречу каждому из них
в виде зубного сосочка растет. мезенхима. Эмалевый орган имест форму колпачка. Внутренний, прнлежащий к мезенхиме слой
состоят из цилиидрических эпителиальных клеток
колпачка
{амелобластов), выделяющих на своей поверхности белковые
вещества, называемые зубной эмалью. Эпителиальные зачатки
зубов
Называются
колйачкамн
эмалевыми
или
эмалевыми
ор-
цируются, превращаясь в преодонтобласты. Эти клетки синтезируют и секретируют дентиновый коллаген, дентиновые фосфопротеины, гликопротенды, из которых вначале формируется
предентин,
твердое
который,
вещество,
минерализуясь,
составляющее
превращается
основу
зуба.
в
дентин—
Из зубного со-
очка развивается зубная мякоть, куда позже прорастают иер—выги кровеносные сосуды.
°
5е части зубных зачатков
— эпителиальная
и мезенхимная — дифференцируются на основе
тесных
взаимодействий.
В эпителии зубного зачатка в изоляции оз-мезенхимы. не прохо-
дят. даже самые раниие стадии дифференцировки: он ороговевает и погибает. С другой стороны, эпителий, взятый даже из
другого отдела зародыша (иайример, покровная эктодерма из
области
зачатка
конечности),
в контакте
с_мезенхимой
зубного
хима зубного зачатка не способна синтезировать дентин. Таким образом, в зачатке зуба эпителий и мезенхима взаимодей-
ствуют между собой.
Морфологическая
желудочной железы.
органов
немало
—
дифференцировка легких, печеии и
В морфологической дифференцировке
общего: в общих
чертах
она
сводится к
подэтих.
после-
довательиому ветвлению первоначальиых зачатков
— выступов
кишечного эпителия
— на все более тонкне выросты, вклинивающиеся в окружающую их мезенхиму. Как морфологическая,
так и последующая цитологическая диффереицировка зачат“
ков легких, печени и поджелудочной железы (так же, как и 60лее мелких желез пищеварительного тракта
— больших слюнных желез) невозможна без взанмодействия эпителия с окружающей
его
мезенхимой
(эти
взаимодействия
будут
рассмотре-
ны в гл. 9).
Морфологическая
развития
ального
- 172
дифференцировка
в каждой из его
древа
— системы
легкого
начииается
половин так называемого броихипоследовательио
и дихотомически
с
ветвящихся слепых эпителиальных выпячиваний
— бронхов. На
концах бронхов образуются концевые альвеолы, которые позже
подразделяются на вторичные альвеолы. Кроме них на стенках
мелких бронхов возникают боковые альвеолы. Окончательная
дифференцировка альвеол наступает после заполнения легких
кислородом, т. е. уже после рождения плода.
Зачаток печени (непарный печеночный вырост) подразделяется затем на две части: дереднее выпячивание, образующее
собственно зачаток печени, н заднее
— зачаток желчного пузыря. Выпячивание печени, имеющее вначале вид плотного тяжа,
в дальнейшем многократио разветвляется на многочисленные
печеночные
тяжи,
которые,
переплетаясь
друг
с другом
и раз-
растаясь, образуют железистую паренхиму. В дальнейшем между
ними врастают мезенхимная ткань и кровеносные сосуды.
В ходе последующего развития дифференцируются гепатоциты с нх характерной внутриклеточной структурой. Небольшая часть гепатоцитов на поздних стадиях развитня становится
полиплоидной (тетра- или октаплоиды). Клетки печеии синтезируют н выводят ряд важных веществ: вителлогеиин (у самок),
фетопротеин (см. гл. 9), сывороточный альбумнн,
Поджелудочная железа развивается из двух выпячиваний
кищечной трубки: дорсального и возникающего несколько позже вентрального. В дальнейшем благодаря повороту двеиадца-
‘типерстной
в
конце
током.
кишкн
концов
В
поджелудочиой
ализироваиных
лин)
вокруг своей оси оба зачатка сближаются
срастаются,
клеток:
и экзокринные
клеток
— В-клетки
клеток
эпителия
открываясь
железе
островков
кишки
под
кишку
образуются
эндокринные
(синтез
в
липазы,
два
еднным
и
про-
типа
специ-
(вырабатывающие
инсу-
амилазы),
Лангерганса.
Они
индуцирующим
Первый
тип
развиваются
из
влиянием
мезодер-
мы. Выделен н очищен мезодермальиый нндуктор (см. гл. 10.
Интересно, что сннтез иясулина начинается задолго до морфо-
логической
дифференцировки
В-клеток.
Затем,
когда
клетки
сформируются (у крыс— на 15—16-е сутки эмбрнонального развития), синтез иисулина возрастает примерно в 200 раз. Синтез экзокринных ферментов также начннается на низком уровне и лишь спустя 3—4 дня повышается на несколько порядков.
Роль
эпнтелиальио-мезенхимных
ренцировке
энтодермальных
энтодермальных
<мезодермой.
НЫ
менее
‚зачатков
взаимодействий
в
непосредственные
контакты
зачатков.
требуются
Для
диффе-
дифференцировки
При’этом на раниих стадиях развития достаточ-
специфические,
а для
окончательной
дифференциров-
кн — более специфические контакты. Так, для формирования
выроста легкого из эпителия передней кишки достаточен контакт эпителия
с мезеихимой этого же зачатка. Добавление чужеродной мезенхимы может полностью изменить направление развития зачатка: под влияийием мезодермы желудка легочная энтодерма будет образовывать структуры, сходные
с железами же173
лудка, ‚од
влиянием, мезодермы печени.— неченочные тяжн. 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 дифференинровки эпителия
поджелудочной железы в клетки, секретирующие гормоны (в
том числе инсулин), также иеобходим контакт с мезенхимой,
но в условиях эксперимента собственная мезенхима поджелудочной
железы
может
быть
заменена
чужеродной
мезенхимой
слюнных желез или вторичной почки.
Отметим, что для мезодермального фактора, выделенного не
из зачатка поджелудочной железы, а из целого эмбриона, характерна
высокая
индуцирующая
способность.
Промежуточное положеиие по степени специфичности эпнтелиально-мезенхимных взаимодействий занимают ткани слюнных желез. Для
дифференцировки железистой паренхимы слюнных желез из
эпителиальной выстилки стомодеума (закладкн глотки) необхо-
у
дим
контакт
с
окружающей
мезенхимой:
без
этого
не
может
даже начаться образование железистых трубочек. Однако более или менее нормальная дифференцировка околоушной слюнной железы может проходнть не только под влиянием собствеи-,
ной мезенхимы, но и под воздействием мезенхимы подчелюстной железы и даже легкого. С другой стороны, под действием
мезенхимы желудка и поджелудочной железы возможна лишь
самая ограниченная дифференцировка.
Развитие
‚
Осевая
мезодерма,
0; боковая мезодермы,
производных
У
всех
мезодермы
позвоночных
причем. осевая
имеются
мезодерма
осевая
и
подразделяется
“на сомиты (метамеризуется). Способ закладки и дифференцировкн сомитов в разных классах хордовых неодинаков. У ланцетника сомиты формируются в виде энтероцельных выпячиваний архентерона и с самого начала содержат участок целомической полости. У большинства позвоиочных сомиты сначала
закладываются в виде сплошных скоплений мезодермальных
клеток и лишь позже в них возникают полости путем расхождения этих клеток.
В ходе дальнейшего развитиия сомита из его клеток образуются три основные закладкн (рис. 70): ‘Наружная, обращенная к эктодерме стенка сомита формирует кожный листок, или
дерматом. Из его клеток впоследствии возникает соединительнотканная часть кожи, представленная преимущественно фибробластами: Внутренняя часть сомита, прнмыкающая к хорде
{низшие позвоночные) или к хорде и нервной трубке (высшие
‘174
.
позвоночные), образует склеротом — зачаток
осевого
вскоре распадающийся на
отдельные
клетки.
Часть
расположенная
между
дерматомом
зачаток всей поперечно-полосатой
сах позвоночных соотношение н
сомита
неодинаковы.
У
митов, как правило,
позвоночных сомиты
массу склеротомных
бриональных
низщих
И
склеротомом,—
скелета,
сомита,
миотом
—
мускулатуры. В разных кластемпы развития этих частей
позвоиочных
основная
часть
со-
представляет собой мнотомы. У высших
вначале подразделяются на дерматом и
клеток, а миотом (точнее, скопление эм-
мышечных
клеток
— миобластов)
появляется
позже на внутренней поверхности дерматома. Некоторые авторы полагают, что миобласты
возникают
путем размножения
клеток дерматома, другие
— что они перемещаются
на его но-
верхпость
из более
склеротомальных
внутрениих
ЕЗОбОЗА
Рис, 70, Четыре
а— аорта,
дермы
стадии
(А—Г)
(из А, А. Заварзина,
канал,
мт — миотом,
отделяясь
от массы
.
.
и
АНЯ А0000:5С508
последовательные
в.к.— вольфов
дт — дерматом,
областей,
.
клеток.
8.м.— висцеральный
нет — нефростом,
сток мезодермы,
развития
1935):
листок
нт — нефротом,
х — хорда,
4 - целом
производных
мезодермы,
п, м,—
мезо-
24— гломус,
париетальный
ли-
175
Вначале
ловищной,
осевая
мезодерма
но
головной
и
в
метамеризуется
частн
тела
не только
зародыша.
в ту-
Однако
во
взрослом состоянип лишь у ланцетника в области головы сохраняется метамерная структура. У других позвоночных головные сомиты распадаются вскоре после своего возникновения.
Основная часть их клеток образует парные хрящевые закладки задней
части
черепа—
так иазываемые
парахордалии
(рис. 71). Таким образом, эта клеточная
ОФ
„масса
|"
схема,
зародыша
а
иых
растоло
в конце
потенциям
соответствует
концов
также
распадаются,
ках между сомитами) и кровеносных со-
СУДОВ,
г.к.— глазная
а склеротомы
позвонков,
рт обонятельная
сл.к.— слуховая
своим
но намеченная ими метамерия тела у
взрослых животных сохраняется, так как
сомиты определяют расположение спинальных нервных ганглиев (в промежут-
позвоночного:
г — гипофиз,
по
< склеротомам. Передние концы парахор`далий, как и передний конец хорды, находятся на уровне вентральной мозговой
складки (см. ниже). Спереди от иее возникают еще две парные Г-образные хрягк, Щевые закладки черепа
— трабекулы. Их
задняя часть строится из мезенхимы прехордальной пластинки, а передияя
— из
клеток нервного гребня (как и висцер“альный скелет).
Туловищиые сомиты всех. позвоноч-
Возникающие
капсула,
склеротомов
тр — трабекула
из
тела
дают
начало
хрящевых
позвонков
телам
клеток
располага-
ются всегда между спинальными гаиглия-
ми. Зависимость расположения позвонков
от расположения
ганглиев подтверждена
экспериментально.
Каждый позвонок образует пару дорсальных отростков, смыкающихся в окружающую спинной мозг нейральную дугу и пару вентральных отростков, которые в хвостовой области смыкаются в гемальную дугу, а в грудиой области образуют ребра.
Сомиты соединяются с боковой пластиикой посредством но-
жек — иефротомов
ные
органы
развития
у
(рис.
70);
из
иих
выделения,
имеющиеся
зародышей
всех
развиваются
иа
сегментар-
определенных
позвоночных,
ио
стадиях
функционирую-
щие во взрослом. состоянии только у низших позвоночных (см.
ннже).
Дифференцировка
клеток
поперечиополосатой
скелетиой
мышечной ткани. В определенных участках сомитов
— миотомах — накапливаются миобласты. Для них характериа вытянутая форма, слегка базофильная
цитоплазма,
специфических
сократительных белков миобласты еще не содержат.
Считается, что непосредствеиным
предшествеиником мио-
_ 176
бластов является интенсивно пролиферирующая самоподдерживающаяся популяция стволовых миогенных клеток. В ходе
дифференцировки мышщ количество стволовых клеток уменьшается. Однако есть основания полагать, что небольшое количество малодиффереицированных элемеитов сохраняется в виде
так называемых сателлитных клеток
— небольших плоских клеток, прижатых к мышечному волокну между его плазматиче*
ской и-базальной
мембранами,
Предполагают, ‘что у взрослого
животиого сателлитиые клеткн служат источником
материала при регенерации (см. гл. 13).
Следующий
этап
в
формировании
скелетной
клеточного
мышцы
свя-
зан с образованнем
миосимпластов
(многоядерных
клеток).
Происходит это либо путем амитозов, либо путем слияния миобластов.
Позднее
формируются
мышечные
трубочки
— миотубы. В отличие от миосимпласта в ннх появляются миофибриллы с характерной поперечнополосатой исчерченностью; одиако ядра продолжают оставаться в центральной зоне. При
последующей
дифференцировке
миотубы
превращаются
в
структуриый
элемент
соматической
мышцы — мышечное
волокно.
В ходе этого превращення увеличивается количество миофибрилл, заиимающих центральное положение, ядра перемещаются иа периферию волокна. Между миофибриллами развивается мощная сеть цистери и каналов эидоплазматического ретикулума, осуществляющего фуикцию обмена иоиов при мышечном сокращении.
Слияние клеток
— один из иаиболее важных процессов при
дифференцировке скелетиых мыши. Оио связано с серьезными
перестройками в строении н физиологии клеток. Именно на этой
стадии клетки перестают синтезировать ДНК и делиться, в них
накапливаются продукты специфических генов (табл. 4), возрастает количество митохондрий, выявляются крупные полисомы, содержащие порядка 50 рибосом, синтезирующие актии и
миозин. Возникают актииовые (в результате полимеризации) и
миозиновые
фнбрнллы,
которые,
соединяясь
в
определенном
порядке, образуют актомиозиновые ‘нити. По мере увеличеиия
количества этих иитей формируются продольные пучки миофибрилл с характерной поперечной исчерчениостью
— элементы поперечнополосатой мускулатуры. На конечных этапах формирования клетки иннервируются аксонами двигательных нервов.
`
Хондрогенез (образование
вещества хряща). Хондрогеиез
происходит не только в склеротомах сомитов, но и в других
частях зародыша, в том числе в зачатке конечности, Первоначально в зоне будущего хоидрогенеза уплотняются склеротомные элемеиты
— хондроциты. Их цитоплазма содержит хорошо
развитый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи.
“Они синтезируют и секретируют вещество внеклеточного матрикса
— аморфную электрониопрозрачную субстаицию мукопо12 заказ 645
°
,
-
177
Таблица 4. Характеристика
мышечных
Молекулярная
масса
Белки
белков
Содержание относительно всех белков,
миофибрилл,
й
.:
%
`,’
Структурные белки
Миозин
с
/
‘
500 000
50—60
|
Актин
.
Тропомиозин
45 000
70 000
20
7—10
.:
_.
Тропонин
а-Актинин 65
а-Актинин 25$
В-Актинин
Ферменты
Креатинкиназа
Фосфорилаза
.
80 000
160 000
3200 000
[30 000
,
2—5
210
]
..
-
„
=”
‚
1--20
.
|
НЕ.
а
,
-
О
|
лисахаридной природы с небольшим количеством фибриллярного материала,
У хондроцитов, окруженных секретируемыми
продуктами,
снижается пролиферативная активность, хотя По соседству с
нимн находятся зоны миогенных клеток, где эта активность еще
достаточно
высока.
Постепенно
количество
секретируемого
мукополисахарида
груженными
Особенность
ровка
и
хорды.
и
хондроциты
оказываются
по-
матрикс.
хондрогенеза
хоидроцитов
трубки
возрастает
в сплошной
состоит
в том,
что
дифференци-
сопряжена
с индукцией
Факторы,
индуцирующие
. дифференцировку
хондроцитов
в
нены,
Развитие
почках
органов
развиваются
два
коцечиостей,
выделения.
сменяющих
У
друг
со стороны
еще
нервной
недостаточно
анамний
друга
выяс-
последовательно
органа
выделения:
головная почка, или предпочка (пронефрос), и туловищная, или
первичная почка (мезонефрос). У взрослых анамний функционирует обычно мезонефрос, хотя у личинок и даже у взрослых
круглоротых и некоторых костистых рыб пронефрос также участвует в функцни выделения,
У амниот вслед за пронефросом и мезонефросом развивается расположенная
каудальнее
тазовая
почка
— метанефрос,
которая и функционирует (хотя у сумчатых млекопитающих
вплоть до достижения половой зрелости действует мезонефрос).
Все три тнпа почек образуются из мезодермы, находящейся в
области
ножек
сомитов.
Пронефрос
развивается
из
ножек
не-
многих передних сомитов, мезонефрос
— из ножек почти всех
туловищных сомитов, а метанефрос
— из расположенного каудальнее скоплейия нефрогенной мезенхимы.
Наиболее четко метамернзация выражена в развитии пронефроса. Стенки его канальцев образуются непосредственно из
178
.
,
.
>
".
и
стенок сомитных ножек. Поэтому канальцы пронефроса открываются свонми внутренними концами в полость целома. Эти
концы имеют вид воронок, покрытых ресничками,— нефростомов (рис. 70, 72). Противоположные концы канальцев загибаются назад н сливаются друг с другом в парные продольные
тяжи, из которых развиваются вольфовы каналы, или первичные
.
тет
Рис,
72.
ЗЕРЕН
сео
НИЕ,
П.СКл,
Схема
выделительных
и половых
органов
позвоночного;
а — аорта, в.к,— вольфов канал, в.1.— вольфов проток, гл
к — кишечник,
м‚п,— мюллеров
проток,
мт — миотом,
валик,
п,скл.—
половая
складка,
ц —
зародыша
— гломерулус,
п.в.-— половой
целом
мочеточники. Вольфовы ‚каиалы продолжают расти иазад, нндуцируя
образование
мезонефрических
канальцев
в более
задних сегментах тела.
|
Канальцы мезонефроса также возникают из мезодермы сомитных ножек, ио у большинства позвоночных ко времени образования мезоиефрических канальцев мезодерма ножек отшнуровывается от сомитов и преобразуется в мезенхимную ткань.
Из этой ткани и формируются метамерные мезонефрические
канальцы, у которых впоследствии появляются многочисленные изгибы и ответвления. У зародышей анамний внутренние
`коицы‘мезонефрических канальцев вторичио соединяются с целомом посредством ресничных воронок, а у высшнх позвоноч`’ных канальцы слепо заканчиваются в мезенхиме. Наружные
концы каиальцев открываются в первичный мочеточник, который индуцирует само образование канальцев.
У. высших позвоночных от мезонефроса остаются лишь небольшие придатки половых желез —так называемый эпоофорон
у самок
и эпидидимис
у самцов.
Функционирующей
почкой
у высших позвоночных, как уже говорилось, является метанефрос (тазовая почка}. В строении метанефроса не остается
‚уже никаких следов метамерии, и он не связан с целомом ни на
одной стадии развития. Тем не менее нефрогенная мезенхима, из
12*
|
179
которой
метанефрос
построен,
произошла из того же источника,
что и материал про- и мезонефроса,— из ножек
Важную
зовой
почки
сомитов.
роль
в развитии
та-
играет
первичный
мочеточник (рис. 72, в. к.). От
него к скоплению
нефрогенной
мезенхимы
.
растет отросток
с рас-
ширенным кониом. Сам отросток
превращается во вторичный мочеточник, а его расптиренный коиец
— в почечиую
лоханку. На
поверхности лоханки также образуются
выпячнвания,
из которых развиваются верхние отделы `
выводных
путей
почки. Позже
оин открываются в мочевые 'канальцы, которые образуются уже
из нефрогенной
мезенхимы,
но
`ПОд индукционным воздействием
вторнчного
мочеточника.
Моче-
вые
ются
капальцы
тесно
с клубочками
соприкаса-
кровеносных
капилляров,
образуя
вместе
с
ними мальпигневы тельца
— органы фильтрации высших позвоНОЧНЫХ.
Половые
железы
и
половые
протоки. Стенки полорых желез
позвоночных
развиваются
из
‘утолщения висцерального листка
‚ боковой пластиики на уровне ножек сомитов. Эти утолщения
по-
лучили не совсем удачное название
герминативного
эпителия
(рис. 72, 73, А). Недостаток это-
го
укоренившегося
термина
со-
стонт в том, что он как бы подра-
зумеваег
происхождение
половых клеток из этого эпителия.
На
самом деле половые клетки возникают из первичных гоноцнтов и
лишь позже заселяют половые
железы.
Герминативный
эпите`
`
Рис. 73. Схема гистологической дифференцировки гонады у высших позвонояных (поперечный разрез эмбриона). А — половой валик; 6 — индифферентная гонада; В — семенник, Г — яичник
180
лий— это соматическая ткань, образующая стенку половой железы. Сама железа на раиких стадиях своего развития представляет собой складку, вдающуюся в полость тела,— так называемую половую складку. Эта складка постепеино заполняется окружающей мезенхимой, за. счет которой развивается виутреиияя
{мозговая}
часть
железы.
Б). Затем
под’влиянием
Вплоть до определенной
стадии
тия железа имеет одинаковое для обоих полов строенне
проникиих
в нее первичных
разви-
(рис. 73,
половых
клеток, а также в зависимости от гормонального баланса оргаиизма железа. дифференцируется либо в семенник (рис. 73,
В}, либо в яичник (рис. 73, Г). Для яичника характерно преимущественное развитие корковой части (из которой впослед-
ствии
образуется
фолликулярный
эпителий,
‘окружающий
ооциты}, для семенника
— мозгового слоя. Неодинаково в зародышах разного пола идет и .развитие выводных протоков
половых желез. У самцов семенные канальцы, где проходит
сперматогенсз,
соединяются
с
вольфовыми
каналами,
кото-
рые принимают на себя функции семяпроводов. У амниот вынос
семени
— едииственная функция вольфовых каналов, так как
связанный с тазовой почкой вторичный мочеточник развивается из специального выроста вольфова канала. У анамний, где
функционирующей почкой является мезонефрос, вольфовы каналы объединяют функции мочеточннка и семяпровода.
В эмбриогенезе позвоночных появляется еще’ одна. пара ка:
иалов, идущих параллельно зольфовым,— мюллеровы каналы
{рис. 72). У самцов они позже дегенерирутот, а у самок сохраняются
ней
мере
и превращаются
верхние
отделы
в яйцеводы.
У многих
мюллеровых
анамний
каналов
по край-
развиваются
за
счет клеток резорбирующегося пронефроса. Поэтому этн каналы открываются в полость тела (целом) одним из нефростомов пронефроса, презратившегося в воронку яйцевода
(это.
хороший
пример
субституцни
— замещения
функций,
что,
. по
мнению ряда авторов, является одним из главных путей эволю-.
ции органов). При овуляции яйцо выходит сначала в полость
тела и уже затем захватывается воронкой яйцевода (мюллерова
канала).
Мехаиизм
‚ определения пола. Развитие гонады в семенник
нли в яичник детерминируется генетически
— факторами поло°вых хромосом (гоносом}. У млекопитающих, у которых мужской пол гетерогаметеи и клетки содержат ХУ-хромосомы, важная
роль
в ранней
дифференцировке
гонад
принадлежит
У-хромосоме, точнее ее генам, которые определяют появление
в. клетках так называемого «Н
— У» антигена. Присутствие
«Н
— У» антигена на поверхностн клеток еще недифференцированной
половой
железы
служит
причиной
такого
типа
взанмо-
действий между клетками, в результате которых формируются
канальцы, т. е. образуется семенник. Если же в клетках «Н’— У»
антигенов нет, т.е. когда половые хромосомы в клетках зачатка
гонады представлены ХХ-хромосомами, канальцы не формиру181
—.
\
-
О
ы
*
ются
и этого достаточно,
чтобы
начали
формироваться
фоллику-
лы, а_зачаток превратился в яичник. Следовательно, особых
генов, необходимых для формирования яичника из недифференцированной гонады, по-видимому, нет. Однако для полноценного развития яичника Необходимо, чтобы в периферической
зоне зачатка гонады уже были гоноциты. При их отсутствии
янчннк дегенерирует.
Второй
ген
в системе
определения
пола,
функция
которого
связана с развитием мужской половой системы, локализован
в Х-хромосоме. Он контролирует синтез рецепторов, которые
располагаются на поверхности клеток, являющихся мишенями андрогенов (см. гл. 10) — гормонов, вырабатываемых семенннком и регулирующих формирование
системы
протоков
(половой системы самца
— см. выше). Таким образом, продук-
ты
н
генов
«Н
— У»
обеспечивают
и второго
гена
специфические
действуют
последовательно
межклеточные
взаимодействия,
необходимые для развития мужской половой системы:
определяет пол путем контактных взанмодействий в
первый
гонаде,
второй
раззи-
путем
дистантных
взаимодействий
обеспечнвает
тие протоков.
”
Производные боковой пластинки. Расположенная вентральнее ножек сомитов боковая пластннка очейь райо разделяется
на парнетальный и висцеральиый листки. Между ними находнтся вторичная полость тела (целом), ‘и оба листка образуют
ее выстилку. Соответственио своему положению
париетальный лнсток формнрует внешнюю выстилку целома, а висцеральный листок
— внутреннюю. Оба листка соединяются друг с друком по средией лииии тела посредством спинной и брюшной
брыжеек.
Рассмотрим сначала развитие пронзводных висцерального
листка. К ннм относят сердце, кровеносные сосуды и клетки
крови. Кроме того, по данным П. Ньюкупа, у хвостатых амфибий из висцеральиого листка образуются первичные половые
клетки (гоноциты). Все эти закладки для полиоценного развития нуждаются в контакте с энтодермой. Так, презумптивная
кроветворная мезодерма не формирует кровяных островков в
отсутствие контакта с энтодермой. Развнтне сердца может идтн
и вне коитакта с энтодермой, но наличне таких контактов ускоряет
этот
процесс.
Развитие сердца. У птиц парный
в середине вторых суток ннкубации
расположенных
который
тесно
соединяются
ловной
утолщений
связан
лишь
висцерального
с энтодермой.
после
кишки,
причем
объединившихся
трубок
зачаток сердца возникает
в виде двух симметрично
Левый
сворачивания
вентральнее
листка
мезодермы,
и правый
энтобласта
последней
внсцеральной
зачатки
в трубку
(рис.
мезодермы
74).
го-
Из
возникает
мышечная стеика сердца— миокард. Внутренняя оболочка сердца — эидокард
— также получается в результате слняния двух
трубчатых зачатков, образованных мигрировавшими по энто182
‚.
‹
у
ы
ъ
бласту н миокарду мезенхимнымн клеткамн. Единая сердечная
трубка переходит в широкне желточные вены, несущне кровь
от внезародышевой системы кровообращения со стенки желточного мешка. Сердечная трубка лежит в шнрокой перикарднальной полости, являющейся частью целома.
Рис. 74, Последовательные стадии (АГ) формирования сердца цыпленка из
парных зачакков с вентральной стороны, полусхематично (из Б. И. Балинско.
го, 1965):
мис
— зачатки
миокарда,
энд
—
зачатки
эндокарда,
ж.8.—
желточные
вены
Точно так же, как у цыпленка, развивается сердие у всех
других амниот,
В отношенни цитодифференцировки сердечная мышца отличается от скелетной тем, что здесь не сливаются миобласты и
не
образуются
мышечные
волокна.
На
протяжении
всего
гнсто-
генеза эта ткань сохраняет клеточное строение.
Кровеносные
сосуды
позвоночных
развиваются,
по-видимому,
нсключнтельно нз мезенхимы. Они закладываются в виде отдельных, не связаниых друг с другом кровяных островков—
клеточных скоплений, внутри которых позже образуются просветы. Затем отдельные трубочки сливаются в рыхлую сеть,
Эти стадни развития особенно хорошо видны на краю бластодиска и во внезародышевых частях зародышей птиц, но по существу не отличаются и у других позвоночных.
Наружные .
клеткн островков — ангиобласт
— уплощаются
и вступают
в
контакт друг с другом, образуя эидотелиальную стенку сосуда, а внутренние клетки (гемобласт) превращаются в клетки
крови.
Ч
Первые
крупные
сосуды
зародыша
— парные
желточные
вены, впадающие в трубчатый зачаток сердца сзади н несущие
(у амниот) к сердцу кровь от внезародышевых частей, а также выходящий из переднего конца зачатка сердца ствол аорты,
разделяющийся на два артернальных
ствола.
Расположение
возникающнх в дальиейшем кровеносных сосудов в основном
определяется окружающими нх морфологическими структурами. Так, в головной области зародышей всех позвоночных вна-
-
х
.
Е
|-
183
чале
образуются
ных
дуг.
У
шесть
высших
парных
дуг
позвоночных
аорты
— по чнслу
большинство
жабер-
этих
сосудов
впоследствии дегенерирует. Вообще в начале развития возннкает избыточное количество мелких сосудов, часть которых в
дальнейшем запустевает илн превращается в капилляры. Лншь
те сосуды, направление которых соответствует анатомическим
особенностям тела взрослого животного и через которые проходит достаточно мощный кровяной поток, превращаются в разнаб
самеподдернивающаяся
популяция стволовых
клеток
©
о
.
гормон
А
‚.
о
и
^
и
“о —_
(костный мозг)
д
я
емевимео) поза
му
(©)
‚
|
от
._^
хе
ао нфир.
прШО
1093 п0э3
Зритря- Нейтро- Макро
00°
Г: ит о
Фабрициева
сумка
`
т Фо
А
НАЕ--
ое
СЕТИ
СЯ
Г]
вэви
в
действие
у
.
Плазматическоя
клетка
,
{предуцирует
онтитела}
витые кровеносные стволы. Имеино
ной системы, В. Ру впервые пришел
стн, о котором
уже
строения
кровеносиой
разными
путями
из
говорнлось
системы
изучая развнтие кровеноск прииннпу эквифинально-
(гл.
беспорядочных,
эмбриоиальных кровеносных сосудов.
Кроветворение.
Кровь
7):
взрослого
представляет
один
и
тот
же
план
»
Рис, 75. Схема путей развития эритроцитов и лимфоцитов из стволовых клеток крови `
те
`
*
организма
создается ^
варидбельных
«узоров»/^
собой
тканевую
систе-
му позвоночиых, состоящую из плазмы и формеиных элементов. К форменным элементам относятся эритроциты, лейкоциты и тромбоциты (кровяные пластинки). Рассмотрим лути развития эритроцитов и лимфоцитов (рнс. 75).
Эритроциты развиваются нз стволовых клеток крови, которые под влнянием гормона эритропоэтина (см. гл. 9 и 10) преврашаются в так называемые коммитированные клетки
— неносредственные
предшественннки
эрнтробластов. Эти ранние
формы
не
удается
распознать
ло
их
морфологии,
поэтому
их
характеристикн основаны на косвеиных данных. Коммитирован- о я
184
ные клетки превращаются в проэритробласты
— первую морфологическн Узнаваемую эрнтроидную форму, которая, пройдя
иесколько стаднй, превращается в эритроцит. Весь этот период — от
проэрнтробласта
до эритроцита — иазывают периодом
терминальной дифферендировкн эрнтроидных клеток. В ходе
дифференцировкн изменяются общая морфологня и строенне
клетки, химический состав, метаболизм, функция генов. В результате этих изменений ‘появляется узкоспециализированная
клетка, в которой вместо десятков тысяч разнообразных белков
присутствует в основном однн внд специфического
белка—
гемоглобин.
77
Важная
особенность
эритроидной
снстемы
— то, что
суше-
ствуют разные виды эритроцитов, которые ‘отличаются между
собой по морфологни, иаличию нли отсутствию ядра и по структуре гемоглобина. Однако физиологнческая функция всех эрн°троцитов одна
— газообмен. Свойства
эрнтроцитов
меняются
в ходе инднвидуального развития путем смены генераций эрнтроцитов, -отлннающихся деталями морфологнн, физнологни и
тнпом гемоглобина. Тервая генерация появляется на ранних
стадиях эмбрионального развития (у цыпленка в середнне вторых суток развнтия, у мыши
— на 8-й день эмбрнонального развнтия} в желточном мешке. Эта популяция эритроидных клеток зарождается н развивается сннхронно, и в них образуется
так
называемый
эмбриональный
тип
гемоглобнна
(НЬЕ).
На
последующих стадиях эта генерация эритроцитов исчезает, появляется иовая генерация клеток, которые содержат плодный
(фетальный) тип гемоглобнна (НЬЕ). Эти эритроциты развнваются в печени, селезенке. Наконец, и этот тип эритроцитов исчезает,
а на
смену
ему
приходит
дефинитивный/
тип
эритроцн-
тов, которые образуются в костном мозге. Дефиннтивиые эритроциты начинают формироваться в конце эмбрнонального—
начале постэмбрионального периодов развитня н в последующем представляют собой осиовной вид эритроцитов взрослого
организма, Они содержат третий
— дефннитивный вид гемогло‘бина
(НЬА
и НЬА)).
Смена генерацнй эритроцитов характерна как для низшнх,
так н для высших позвоночных животных, но число генераций
может быть разным и, кроме того, у них различаются типы гемоглобина. Например, у амфибий две генерацин эритроцитов:
личнночная
и дефннитивная,
появляющаяся
после метаморфоза.
У млекопитающих имеется по крайней мере три, генерации, На
рнс. 76 схематически показаны смена типов гемоглобина в онтогенезе человека и состав их полнпептидных цепей.
В клетках начальных стадий, вступивших на путь пролифераций и дифференцировкн, гемоглобин еще отсутствует, он начинает накапливаться со стадии базофильного
эритробласта.
`Перед этим в клетке индуцируется активность генов, коднрующих гемоглобииовые полипептиды, и в полисомах появляется
иРНК этих белков.
185
У млекопитающих
на стадии ортохромного эритробласта
ядро вначале пнкнотизируется, а затем выталкнвается из клетки,
И безъядерная клетка — ретикулоцит
— выходит в кровь.
У птиц и иизших позвоночных ядро в ретикулоцитах и эритроцитах сохраняется, но сильно уменьшается в размерах, а хроматин конденсируется. В ретикулоцитах продолжается синтез
.,
р
=.
и НЬА)
в-цепь
ур
Е
№ -цепь
|
{НЫЕ}
г
3
ты мель
НИ
ы
он
То
Я
—-27" 4.ель
5
$
Розндение
Рис.
76. Смена
на,
присутствующие
=
5 Мещы
типов гемоглобина
в ин-
дивидуальном развитии человека. а, В, у,
8, в, 3— полипелтидные цепи гемоглобиНРЕ — фетальный
вы
эритроцитах.
гемоглобин;
НЬА, — дефинитивные
гемоглобина (другие белки
|
рактически
не синтезируются) и завершается формнрование зрелого эритроцита.
Безъядерный
эритроцит
практически лишен внутриклеточных структур (встречаются отдельные митохонд,
рии),
а
его
содержимое
Представляет собой плотный
раствор гемоглобина, заклюпра
НБА,
гемоглобины
Ч@ИНОГОВ
мембрану,
Содержит небольшой
рецепторных белков.
В
иластоящее
це зено.
как ры и
)
р
которая
воемя
набор
еще
одЬт ое
*
на очагов эритропоэза и являются ли сменяющие друг
друга генерации эритроидных клеток производными одной ветви
стволовых клеток (которые переселяются из желточного мешка в
печень, селезенку, затем в костные пазухи) или же разные генерации
— это производные независимо образующихся стволовых
клеток.
Лимфоциты, обеспечивающие иммунные функции, не возникают так рано, как эрнтроциты. Иммунная система также начинает функциоиировать позднее. На эмбриоиальных стадиях развития еще иет иммунологической реакции на чужеродиые белки. Так же, как в случае эритроидных клеток, дифференцировка клеток иммунной системы не завершается в эмбриогенезе,
а непрерывно длнтся и во взрослом организме.
Формированне иммунной системы
— один из наиболее сложных процессов дифференцировки стволовых клеток крови. Важная особеиность этой дифференцирующейся
системы
состоит
в том, что развивается крайне гетеротгенная в функциональном
отиошеиии (миллионы клеток, отличающихся по типу продуцируемого белка
— антитела), но морфологически неразличимая
популяция клеток. Поэтому процесс дифференцировки этих клеток изучается в основном специальными биохимическими и иммунологическими методами.
Существуют две иммунные системы, защищающие оргайизм
от инфекцин и от раковых клеток. Соответственно формнруется н две линии клеток (рис. 75): лимфоциты, проходящие через тимус (зобная железа)
Т-лимфоциты и лимфоциты, кон186
ы
#.
`
тактирующие с клетками фабрициевой сумки птиц либо с клетками ее аналогов,— В-лимфоциты. У млекопитающих, лишенных фабрициевой сумки, В-лимфоциты формнруются в лимфоидных
органах,
в аппенднксе.
ся
популяцни
зования).
в лимфондных
Те
и другие
стволовых
Длительное
фолликулах
происходят
клеток
время
был
стенки
кншезчника,
из самоподдержнвающей-
лимфопоэза
(лимфоцнтообра-
не совсем
ясен генезис этих
стволовых клеток. Рассматривались две возможности: 1) существует единственный, общий и для эритропоэза н для лимфопоэза тип стволовых клеток крови, находящнхся у взрослых
животных в костном мозге, от которых ответвляется популяция
стволовых клеток лимфопоэза; 2} стволовые клетки лнмфопозэза имеют независимое происхождение. Экспернменты последних лет дали убедительные свидетельства в пользу первого предположення.
После выхода из тимуса н фабрициевой сумки (или ее аналогов) Т- и В-лимфоциты заселяют вторичные лимфоидные органы (лнмфоузлы, селезенку). Здесь происходит нх дальнейшая
дифференцировка, На этой стадии лимфоциты уже чувствительпы к антигенам, т. е. их митотическая активность стимулируется антигенамн. Здесь также важную роль играет микроокружение,
иОсСтТь
причем
К
для
антигенам
позиавать
их
н
продуцирующие
Путь
и
до
не
н
В-клеток
проявление
оно
различно.
способности
дифференцироваться
антитела
антигена
конца
Т—
клетки.
в лимфоидиых
Сначала
рас-
спецнализнрованные,
плазматические
к лимфоциту
выяснен.
в
Чувствитель-
лнмфоцитов
антиген
органах
сложен
поглощается
макро-
фагами, затем каким-то образом передается ретикулярным
кам,
где
он
В-лимфоциты,
располагается
на
взаимодействуя
концах
друг
длинных
с другом,
клет-
отростков.
вступают
Т-
и
в кон-
такт с антнгенами отростков ретикулярных клеток, в результате чего в ннх индуцируется днфференцировка в направлении
формирования антнтелообразующей клетки. Сначала образуются плазмобласты
— клон антителообразующих клеток, состоящих из 250—1000 молодых плазматических клеток, теряющих
способность делиться. В иебольшом количестве антитела начи-
нают синтезироваться уже в плазмобластах по мере формирования клона. В зрелых плазмоцитах, образующихся из плазмобластов, их синтез резко возрастает. В результате за двое суток, которые составляют продолжительность их жизни, они продуцируют
большое
количество
10 млн. молекул). Каждый
клон
циализнрован
определяется
на
синтез
антитела
взаимодействнем
антител
(за
час
примерно’
плазматических клеток спе-
одной
антигена
специфичности.
Это
и иммуноглобулиновых
рецепторов, предварительно синтезирующихся в В-лимфоцитах.
Таким образом, в лимфоците сначала сиитезируется множество иммуноглобулинов, которые располагаются на поверхностн клетки. Затем в результате взаимодействия
конкретного
антнгена с комплемеитарным ему иммуноглобулином происхо-
|
ит
днт селекция и образование клона, продуцирующего антитела
к этому антигену. При этом В-лимфоцнт вступает в сложные
взанмоотношения с микроокружением лимфоидной ткани, а для
иидуцирования процесса
образовання
плазмобластов
важно
кроме взаимодействия с антнгеиом влияние на них Т-лимфоцнтов. Кроме этого, необходима кооперация В-клеток с еще одной
категорией клето
— А-клетками,
к
отличающимнся высокой ад7
` гезней (прилипаиием к субстрату).
Ё
’,
А
Роль
ясна.
Важное
не
лока
этих
клеток
место
в диффереици-
ровке лимфоцитов
занимают
фиб-
робласты, которые создают спев
микроокружение
цифическое
органах, где происходит лимфо-
поэз.
что
Предполагается,
эти
фибробласты (стромальные механоциты) костного мозга, селезенки, тимуса, лимфоузлов, хотя и
не осличимы морфологически, но
гетерогенны по своим потенцням
и способности создавать разное
микроокружение для лимфоцитов.
Рис. 77. Последовательные ста(А, Б) развития почки к.
дии
земноводных:
нечности
мез — мезенхима
почки
конечности
рока 89°
ый
Развитие парных конечностей.
конечности позвоночных
Парные
развиваются
Клеток,
ИЗ
мезенхимных
выселившихся
из
парие-:
тальиого лнстка мезодермы и нокровиой эктодермы. У зародышей
амфибий раиние зачатки конечно-
стей имеют
амниот
вид обособленных
бугорков
(рис. 77). У зародышей
формируются
длинные
складки,
вначале
растянутые
в
передне-заднем направленин (вольфовы гребни}, которые позже
рассасываются в своей средней части;из их передних и задних
концов развиваются соответственно передние и задние конеч-.
ностн.
На самых раиних стадиях роста конечностей их эктодерразмножающейся
растягивается
мальиый эпителий пассивно
мезенхнмой; вскоре и эктодерма начинает активно участвовать
в росте конечности. У амниот эктодерма верхушки конечности
утолщается, образуя так называемый апикальный гребешок.
По мере роста коиечности меняется ее форма: ее апикальная часть расширяется и уплощается, зачаток конечностн скручивается вокруг своей длинной оси. На апикальной поверхности появляются зачатки пальцев. У амниот обособление паль-.
пев связано с гибелью клеток в промежутках между их зачатКАМИ.
Одновременно с внешней дифференцировкой конечности формируется ее внутреиннй скелет путем образования хрящей из
188'
стущенинй
мезенхимных
клеток.
Первым
проксимального хряща
— стилоподия, из
выделяется
зачаток
которого в передней
конечности разовьется плечевая кость, а в задней
— бедренная.
Затем образуются хрящи следующей в дистальном направлении
части
— зигоподия (локтевой и лучевой хряшщи в передней конечности, большой и малый берцовый
— в задней) и, наконец,
аутоподия (хрящи кисти нли стопы н фалаиг пальцев). Хрящи
плечевого н тазового поясов формируются позже стилоподиев,
но раньше аутоподиев. В конечность прорастают кровеиосные.
сосуды и миобласты
из сомитов.
При дифференцировке парных конечностей происходят ннтенсивные эпнтелнально-мезодермальные взанмодействия. На
начальных стадиях развития конечности, по-видимому, основным
является
воздействие
мезодермы
на
эктодермальный
эпи-
телий. Под влиянием мезодермы эпителий утолщается н начинает активно расти. В дальнейшем нормальную днфференцировку днстальных отделов конечности (образование пальцев)
определяют обратные влняния, исходящне от утолщенного эпителня верхушки почки конечностн (уже упоминавшегося ранее
апикального гребешка}, на мезенхнму конечностн. При удалеини апикального
гребешка
фаланги
не днфференцируются,
‚а прн его пересадке на Я1резумптивную мезодерму прокснмальной части конечиости (из которой в норме должиы были бы
дифференцнироваться бедренный или плечевой отделы) нз нее
развиваются
днстальные
частн
конечности
— плюсна
(нли
кнсть) н фаланги. Иитересно, что 'прокснмальная мезодерма
коиечности не пасснвно «прочитывает» снгналы, нсходящне из
гребешка, а как бы интерпретнрует нх «по-своему»: если мезодерму проксимальной части задней конечности (ноги} зародыша курнцы пересадить под гребешок передней конечности (крыла}, то она образует} цистальную часть,!но не крыла, а задней
конечности. Значит, в «ннтерпретации» индукционного воздействия определенную роль сыграла природа самого реагирую-.
щего материала, взятого от задней конечности.
Другая морфогенетнческн актнвная зона зачатка конечностн — небольшая область на ее заднем крае, около основания.
Если эту так называемую «зону поляризующей активностн»
пересадить на передний край конечности, то произойдет ее зеркальное удвоение: спереди появится второй задний край с соответствующими пальцами. Поэтому данную зоиу можно рассматривать как индуктор задней частн конечности.
Развитие производных эктодермы
Развитие кожи и ее придатков. Кожа позвоночных развивается из двух зародышевых листков
— эктодермы и мезодермы.
Эмбриональная эктодерма сначала превращается в двухслойный,
а
в
многослойный
эпнтелнй
— кожный
эпидермис.
Его
внутренний,
затем
прилежащий
к
(ростковый,
мезодерме
слой
,
189
илн мальпигиев, слой) в течение всей жизни организма сохраняет функции камбия: в нем происходят клеточные деления,
и вновь образующиеся клетки перемещаются во внешние слои
эпидермиса, где дифференцируются. У всех наземных позвоночных дифференцированные клетки внешних слоев эпидермиса
(кератоциты)
синтезируют
роговое
вещество
— белок
кера-
тин. Дифференцировка клеток, синтезирующих кератин, сопровождается их инактнвацией, они заполняются кератином, уплошаются, теряют ядро и формируют поверхностный омертвевающий слой кожи.
Мезодермальный слой кожи
(дерма) образуется соединительноткаными
клетками,
происходящими
из
кожных
листков
сомитов (дерматомов}. За счет деятельности клеток дермиса
формируются коллагеновые, эластические и ретикуляриые волокна.
К
роговым
придаткам
кожн
относят
чешун
н
щнткн
репти-
лий и птиц, перья птиц, рога и волосы млекопитающих. Рассмотрим вкратце развитие пера и волоса. Оба зачатка вначале представляют собой эпидермальные плакоды
— лиизовидные
утолшения эпидермиса. При развитии пера под плакодами вскоре возникают сгушения дермальных клеток, которые как бы
приподнимают эпидермис, придавая ему внд бугорка, обращенного вершнной назад. Из дермальных клеток формируется мякоть пера, а из эпидермиса
— его поверхностный ороговевающий
слой.
При развитии волоса эпидермальная плакода глубоко вдается в подлежащую дерму, образуя волосяной узелок. Наружные слон узелка дают начало влагалищу волоса и сальным железам, а внутреиние слои
— собственно волосу. На дне волосяного узелка имеется камбиальная зона, поддерживающая рост
волоса. Дно узелка вогнутое, и в эту вогнутость вдается дермальный сосочек, куда прорастают нервы и питающие волос
кровеносные
сосуды.
”
Работами
французского
ученого
следователей
установлено,
что
придатков
зависит
Ф.
Санжеля
и
диффереицировка
от индукционных
воздействий
других
кожи
дермы
ис-
и
ее
на эпи-
дермальную часть. Даже нормальная миогослойная структура
эпидермиса может появиться лишь при его контакте с дермой.
Такой контакт необходим также для образования перьев и волос. Более
того, если Взять эпидермис
куриного зародыша
с уча-
стка, в норме лишенного оперения, и подостлать его дермой
© оперенного участка, то образуются перья, структура которых соответствует тому участку тела, откуда была взята дерма.
Начальные этапы формирования кожных придатков можно
индуцировать
дермой,
взятой
от
зародышей
другнх
классов
амннот. Например, еслн неоперенный участок эпндермиса куриного зародыша срастить с дермой покрытых волосами участков зародыша мыши, то из эпидермнса возникнут зачатки
перьев, правда, не достнгающие полного развитня. Дерма яще190
рнцы индуцирует образование зачатков волос в эпндермисе
мышн, Такнм образом, начальные индукционные стимулы для
развития кожных придатков одинаковы для всех амннот, что
свидетельствует о гомологнчности этих придатков. Однако для
их полной дифференцировки необходим контакт с дермой животных своего класса. Например, у зародышей курицы полноценные перья развиваются из участков эпидермиса, подостланиых дермой утки, и наоборот.
Рис.
78.
9.м.— воронка
затылочный
Развитие
мозга,
изгиб,
{А
—В)
головного
@.м,с.— вентральная
мозга
мозговая
зародыша
складка,
позвоночного:
изгиб,
з.и.—
нк.к.— нервно-кишечный канал, нл — нсвропор, п.м.л.— первичный
говой пузырь, х — хорда, т.и.— теменной изгиб
м.ни.— мозговой
моз-
. м
Дерма индуцирует не только развитие определеииых придатков, но и определяет порядок их возиикиовения и окончательное расположение. Однако воспринимаютинй индукционные воздействия эпидермис не полностью инднфферентен: характерНЫЙ
наклон
перьев
назад
определяется
какнми-то
внутренни-
ми свойствами эпидермиса и не изменяется, например,
повороте подстилающей дермы на некоторый угол.
Развитие
центральной
нервиой
системы
и
органов
при
чувств.
Нервная трубка зародышей всех позвоночных вскоре после
своего замыкания состоит из более широкого переднего и более узкого заднего отделов. Расширенный передний отдел называют первичным мозговым пузырем
— первичным головным мозгом — агсНепсерна!оп (рнс. 78}. Первичный головной мозг открывается иаружу невропором, а задний отдел посредством
нервно-кишечного канала связан с задним отделом гастроцеля
(в областн дорсальной губы бластопора). Невропор и нервнокищечный канал впоследствии зарастаот.
Нервная трубка по средней линии подстилается хордой, простирающейся вперед вплоть до задней границы первичного головного мозга. Последний подстилается тканью, пронсшедшей
‚ из прехордальной пластннки. Как правило, задняя граннца первичного головного мозга также отмечена резкой складкой вентральной стенки нервной трубки (вентральная мозговая складка), спереди от которой вентральная стенка первичного мозгового пузыря образует воронкообразный выступ
— пЁапд
ит,
нли воронку мозга, Вентральная мозговая складка и воронка
.
191
формируют чрезвычайно характерный
для всех позвоночных те-
менной,
В
или
часть
нервной
зыря:
самый
среднемозговой,
трубки
дальнейшем
дифференцируется
на
передний— ргозепсерва]оп,
от вентральной
сернаюп,
изгиб.
над
складки,
этой
следующий
складкой,
и
передняя
мозговых
расположенный
за
задний
три
ним
пу-
спереди
средний
— тезеп-
— гротЬепсерНа]оп,
без
резкой границы переходящий в спннной мозг. У зародышей высвзих позвоночиых уже на стадии трех мозговых пузырей при
взгляде сверху отчетливо видны боковые выступы переднего
мозгового пузыря, впоследствии дающие начало глазным зачаткам.
Позже передний мозговой пузырь подразделяется на два от-
дела: передынй
мозг — {!епсерра!юп
и промежуточный
мозг—
Фелсерна!оп. Из боковых стенок Последиего в дальнейшем развнваются глазные зачатки. Средний мозговой пузырь в дальнейшем не расчленяется, а первичный задний мозговой пузырь
подразделяется на задний мозг — теепсерНа]оп, и продолгова-
тый
мозг — ту@епсерна]оп,
переходящий
без
резкой
границы
в спинной мозг. У низших позвоночных эти отделы мозга лежат
примерно в одной плоскости, а у высших позвоночных головной
мозг вскоре после формирования названных отделов образует
новые резкие изгибы: затылочный и мостовой. Затылочный изгиб
находится на месте перехода спинного мозга в продолговатый
и направлен в ту же сторону, что и теменной. Мостовой изгиб
располагается в области заднего мозга и назван так потому, что
в вентральной стенке этого мозгового пузыря впоследствин возникает варолиев мост. Этот изгиб направлен в сторону, обратную двум другим изгибам. Все мозговые изгибы особенно хорошю выражены у высших млекопитающих и человека,
Дальнейший ход развития головного мозга высших позвоночных будет изложен лишь в общих чертах.
Уже на ранних стадиях развития разные отделы мозга отличаются друг от друга неравномерным утолщеннем своих стенок.
Утолщение стенок
— прямой результат интенснвности клеточного размноження в них. В области переднего мозга разрастаются передие-боковые стенки, что приводит к образованию пары
выступов
— зачатков
полушарий
головного‘ мозга. Особенно
сильио полушария головного мозга развиваются у высших позвоночных,
где
они,
разрастаясь,
накрывают
собой
все
находя-
щиеся сзади отделы мозга вплоть до мозжечка. Неравномерное разрастание их поверхностн приводит к появлению глубоких борозл. У низших позвоночных полушария переднего мозга развиты значительно слабее. Из них образуются лишь 060нятельные доли мозга.
Из боковых стенок промежуточиого мозга выпячнваются зачатки глаз
— глазные пузыри, Утолщения боковых стенок промежуточного мозга образуют зрительные бугры. Дно промежуточного мозга формнрует глубокое выпячиванне
— воронку моз-
га, Из ее инжиего
192
конца
возникает нейральная
часть важней-
шей
железы
внутренней
секреции
— гипофиза.
Железнстая
часть гипофиза развивается из выступа стомодеума
— так называемого кармана Ратке. Из стенки промежуточного мозга,
расположенной
сзади
от
воронки,
образуется
подбугровая
об-
ласть мозга
— гипоталамус, а в области тонкой дорсальной
стенхи промежуточного мозга
— эпифиз, илн шишковидная железа.
.
м
у ^
Рис.
79. Стадии
развития
А — ранняя стадия,
нейронов
пролиферация
центральной нервной системы,
нейроэпителиальных
Б — поздняя стадия, формирование
нервных
клеток;
клеток
По гистологическому строению стенка нервной трубки (нейроэпителий) относнтся к ложномногослойным эпителиям. Это
означает, что ядра слагающинх ее клеток — нейробластов
— находятся иа разных уровнях, но все нейробласты прикреплены
к внутренней поверхности нервной трубки (к поверхности невроцеля). Во время деления нейробласты округляются и их ядра
смещаются в сторону невроцеля; в промежутках между делениями
нейробласты
вытягиваются,
а
ядра
смещаются
ну изружной
поверхности
нервной
трубки. Таким
нейробластов
совершают
как‘бы
челночные
в сторо-
образом
движения.
ядра
На
6бо-
лее поздних стаднях развития, перед началом дифференцировки,
иейробласты отрываются от внутренней поверхности нервной
трубки н выходят из нейроэпителия наружу, образуя рыхлую
13
Закат
645
`
у
|
108
клеточную
робласты
массу
— маитийный
приобретают
ки -—— дендриты
слой (рис. 79}. В этом слое ней-
характерные
(обращеииые
для нервных клеток
внутрь)
и
аксоиы
отрост-
(направленные
наружу), превращаясь таким образом в дифференцированные
и не способные к клеточным делениям нейроны. Следующие
поколения иейробластов, выходящих в мантнйный слой, дифференцируются в клетки нейроглии — опорной тканн нервной системы. Клетки, оставшиеся во внутреннем (прилежащем к невро.
целю) слое нервной трубки, образуют эпенднмную
выстилку
ного
и
полостей
спинного
голов-
мозга.
Та часть нервной трубки, где расположены клеточные тела нейронов и
иейроглии,
рым
называется
веществом
се-
головного
и спинного мозга.
Этот
слой неоднороден: в определеиных
местах
нейроны
‘могут
концентрироваться
(передвигаясь по мантийРис, 80. Стадия
пр,м.—
полость
глазного бокала
зародыша:
промежуточного
мозга,
у куриного
с —
зачаток
сетчатки, п — зачаток пигментного эпителия
зачаток хрусталика.
хр—
ному
слою
параллельно.
его поверхности)
и . обра-
зовывать
галглин
(в
области
нервные
спинного
моз-
га) или так называемые
ядра.
(в, областн головно-
го мозга).
Снаружи
от серого
вещества
находится
слой,
образованный отростками нейроглиальных клеток и аксснами
нейронов,— белое вещество.
о
Развитие глаз. Глаза позвоночных формируются из парных
боковых выпячнваний зачатка промежуточного мозга. По мере
развитня эти выпячнвания
— глазные пузыри
— все более отшнуровываются от зачатка промежуточного мозга, но полостью
от него не отделяются, оставаясь соединенными с иим узким
каналом — глазным
стебельком.
Глазные пузыри растут иемного назад и кнаружи, го направленню
к покровной
эктодерме
и затем соприкасвются
с иею. В этом месте покровная эктодерма утолщается, образуя
зачаток хрусталнка
— хрусталиковую плакоду. Та часть глазного пузыря, которая оказывается в контакте с хрусталиксвой
плакодой, начинает виячиваться, в результате чего глазной пузырь превращается в двухслойный глазной бокал (рис. 80, 81).
Инвагннация начинается в передне-нижней части
хватывая глазной стебелек. По мере углубления
пузыря, завиячизания
края глазного бокала начииают расти по направлению друг
к другу, но некоторое время между ними остается щель, вазываемая глазной зародышевой щелью. Внутренний слой глазно194
го
бокала
становится
зачатком
нейральной
цилиарного
тела.
сетчатки,
а иаруж-
ный —зачатком пигментного эпителия. Край глазного бокала
(место перехода иаружного листка во внутренний) становится
зачатком
радужки
и
клеток
Деление
прнво-
дит 5 утолщенню и увеличеиию площади развивающегося зацаткл сетчаткн. Клетки же наружного листка истончаются и
уплощаются, становясь зачатком пигмеитного эпителия.
Перед тем как превратиться в сетчатку, внутренний слой
глазного
ровки.
бокала
Вначале
пройти
должен
клеткн
этого
этапов
несколько
зачатка
имеют
дифференци-
одинаковое
строе-
клеток исходного мозгового зачатка, .
ние, сходное со строением
и
деления
прекращают
Первыми
делятся,
интенсивно
все они
вступают на путь специфической дифференцировки глиальные.
элементы сетчатки, ядра которых занимают ианболее центральное положение в зачатке. Эти клетки называют мюллеровыми.
Их отростки выходят на обе поверхности сетчаткн и формируют
ее наружиую и внутреннюю пограничные мембраны. Следующими начинают дифференцировку будущие ганглиозные клетки,
которые располагаются под внутренней пограничной мембраной. Аксоны ганглиозных клеток укладываются рядами вдоль
внутренней поверхности сетчатки и, соединясь в ее центре, выходят
нз
глаза
по
глазной
зародышевой
щели,
а позже,
после
ее замыкания, по глазиому стебельку. Эти аксоны образуют
зрительному
к первичному
зрительный нерв, подрастающий
центру— крыше будущего среднего мозга.
° Вслед за ганглиозиыми клетками дифференцируются кдет-__
я
амакрины, горизон— биполяры,
ки виутреннего ядерного сло
тальные клетки. Аксоны бнполяров и амакриновых клеток вступают в контакт с отростками (дендрнтами) ганглиозных клеток, формнруя внутренний сетчатый слой. Далее дифференцируется наружный ядерный слой сетчатки. Ядра его клеток располагаются под наружной пограннчной мембраной, отростки же
(аксоны} направляются в стороиу внутреннего ядериого слоя
„и вместе с дендритами этого слоя образуют наружный сетча-.
тый слой. Наружные отросткн наружного ядерного слоя (по
происхождению дендрнты) преобразуются в наружные сегменов и колбочек. Эти сегменты, прохо-`
— палочек
ты фоторецептор
дя сквозь поры наружной пограничной мембраны, располагают— в том ее осся в узкой щелевидной первичной полости глаза
татке, который сохранился после инвагинации глазного пузыря.
П> мере впячивания глазного бокала утолщенная часть покровного эпителня {хрусталиковая плакода) сама впячивается
в полость глазного бокала (она же— вторичная полость глаза), а затем полностью отшнуровывается от покровного эпитеек
глазного
— зачаток
пузыр
хрусталиковый
Возникает
лия.
хрусталика (рис. 81}. Клетки внутреннего, обращенного к сетчатке слоя зачатка хрусталика сильно вытягиваются и превращаются в первичные хрусталиковые волокна, а клетки виешнего
слоя сохраняют высокую пролиферативную активность и дручерте
13*
195
ОК
*
уз де] 9:
эмбрнонального
гие свойства
нне
всей
жизни
эпителия.
в тече-
клеток
этих
Из
хру-
(вторичные)
новые
возникают
организма
сталиковыс волокна. Они образуются из краевых клеток хрусталикового эпителия, которые при этом вытягиваются и утрачивают ядро.
В них начинают синтезироваться специфические белки—
а-, В- н у-кристаллины. Перед этим в клетках активируются
гены И синтезируются иРНК кристаллинов. Позже клетки, накопившие кристаллины, отмирают и их остатки в виде волокон
выталкиваются в центр хрусталика, где формируется прозрачное хрусталиковое ядро.
Расположениый иад хрусталиком покровный эпителий тоже
испытывает сложные гистологические изменения, приводящие
к тому, что он истончается, теряет пигмент и становится роговичным эпителием. Мезенхима, подстилающая покровный эпителий, дифференцируется в строму роговицы, выделяющую боуменову мембрану. Изнутри роговица выстлана тонким клетсчным
слоем
—
эпителием,
деспеметовым
являет-
также
который-
ся производным мезенхимы.
Наконец, в построении глаза участвуют и клетки эмбриональной мезенхимы, происходящие частично из среднего зародымезодермы, но главным образом из нервного
— тка
шевого лис
гребня (см. ниже). Эти клетки образуют сосудлстую оболочку
за ие его кровеносные сосуды, а также склеру—
— облегаюцк
гла
опорную оболочку глазного яблока.
В ходе развития части, из которых формируется глазной
зачаток, вступают между собой в сложные индукционные взаимодействия.
Еще
нашего
в начале
было
столетия
открыто,
что
у зародышей амфибий развитие хрусталнка из покровной эктодермы индуцируется глазной чашей. Под влиянием перссаженной глазной чаши хрусталик может возникнуть на совершенно
необычном месте, например развиться из брюшной или боковой
эктодермы. Такая же индукция наблюдается при развитии глаза птиц и млекопитающих. Впрочем, у некоторых амфибий (зеглазной
хрусталика
развитие
леная лягушка) индуцировать
чашей не удалось. Однако, как показал Д. П. Филатов, эта зависит не от отсутствия индуцирующих свойств у глазной чаши,
а от более ранней детерминации покровной эктодермы. Действительно,
у зародышей
зсленой
лягушки
образова-
моменту
к
ния глазного пузыря эктодерма туловищной части зародыша уже
утратила компетенцию к восприятню ивдукционных воздействий
со стороны
глаза.
Рис. 81. Последовательные
ференцировка
глазного
У этого
стадии
бокала
вида
амфибий
индукция
(А
— Е) формирования
у хвостатой
амфибии
(по
хруста-
хрусталика
Г.
Шпеману,
6 — сетчатка, р — роговица,
х.й/— хрусталиковая плакола, х.2.— хрусталнковый
х.8.— хрусталиковые волокна, фр — фоторецепторы, я.э.— пигментный элятелнй,
зенхима
1
и диф1936):
эявтелий,
лез — ме-
197
лика происходит на более ранней стадин
дуктором служнт передиий конец хорды.
На более поздних стадиях развития
состоянии
глаз
способеи
оказывать
еще
развития,
н даже
одно
причем
во
ии-
взрослом
индукционное
воз-
действие: он вызывает просветление покрывающей его эктодермы; преврацкая ее в роговицу.
Развитие н дифференцировка самого глазного зачатка (глазной чаши) в свою очередь испытывает разнообразиые воздействия со стороны окружения. Некоторое влняние на рост и форму глазного зачатка оказывает зачаток им же индуцированного хрусталика; удаление зачатка хрусталика ведет к прекращению роста глазного зачатка. Если же к глазному зачатку подсадить более крупный хрусталик от зародыша другого вида, то
глазной зачаток соответственно увеличивается в объеме.
Днфференцировка стенок глазной чаши в сетчатку и в пигментный эпителий в зиачительной степени контролируется мезенхимным окружением. Та часть стенки глазного зачатка, которая (в норме или в опыте) окружена мезенхимой, дает начало пигментному эпителию; напротив, в сетчатку развивается
та часть, которая лишеиа контактов с мезенхимой и утолщается в ходе развития.
Развитие органа слуха. Орган слуха позвоночных, так же
ках орган зрения, имеет составное пронсхождение; в его образовании участвуют покровная эктодерма и головная мезенхнма
(рис. 82). Из покровной эктодермы формируется основная часть
органа слуха
— внутреннее ухо, Развитие внутреннего уха начинается
мы
с образовання
на уровне
сталиковым
заднего
цплакодам,
парных
утолщений
мозга
— слуховых
слуховые
покровной
плакод.
плакоды
впоследствии
ваются
и почти
полностью
отшнуровываются
разуя
слуховые
пузырьки.
Каждый
слуховой
эктодер-
Подобно
хрувпячи-
от эктодермы,
пузырек
об-
некото-
рое время связан с внешней средой узким эндолимфатическим
‚ каналом; при дальнейшем развитин у большннства позвоночиых этот канал замыкается. Слуховой пузырек подразделяется
иа верхний и нижний отделы, между которыми имеется слабый
перехват. В верхнем отделе образуются три полукруглых уплощения, первоначально расположенные в вертнкальной плоско-..
‘сты, а затем в трех взаимноперпеидикулярных плоскостях. Каждое
из
них
позже
прорывается
посереднне
ик
превращается
.в полукружный канал. Полукружные каналы представляют собой органы равновесия позвоночных. В нижней части слухового пузырька появляется мешковидное вздутие и на самом
его конце
— слепой вырост. У высших позвоночных этот вырост удлиняется и закручивается в канал слуховой улитки.
В
стенке этого канала развивается орган
слуха
— кортиев
орган.
Образование
тым
щей
198
слухового
пузырька
индуцируется
мозгом. Под воздействием самого
мезенхимы формируется хрящевая
—
пузырька
слуховая
продолгова-
нз окружаюкапсула. Эта
.
капсула в точности повторяет сложную форму внутреннего уха,
как
в частиости полукружиых каналов н Улиткн. В то время
перепончастенка виутреннего уха образует виутренний, или
т
подобный ей по
тый, лабиринт, слуховая капсула формируе
форме внешний скелетный лабирннт.
Развитие органа обоняния. Органы обоняния позвоночных
утолщений
парных
— од
плак
нз обонятельных
развиваются
Рис. 82, Развитие
хового пузырька;
внутреннего уха позвоночного.
А —Г
Д — Ж -- формирование полукружных
.
3
|
'
— отшнуровка
слуканалов
и улитки:
экт — эктодерма
"
°
ы
эктодермы в передней частн головы. Эпителий обонятельных
плакод (обонятельный эпителий) содержит нервно-чувствительные клетки, которые посредством аксоноз связаны с обонятельным отделом головного мозга. В результате разрастания сбонятельного эпителия плакоды превращаются в обонятельные
мешки, открывающиеся наружу уже упомииавшимися обонятельными ямками.
Нервный гребеиь и его производиые. Прн смыкании нервной
трубкн
клетки
нервных
валнков
располагаются
над
ее дорсаль-
ной частью. Образованная ими структура называется нервным
гребием. Уже в процессе замыкаиня нервной трубки клетки незвного гребня выходят нз состава нервных валиков н мигрируют
в разных направлениях, проявляя удивительио широкие формообразовательные потенции. Некоторые клетки нервных валиков мигрируют
назад,
распространяются между клеткемн
эктодермы
н
превращаются
в
первичные
пигментные
клетка—
меланоциты. Часть клеток нервиого гребня мигрирует в вентральном иаправлении н, располагаясь межсегментно, образует
скопления Медуллобластов, дифференцирующихся в биполярные нейроны. Медуллобласты, мнгрнрующие в глубь тела зародыша, формируют ганглии симпатической и парасимпатической нервной системы, а также клетки шванновских оболсчек
нервов. Из головиой части иервиого гребня выселятотся клеткн,
превращающиеся в хряшевые, мышечные и соединительнотканные. Они строят хрящн висцерального скелета (рис. 83), мышцы кожи и ресиичиого тела глаза, рыхлую соединительную тнзнь
лица, языка и нижней челюсти, входят в состав аденогипофиза,
193
паращитовидных
желез
н
мякоти
зуба.
Такнм
образом,
клетки
нервного гребня проявляют способность формировать такие закладки (например, хрящи), которые в других случаях возникают из мезодермы. По совремеиным данным, выбор того или
нного пути дифференцнровки клеток иервного гребня частично определяется их происхождением, а частично
— окружением,
в которое опи попадают. Так, клетки головного отдела нервно-
кс.
Рис
83. Нослезовательные стадии (А — В} миграции клеток
(заштрихован) у зародышей саламандры:
нервного
гребня
ж.4.— жаберные дуги, г — подъязычный хрящ, м.с,— маидибулярные, мк.с.-— максиллярныс скопления клеток нервпого гребня, сл.й. — слуховой пузырек
.
го гребня всегда дифференцируются в хрящевые, мышечные и
соегдинительпоткаиные клетки, даже если этот отдел пересадить
в другую область (например, в туловнщную). Дифференцировка же клеток, выселяющихся из туловищных отделов нервного
гребня, зависит в основном от того, куда эти клетки попадут.
Например, клетки, концентрирующиеся поблизости от хорды,
независимо от своего происхождення превращаются в нейроны,
синтезирующие катехоламины.
Вторичные индукции при органогеиезах
_
.
Многочисленные индукционные зависимости, контролирующие развитие зачатков органов, принято называть вторичными
индукциями в отличие от первичной индукции центральной нервной
системы
есть
основания
хордомезодермой.
и
эту
(Уже
индукдию
не
отмечалось,
считать
правда,
что
«первичной»,
так
как ей предитсствует открытая П. Ньюкупом индукция мезодермы эитодермой, ис данная терминология устоялась и иет
смысла ее менять.) Вторичные индукции чрезвычайно разнообразны, однако об их механизмах и о том, как достнгаются конечные
результаты
вторичных
индукций
и
образуются
органы
специфической формы и структуры, известно еще очень мало,
‚ Действие вторичных индукторов при органогенезах
— частный
случай межклеточных взаимодействий, которые рассматриваются в
`
гл. 9.
Клеточные процессы, лежащие в основе
формироваиия органов
Движения и изменения формы клеток. Эти процессы играют
в органогенезах исключительно важную роль. Рассмотрим стдельно движения мезенхимных и. эпителиальных клеток.
Клетки мезеихимного типа не образуют между собой стойких контактов и поэтому наиболее подвижны. Самые дальние
движения совершают клетки нервного гребня, о которых уже
говорилось. Для мезодермальных мезенхимных клеток особенно характерна способность создавать сгущения, увеличивая поверхности
своего
контакта
с
соседними
клетками.
Различные
тилы таких сгущений возникают при образовании сомитов в осевой
мезодерме,
зачатков
хрящей
(например,
в
почке
конечио-.
сти), а также канальцев выделительной системы. Как правило,
вначале эти канальцы возникают в виде плотных тяжей, а затем внутри них появляются просветы.
Эпителиальные клетки хотя и менее подвижиы, чем мезенхимные, но также способны к перемещениям. В многослойных
пластах пейральных зачатков они совершают челночные движения из области размножения у внутренней стенки пласта к его
наружной стенке и обратно. Утолщения эпителиальных пластов (образование плакод} происходят благодаря увеличению
поверхностей контактов между соседними клетками, Наиболее
сложные
типы
движений
и
деформаций
эпителиальных
клеток
наблюдаются при изгибах клеточных пластов. Изгибы пластов.
являются результатом как сокращений поверхностей клеток
на вогнутой стороне изгиба, так и вытяжения и передвижения
клеток по направлению к выпуклой стороне.
Наиболее важная и интересная особепность движений эпителиальных клеток
— их организованность и согласованность.
Любой. изгиб клеточного пласта в ходе того или иного органогенеза
— результат согласованной коллективной работы многих
десятков или даже сотен клеток. Механизмы этой согласоваяности лишь начинают изучаться.
Размножение клеток. Почти все органогенетические процессы сопровождаются размножением клеток. Размножение клеток необходимо, например, для создания сгущений мезенхимных
клеток при образовании хрящей или сгущений дермальных клеток при образованин перьевых зачатков. Вместе с тем само по
себе размноженне клеток почти никогда не придает зачаткам
органов
окончательную
форму
или
структуру:
эти
функции
полняют движения клеток н изменения их формы.
Факторы клеточного размножения при органогенезах
ны
недостаточно.
Некоторые
сведения
о химических
вы-
изуче-
факторах,
стимулирующих или угнетающих клеточное размножеиие, приводятся в гл. 12. По-видимому, наряду с химическнми факторами на теми клеточного размножения существенно влияют морфогенетинеские движения клеток и сопутствующие им процессы.
0
Так, по данным
А. Кертиса,
провождающее их движение)
жение,
растяжение клеток
(обычно состимулирует клеточиое размио-
Гибель клеток. Некоторую, хотя и ограниченную, роль в формообразовании может играть гибель клеток. Как уже упоминалось, зачатки пальцев зародышей птиц и млекопитающих разъединяются потому, что клетки в промежутках между ними гибнут. Известны мутантные расы млекопитающих, у которых гибели клеток не происходит и фаланги ие разъединяются. Возможно, что гибель клеток участвует и в кавитациоииом образовании полостей и канальцев, Однако в целом процессы гибели клеток лишь «дорисовывают» то, ито было ранее намечено.
Так, гибель межфалаиговых клеток происходит уже после того,
как сформировались
хрящи
фаланг и произошло утолщение
покровиого эпителия.
Мутации и хромосомиые аномалии,
затрагивающие органогенезы
У
дрозофилы
известен
класс
мутацнй
которые проявляются в форме аномалий
развивающихся из имагинальных дисков.
таний
состоит
вития
(температуры
степени
и не
в том, что их проявление
у всех
и т. д.)
и они
особей
потомства.
.
гомейозисного
типа,
в закладках органов,
Особенность этих му-
зависит
выражены
от условнй
раз-
не в одинаковой
Другая
их
особенность
связана с самим характером фенотипического проявления: отклонение от иормального развития выражается в формированин иных структур вместо типичных. Например, при мутации,
именуемой аг1зореа, из имагинальных дисков, в норме формирующих усики (аристы), развиваются конечности со всеми
члениками. Другая мутация
этого тина
— БИбогах. Мутации
этого локуса выражаются в серии изменений морфогенеза сегментов тела мухи; например, одиа из мутаций вызывает превращеиие передней части заднегруди В переднюю часть среднегруди, другая
— превращение первого брюшного сегмента в заднегрудь и в результате
— образование восьми ног вместо шести.
Органогенез
— период, когда в действие вступает миожество генов, поэтому мутации проявляются в этот период в иаибольшей мере. В результате экспрессин мутантных генов у человека, например, возникает свыше 120 форм нарушеннй органов слуха (наследствениая глухота). Это понятно, если учесть,
что развитие уха коитролируется совокупным действием сотен
генов.
То
же
самое
относится
к
развитию
конечностей,
глаз,
нервной системы и т. д. Развитие каждого из них обеспечивается взаимодействием нескольких сот генов. У человека известно 250 наследственных болезней
скелета. У мышей описано около
глаз, 150 аиомалий развития
30, у кур
— около 20 различ-
ных нарушений конечностей (рис. 84). Мутации затрагивают все
этаны развития конечностей. Они могут возникать либо в виде
209
`
.
.
дефектов
в
самих
клетках,
которые
изменнлнсь
{например,
му-
тация геиа спопагодузр!аз1а ведет к нарушению синтеза коллагена в хоидроцнтах), либо вследствие изменений в соседних
клетках, которые должны осуществить индукцню. Мутация шв
{бескрылость
— \1181ез$) вызывает дефекты в развитии мезодермы почки крыла (нарушаются ее индукциониые взаимодействия с эктодермой и крыло не развивается). У человека известно
18 генов, дефекты
рых
нарушают
кото-
нормальную
В
в
А
м
1
желез,
половых
развитие
способность реагировать на
пр,
4%
ея
Е
у.
гормоны.
Многие нарушения обусловлеиы хромосомными аномалиями — изменениями
в
хромосомном наборе.
Аиомалии.в наборах хромосом - (аберрации) — следствие. либо
неправильного
расхождения
хромосом
в
мейозе (приводящие к увеличеиию числа какой-либо
хромосомы
в одних
и к
уменыпению в других половых клетках), либо повреждения или утраты хромосом.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды хромосомных изменений.
Механизм возникновения
гаплоидов рассмотрен в гл 6.
Полиплоидия — это
резуль-
Ра
{7
“9
дифференциацию
тат
выпадения
пола —
процесса
ре-
1.
|
.
п:
гр
сы...
сы
Рис. 84. Мутации,
пукции хромосом в мейозе
си
‚либо
проявляются,
цитотомии,
например
в
‘ходе первого деления зиготы. В результате возникают
триплоиды или тетраплоиды.
В
природе
полиплоидня
`
нарушающие
и
развятие
т
мутации
(обозначены
танскими буквами)
встречается
редко.
Например,
у
Ра.
ла-
бораторных мышей среди 3000 проанализированных
эмбрионов (А. Дыбан и В. Баранов) был обнаружен всего одни тетраплоид. Полиплондия может быть получена искусственно: у млекопнтающих кратковременной обработкой зигот цитохалазином
(ие происходит цитотомия в ходе первого деления}, в результа-
те чего 40—70 % эмбрионов удается превратить в тетраплоиды.
Б. Астауров и его сотрудники подробио изучили возможности искусственного получения полиплондов (три- п тетраплоидов} у шелкопряда: получены партеногенетически развивающие-
|
О
`
203
ся расы полиплоидов. Полиплонды
обычным половым путем, поэтому
нными
способами.
Кроме
того,
у
не способны размножаться
их приходится размножать
млекопитающих
(мыши)
по-
линлоиды плохо развиваются, у них эмбрионов понижен уровень пролиферативной активности, меньше число клеток. У шелкопряда полиплонды развиваются без ощутимых аномалий.
Моносомия, трисомия —. случаи анэунлоидии, когда хромосома
в
диплоидном
наборе
представлена
только
одной
(моносо-
мия) или тремя (трисомия} гомологамн. Эти случаи
— следствие либо нерасхождения гомологов, либо утраты одной из хромосом в мейозе (мужском, женском) или в раннем эмбриогенезе.
У млекопитающих спонтанные моно- и трисомии
— редкое
явление, у человека их зарегистрировано несколько больше, чем,
иапример, у мыши. Существует много способов искусственного индуцирования таких аномалий, которые здесь не будут рассматриваться. Эти нарушения вызывают серьезную патологию
развития, которая у млекопитающих приводит
к нрерыванию
беремениости. Значительная часть споптанных абортов обусловлена
этой
аномалией.
В
клинической
практике
известеи
ряд
патологий, связанных с нарушением половых хромосом.
При синдроме Териера все клетки содержат только одну
Х-хромосому {ХО). Клиническая картина синдрома заключается в том, что женские вторичные половые признаки ие оформ-`
лены, яичник и гоноциты недоразвиваются и дегенерируют перед рождением. Результат— бесплодие.
При синдроме Клейнфельтера клетки содержат ХХУ набор
хромосом. Фенотипически преобладают признаки женского пола
с некоторыми аиомалиями вторичных половых признаков. Результат — бесплодие.
ГЛАВА
МЕХАНИЗМЫ
КЛЕТОЧНОЙ
"Г
ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ
Дифференцировка
— это совокупность процессов, в результате которых между клетками общего происхождения возиикают
стабильные морфологические, физиологические и функциональиые различия. Процессы дифференцировки идут на всех этапах
развития. В предзародышевом развитии в яйцеклетке происходит ооплазматическая сегрегация, которая, как уже говорилось,
у ряда видов животных определяет направления развития бластомеров. В дальнейшем в ходе гаструляции, закладки и развития органов протекают все более разнообразные процессы морфологической,
физиолого-биохимической
и
функциональной
дифферепцировки клеток. В то же время дифференцирующиеся
клетки становятся все более зависимыми друг от друга и от
304
7
организма как целостной системы, так как, специализируясь,
оказываются все менее способными к самообеспечению. Дифференцировочные процессы осуществляются и во взрослом организме
и лежат
в основе
обновления
многих
тканей
(физиологи-
ческая и репаративная регенерация, см. гл. 13). Таким образом,
способность к дифференцировке характерна нс только для клеток развивающегося организма, но в скрытом виде сохраняется и в клетках взрослой особи. Это предполагает существование общего механизма дифференцировки, который передается
в ряду поколений всем клеткам зародыша, а затем и взрослого организма.
Разнообразие возникающих в результате дифференцировки
клеточных типов, отличающихся по морфологии, структуре, фнзиолого-биохимическим свойствам и функции, не поддается точной количественной оценке, так как трудно избрать критерии
для их классификации. Помимо сильно выраженных и явных
различий между клетками существует много тонких различий.
Кроме того, метаболическое и функциональное состояние клеток
постоянно меняется. Основываясь на наиболее явных морфологических, физиолого-бнохимических и структурно-функциональных тестах в организме позвовочного животного, можно выделить примерно 100 типов дифференцированных клеток, которые детальио описываются в учебниках гистологин.
У низших форм число типов дифференцированных клеток не
столь велико. В ходе эволюции число клеточных типов и степень различий между ними возрастают, что служит показателем прогрессивного усложнения видов. Тело млекопитающего
постросио из сотен миллиардов клеток. Говоря о 100 типах дифференцированных клеток, следует иметь в вилу, что каждый из
этих типов иеоднородеи. (Процесс возникновения различий между клетками в ходе органо- и гистогенезов описан в гл. 8). Важнейшая задача биологии индивидуального развития
— выяснение того, какие механизмы обусловливают возникновение различий между клетками в каждом конкретном случае и каковы
общие
закономерности
дифференцировочного
процесса.
Эти
проблемы
разрабатываются
на
молекулярно-генетическом
и
клеточно-тканевом уровиях. ^
„-
Молекулярио-генетический уровеиь деятельности
механизмов клеточной дифференцировки
Генетические
используются
уже
методы
давно
изучения
(см.
гл.
процессов
|),
дифференцировки
а в последние
30
лет
они.
все шире сочетаются с молекулярно-биологическими. Одно из
основных положений, которые молекулярная биология внесла
в эту проблему, состоит в том, что клеточная дифференцировка
основана на различиях в наборе белков (структуриых белков,
ферментов), которые определяют остальные различия между
клетками. Поскольку спектр
белков определяется
набором
.>
,
:
205
фуикционирующих в клетке генов, первопричина дифференцировки клеток
— появление различий в спектрах активиых генов.
Таким образом, молекулярная биология конкретизировала проблему клеточной дифференцировки, акцентировав вннмание на
изучении структуры и функцни генов, точнее на их изменениях
В связи с дифференцировкой и на механизмах, регулирующих
изменення организации и экспрессии генов.
В
связи
с этим
возникают
следующие
вопросы:
Г)
действи-
тельно ли спектр белков в дифференцирующихся клетках становнтся неодинаковым, и если становится, то 2) чем обусловлены
эти различия
— изменениями структуры генов {генома) или же
изменеииями их функций при сохраиенин одинаковой организации генов. Рассмотрим первый вопрос.
Качественные и количественные отличия между наборами
белков в
зали, что
разных типах
подавляющая
клеток. Биохимические
анализы покачасть белков даже у клеток, снльно от-
личающихся по морфологии и функции, качественно не отличается. Это белки, необходимые для жизнедеятельности любой
клетки (из иих построены клеточные оргаиеллы, ферменты энер-.,
гетического обмена, транспорта, обмена веществ). Данную категорию белков общего типа, необходимых любой клетке, назы-
вают иногда
«белками
домашнего
хозяйства».
Качественио
раз-
личается лишь небольшая фракция узко специализированных
белков, каждый из которых присутствует только в одном типе
клеток,
но зато
ков
нужна
не
количественно
для
доминнрует.
поддержания
Эта
категория
жизнедеятельности
_ ток, отчего их иногда называют «белками роскоши»,
носятся гемоглобин в эритроцитах, иммуноглобулины
иммунной
системы,
ках
хрусталика,
ный
альбумин
кристаллины
кератин
в
в гепатоцитах,
эпителия
мышечный
кожи,
актин,
Хотя
белки
чением)
тельные
общего
типа
есть
в
каждой
(за
клет-
сывороточ-
мнозин
миозин, разнообразиые ферменты, секретируемые
кишечный тракт, и многие другие белки.
кле-
к ним отв клетках
волокнообразующих
в клетках
бел-
самих
и тропо-
в желудочноредким
исклю-
клетке, их содержание варьирует, что вносит дополниразличия между клетками. Это относится, например,
к ферментам, которые обусловливают различия в уровнях биохимических реакций. Кроме того, существуют разные молеку-
лярные формы
энзимы,
белок,
одного и того же фермента — изоферменты
изозимы).
состоящий
молекула
Например,
нз двух
фермента
фермент
тинов
содержит
(изо-
лактатдегидрогеназа—
субъединиц
(Аи
4 субъединицы,
В). Каждая
которые
образо-
ваны всеми возможными сочетаниями А- и В-субъединиц. Таких
сочетаний возможно 5 и соответственно в клетках существуют
5 молекулярных форм фермента. Участие А- и В-субъединиц
в образовании
четвертичной
концентраций
этих субъединиц,
выми
.в
куляриых
206
разных
клетках.
форм
структуры
которые
Вследствие
лактатдегидрогеназы
.
.
о
этого
белка
могут
быть неодииако-
этого
зависит
соотношение
в клетках
различно.
..
ть Ез
.
от
моле-
Изо|
.
зимные
формы
характериы
для
миогих
ферментов,
что
создает
зпирокие и тонкие различия между клетками.
Вопрос
о
том,
на
каком
уровне
— структуры
геиов
или
их
фуниции
— определяются
различия в фенотинах диффереицирующихся клеток, возник уже давно. В своей концепции о «неравнонаследствеииом» характере распределения детерминаитов
в ходе клеточных
жил, что наборы
делений при развитин
геиов разных клеток
Т. Морган
к выводу,
пришел
А. Вейсман предполонеодинаковы. Позднее
что состав генов одинаков,
а раз-
лична их функция. Только в последиие 20—30 лет этот вопрос
стал
разрешаться
мических,
экспериментами
цито-эмбриологических
с
и
применением
физико-Хи-
молекулярно-генетических
методов анализа. С их помощью определяется количество ДНК
в разных клетках и сравниваются спектры ДНК и РНК, т. е.
степень общности структуры генов н считываемых с них РНК.
С помощью разиых подходов оцеиивались генетические потенции
ядер
клеток
разиой
степени
диффереицнровки.
Проблему
еще
нельзя считать разрешенной, но уже накоплена обширная ииформация. В нервом приближении выводы из получениых данных подтверждают
конценцию Т. Моргаиа, которая
была,
в частности, основана на хромосомной теории иаследствеиности,
т. е. на идентичности гаплоидных наборов хромосом во всех
дифференцироваииых клетках (в которых их удавалось определить).
Ценная
информация,
свидетельствующая
в пользу
вы-
вода об идентичности спектра генов в разных тканях, получена
и цитогенетиками при изучении политеиных хромосом двукрылых, главным образом дрозофилы.
Политенные хромосомы имеют характерную поперечную исчерчениость,
т.
е.
множество
участков,
которые
отражают
ие-
равномерность распределения ДНК по длиие хромосомы: участки с большим содержанием ДНК — хромомеры (диски) — чё:
редуются с участками с очень иизким содержаннем ДНК (межхромомериые участки, междиски). В результате многочисленных цитогенетических и генетических исследований показано, что
число
дисков
примерно
вотных.
Поэтому
тельно,
если
совпадает
хромомеры
в каком-либо
с
числом
нриравнивают
гене
возиикает
генов
у
к генам.
мутация,
этих
жи-
Действито это
мо-
жет сопровождаться изменеиием морфологии хромосомы, что
позволяет определить на морфологической карте гигантских хромосом гены, ответствеииые за признаки, мутации которых исследовались. В иастоящее время создаиы детальные морфологические и генетические карты гигантских хромосом дрозофилы
(и других организмов). Анализируя политенные хромосомы и
исходя из положения о соответствии между характером распределения дисков вдоль хромосомы и линейной последовательностью генов в хромосомиой ДНК, можно сопоставлять генотипы
клеток
разиых
тканей
(слюнных
желез,
мальпигиевых
желез
желудочно-кишечиого тракта, кожных покровов), где имеются
политениые
хромосомы. Сопоставление дисков в хромосомах
207
этих тканей показало, ито п набор и расположение дисков в хромосомах исследованных тканей совпадают (рис. 85), т. е. дифференцировка разных тканей не сопровождается потерей генов,
Но одного лишь цитогенетяческого подхода для решения данной
задачи недостаточно, так как во многих диффереицированных
клетках ядра находятся в интерфазе и, кроме того, необходим
прямой
анализ
ДНК.
Для
этих
целей
были
использованы
два
теста — количественный и качественный.
ПИ
Слювная
железа
ок
Н|ИЕ
м не и й
|
|
ГР
|
ие
}
ОИ О Ми и
прямая
пишвна
Средняя
кишка
т И ры
|| Сии
|. |
=
ей И т|
ы |} в | | | и ВЕ
органов
личинки
мотыля
(Сигопотиз
чены Участки
208
}
не.
|
|
Рис. 85. Сопоставление дискоидального строения
1еталз).
цитологаческой
3-й хромосомы
Буквами
клеток разных
и цифрами
карты хромосомы
обозна.
Сравнение
количества
ДНК
в ядрах
разных
тканей.
Биохи-
мическими и цитофотометрическими методами показано, что
даже в сильно специализированных в результате дифференнцировки клетках (например, в эритроцитах птиц, амфибий) количество ДНК в ядре не менее чем вдвое превышает его содержание в сперматозоиде и всегда кратно ему. Это означает, зто
в ходе специализации
клеток
количество ядерной
ДНК
не уменвь-
шается. Однако этот вывод следует принимать с учетом точностн методов, который составляет =5 %.
Методом молекулярной гибридизации (см. гл. 2) выяснено,
что ДНК разных тканей одинакова по нуклеотидным последовательностям,
вичной
это
указывает
структуры.
Однако
невелика,
и
10—15
4%
на
сходство
(гомологию)
чувствительность
отличий
могут
им
не
и
их
этого
пер-
метода
улавливаться.
Ана-
лизами установлено, что подавляющая
часть нуклеотидных
последовательностей половых клеток передается всем дифференцированным клеткам. Будущие исследования с применением
более точных методов покажут, есть ли различия между клетками в рамках той небольшой фракции ДНК, которую не удается проанализировать сейчас. Наряду с этим известны отдельные случан некратного изменения содержания ДНК в клетках.
Случаи изменений структуры генома
в ходе индивидуального развития .
Результаты цитогенетических
и молекулярно-гснетических
исследований показывают, что в процессе индивидуального развития механизмы репликации ДНК обеспечивают равное распределение хромосом во всех клетках. Этим
и обусловлено
сходство в количестве и наборах нуклеотидных последовательностей в разных клетках.
В то же время между клетками могут возпикать различия
в содержании ДНК из-за того, что в разных участках хромосомы ДНК может реплицироваться неодиовременно (асинхронно).
Возможны случаи, когда при политенизацин гетерохроматиновая ДНК реплицируется меньшее число раз, чем эухроматиновая. Так происходит, например, в политенных хромосомах
слюнных желез двукрылых. Еще один механизм репликации,
приводящий
к различиям
числа генов
в разных
тканях,— ампли-
фикация. В оогенезе она приводит к многократному увелизёг”
нию числа рибосомальных генов и к различиям по этому гену
между ооцитами, сперматоцитами и соматическими клетками. ^
В последнее время показано, что амплифицироваться могут
(хотя это уникальное явление) и нерибосомные гены. Так, показано, что у ОгозорйЙа тёаповаяег амплифицируется группа
генов,
В
кодирующих
структуру
рассмотренных
белков
хориона
случаях
изменяется
изменение
генома.
яиц,
не
спектр,
а доза
исключить
мута-
генов. Но известны и случаи, хотя и крайне редкие, когда происходит
качественное
.14 Заказ 646
Если
209
.
цни и рекомбинации геиов, которые носят случайный характер
и поэтому не имеют никакого отношения к механизмам дифферепцировки, то заслуживают внимания лишь два типа запрограммированных
качественных изменений генома:
1} пере-.
стройки иммуноглобулииовых генов в связи с дифференцировкой
лимфоцитов,
К
у
р»
2)
случаи
Е
—
|
диминуции (уменьшения) хромати‚пс на и элиминации хромоГ
сом в раннем эмбриогене-
= — Зе некоторых видов.
Уя
455
.
_
о
С
а
5700
Перестройки
иммуноглобулиновых геиов. Им-
фай
Рис. 86. Перестройка иммуноглобулиновогой
тена ‘в ходе дифференцировки лимфоцита.
муиоглобулиновые гены —
единственный, известный
“сейчас
случай,
когда
в
и константную
ходе
У, С — участки,
кодирующие
области
вариабельную’
‘
иммуноглобулинов;
/ — соединительный фрагмент:
1— до.
2— после
дифференцировки.
ерен
дифференцировки
перестраивается
Стрелками
ДИРУЮЩиИЙ
обозначена область, которая
элиминируется
при
дифференцировке. Цифры снизу
— размеры участхоз сформированного
гена
в парах
нуклеотидов
(объяснение см. в тексте)
ген,
ко-
специфический
белок
— антитело.
Эта
м
перестройка
представляет
собой
основу
молекуляр-
но-геиетического механизма дифференцировки лимфоцита (его превращение в специализированную антителообразующую клетку). Суть процесса пе-
рестройки гена показана на рис. 86. Иммуноглобулиновый ген
состоит из множества вариабельных (У) исерии константных (С)
участков, которые в геиоме эмбриональных клеток расположены
далеко
друг
от друга.
В
процессе
дифференцировки
лимфоцита
один из вариабельных (У) генов сближается с константиым (С),
‘формируется ген, кодирующий определенный вид антитела.
Элиминация участков хромосом или отдельных хромосом.
Еще в 1887 г. Т. Бовери обнаружил, что в ходе первых делений
дробления яиц лошадиной аскариды происходит отбрасываиие
‘(диминуция) части хромосом в соматических клетках эмбриона.
В будущих половых клетках сохраняется весь геном. Эти данные
были
использованы
неравнонаследственном
В
дальнейшем
‚диминуции,
было
А.
Вейсманом
распределении
показано,
количество
ДНК
что
в
пользу
генов
в клетках,
действительно
концепции
о
в ходе дробления.
подвергающихся
уменьшается,
но
эта ДНК содержит главным образом повторяющиеся послеловательности. Диминуция хроматина происходит также в ходе
ямервых делений дробления яиц циклопа (Сус1ор$ 5#теппиз).
Имеются случаи элиминации целых хромосом. У комара в
ходе первых делений дроблеиия из соматических клеток элиминируются три аутосомы, а также одна половая хромосома у
самки
и
обе—у
самца.
У
одного
из
представителей
сумчатых
из соматических клеток самки элиминируется Х-хромосома, а
из соматических
клеток
самца
отбрасывается
У-хромосома.
В результате соматические клетки самки и самца сохраняют
по одной Х-хромосоме, а в половых клетках, как обычно, сохра-
:210
а
:
няются
У
нормальные,
насекомых
рода
т. е. ХХ
Зага
(самки)
ббльшая
и ХУ
часть
(самцы)
хромосом
гоноссмы.
в ходе
ран--
него развития также элиминнруется.
Таким образом, уменьшение количества ДНК в геноме в результате запрограммироваиного отбрасывания фрагментов хромосом или целых хромосом (иногда значительного их числа} —
явление, хотя и редко, но все же встречается в раннем развитии
у беспозвоночных (черви, насекомые} и реже у позвоночных.
Из соматических клеток утрачиваются как аутосомы, так и
половые хромосомы
(гоносомы). Первичные половые клетки
сохраняют полный набор хромосом, что естествепно, так как
в
следующих
поколениях
не
было
бы
материала
для
элимина-
ции. Было выяснено, что элиминируются участки генома,
рые не несут информации (сателлитные ДНК и другие
ДНК,
содержащие
часто
повторяющиеся
котовиды
последовательности’
пуклеотидов), т. е. что генотип не изменяется. Однако этот вопрос
(не отбрасываются
ли хотя
бы
отдельные
гены)
нельзя
считеть.
решенным. Причина элиминации хромосом у отдельных видов
неизвестна. Предполагают, что элиминируемая ДНК выполняет
какую-то роль в половых клетках этих видов, а из соматиче-ских отбрасывается за ненадобностью.
Хотя вопрос о связи степени дифференцировки клеток в пропессе индивидуального развития с изменением структуры генома и генов нуждается в более детальном изучении, из того, что.
уже известно, можно заключить, что иабор, стру ктура и рёбв
геноме
генов,
которые
исходно
прелеставлены
В.”
3
положение
зиготе, сохраняются такими же во всех дифференцированных.
клетках. Исключение представляют те случаи, когда в результате
дифференцировки
клетка
специализируется
настолько,
узко, что гибнет, теряя перед этим весь геном (эритроциты
млекопитающих). Эти факты свидетельствуют о том, что фено-типические отличия разных клеток обычно возникают как ре“
зультат дифференциального Финкционирования генов в разных:
клетках, а не их структурных изменений.
ры
поете
мя
еее
=.
Функциональные подходы к оценке
генетических
потеиций
дифференцирующихся
клеток
Для суждения об изменениях генов в ходе дифференциров-ки одних только структурных исследований недостаточно. Паряду с этим проводятся опыты по выяснению генетических потенций ядер соматических клеток. У растений соматическая клетка,
прошедшая’
длительный
путь
дифференцировки,
подобно
половым клеткам, способна развиваться в полисценный организм, т. е. является тотипотентной (рис. 87).
У животных соматические клетки после стадни бластулы
(у многих видов
— еще более ранних стадий), как правило, не
проявляют
свойств
этого
— сильные
14*
тотипотентности.
изменения
И
в
Одна
цитоплазме
Г
главных
Причин
соматической
из
клетки.
:
271
Вопрос сохранения исходных потенций ядер соматических клеток животных решается, в частпости, путем их переноса в цитоплазму яйцеклетки (ооплазму).
Выяснение генетических потенций ядер соматических клеток
путем их переноса в ооплазму. Впервые эксперименты по выяс.
7
пению
1
р
м
3-©
т
`
‚ Созревание
">
она
ны
в”
симуляция,
растаток
с80008т
У
б
,
—
Эмбриогенез
„Развитие
дал
брганозвнез
ему
гантелеобраз-
ро. Дробилась
лишь
та
х.
часть яйца, которая со-
7
держала
ядро.
Когда
дробящаяся половинка
достигла
стадии
16
бластомеров,
Шпеман
8
при их культивировании в снециальных средах:
ослабил
лигатуру
и
пропустил
ядро
ближайшего бластомера в
помещенный
безъядерную
Рис. 87. Тотнпотентноеть клеток корня моркови,
проявляющаяся
корня,
в
питательную
2 — пролифернрующие
клетки
сформировазщийся
одипочной
изолированная
моздний
были осуществлеГ. Шпеманом
на
ную форму; в одной половинке находилось яд-
р
{ — срез
ядер
тритонах
(рис. 88).Нар
кКладывая лигатуру (волосяную петлю} на оп _
лодотворенное
яйцо
(зиготу), Шпеман при-
‚›
—
Развитие
потенций
клеток
(бластомеров)
развивающегося эмбрн-
из
зародьии,
культуры.
из
бое
культуры,
зародыйт,
клетки,
пастенне,
среду,
$ — клетка,
4-— рапиий
7
5
—
— более
взрослое
,
е
яйцеклетки.
началось
в
итоге
ловин
нормальный зародыти.
если ядра каждого из
часть
Там
тоже
дробление,
каждая
из
И
по-
яйца образовала
Ясно, что этого не могло бы
16 бластомеров не содержали
произойти,
бы одина-
ковые наборы наследственных детерминант (генов), достаточных
для развития всех структур зародыша. Таким образом, по крайней мере вплоть до стадии 16 бластомеров ядро по потенциям
эквивалентно ядру зиготы, т. е. тотипотентно.
Рис. 88. Опыт Г. Ншемана по выяснению потенций ядер дробящейся
яйцеклетки тритона. Л, Б — дробление правой (содержащей ядро} половины яйца;
В — пропикновение одного из ядер в левую (безъядерную половину); Гь, Г —
нормальные
312
зародыши,
развившнеся
из
обенх
половинок
яйца
опыты
Однако
эти
более
поздних
на
была
сужатотся ли потенции ядер
ответа на этот вопрос
развития. Для
микрохирургического
переноса
техника
выясняют,
не
стадиях
разработана
ядер
соматических
Впервые систематически такие
опыты
были успешно
клеток
(трансплантации)
проведены
в 50-х
годах
в
яйцеклетки.
5
в
США. Т. Кингом и Р. Бриггсом, а затем широкие исследования в этом направлении развернул английский
биолог Дж. Гердон. Опера-
цни проводились на зародышах амфибий, а впоследстствин на насекомых (дрозофила)
и рыбах. Лишь несколько
процентов
90
следующие
яйцекле-
из клеток
5691
(рис. 89).
раннего
же
набор
в половой клетке.
2. Если в яйцеклетки
реносить
лее
генов,
ядра
поздних
развитие
позднее
бо-
то
останавливается
стадия
донорного
10
Е
30
.
26
п
|
|
1
89.
клеток
!
2
П
5
Пересадка
в яйцеклетки
Гердону,
1977).
на стадии
ядер
3
4
соматических
у амфибий
А — зародьши
бластулы
(донор
(по
Дж.
лягушки
ядра);
Б —
неоплодотворенная яйцеклетка — реципиент (стрелка показывает удаление
жен-
ского пронуклеуса};
вившийся
из
В — головастик, раз-
яйцеклетки
ядром.
с замененным
Па оси ординат
— процент выживших
9с90бей. достигающих стаднй,
указаниых
па оси
абсцисс, как фуикция возраста допора: |
1— бластула,
Л — гаструла.
М! — нейрула,
ТУ — появление мышечной реакции, И — начала
сердечной деятельности и вылупление, УР— ак-
пе-
из клеток
=
Рис.
име-
зародышей,
я
50
2
эмб-
какой
-
в-
риона (бластулы, гаструлы}),
в
определенном
проценте
случаев развиваются полноценные взрослые особи, по
всем признакам пе отличимые от особи, полученной в
нормальиых условиях. Следовательно, до стадин гаст-.
рулы ядра содержат такой
ется
Рг.
70|
1. Если в яйцеклетки амфибий, насекомых, рыб, ядра
которых
предварительно
удалить с помощью микрохнрургической операции или
облучения
(ионизирующее,
ультрафиолетовое),
внести
ядра
|
80 .
ток с пересаженными в них
соматическими ядрамн развиваются
нормально
до
взрослых особей. Основные
результаты
этих
экспериментов
Возраст
деноря
тнвное
плавание
На оси
абсцисс
— стадии
развития:
/—
ранняя гаструла, 2 — нейрула,
3 — плавающий
головастик, 4 — питающийся головастик
на
ранних
зародыша,
развитие опытных зародышей
Как показывает апализ зародышей,
тем
стадиях,
причем
раньше
прекращается
развивающихся
чем
из яйцс-
253
клеток с пересаженными в них ядрами, их клетки содержат
множество хромосомных аномалий. Но это не единственная
причина остановки развития. Ядра дифференцированных клеток не могут перестроить свой аппарат репликации ДНК, которая в них протекает асинхронно, тогда как в дробящихся яйце-
клетках в период синхронных делений вся ДНК
реплицируется
одновременно (см. гл. 4).
В отдельных экспериментах, проведенных Дж. Гердоном и
его сотрудниками на шпорцевой лягушке, удалось получить
полноценные
взрослые
особи
из
яйцеклеток,
в
которые
были
пересажены ядра из дифференцировапных клеток кишечного
эпителия головастика и кожи лягушки. Это показывает, что
дифференцированные клетки в принципе способны сохранить
тотипотентность. Однако таких данных пока крайне мало.
Опыты по трансплантации соматических ядер дали немало
информацин, касающейся деталей ядерно-цитоплазменных отношеннй. Гердон в своих опытах по пересадкам ядер выяснил,
что синтетическая активность клеточного ядра зависит от влияний, исходящих Из цитоплазмы. Так, ядро клеткн головного
мозга взрослой лягушки, в норме совершенно не способное к
дальнейшим
делениям
и
к
репликации
ДНК,
начинает
синте-
знровать ее, будучи пересажено в энуклеированную (лишенную
собствениого ядра) яйцеклетку. Позже в пересаженных ядрах
начинают образовываться различные виды РНК. Для изучения
перестроек функции генов под влиянием цитоплазмы ядра транплантируют также в цитоплазму ооцита. Оказалось, что в этом
случае синтез ДНК не активируется, но изменяется спектр образующихся РНК — прекращается синтез РНК, характерных для
соматических клеток
— доноров ядра и иачинается синтез РНК,
характерный для ооцита, т. е. цитоплазма ооцита определяет
функцию ядра. Необходимо учитывать, что эта способность
цитоплазмы влиять на ядро обусловлена продуктами генов, которые накапливаются на предшествовавших стадиях развития
Дифференциальная активиость генов — основа
клеточной диффереицировки
Фактов, показывающих,
нируют
«дифференциально»,
2
яйна, в оогенезе.
что гены в разных клетках фупкциодовольно
много,
но
большинство
их трудно объясннть однозначно. Наиболее прямым подходом
было бы визуальное определение уровня транскрипции генов
в электронном микроскопе. Пока это удалось сделать для отдельных генов
— рибосомных генов, генов хромосом типа ламповых щеток, а также генов хромосом эмбриона дрозофилы.
На электронограммах отчетливо видно, что активные гепы одновременяо транскрибируются мпогими РНК-полимеризами, причем одии гены транскрибируются активнее, чем другие. Хорошо
различимы и неактивные гены.
.
214
:
т
Другой
показатель
качественные
дифференциальной
и колнчественные
различия
экспрессни
между
РНК,
генов—
синтези-
руемыми в разных тканях, позволяющие оценить долю транскрибирующегося генома.
Доля генома, транскрибирующегося в клетке. Долю генома,
которая транскрибируется в клетке, оценивают на основании
гибридизации всей клеточной РНК с ядерной ДНК. Оказалось,
что независимо от стадии развития эмбриона транскрибируется
порядка
10%
ДНК.
Сравнение разных тканей показало, что
Зо из этих 10% активного генома одинаковы, что согласуется
< данными
ставлена
по сравнению
одипаковым
белков:
набором
во
подавляющая
часть
всех
организма.
клетках
их пред-
Функциональная морфология хромосом. У эукариот с крупными хромосомами о различиях в функциональной активности
генов можно судить по характерным морфологическим признакам соответствующих участков хромосом. Существуют два таких -показателя: различия в плотности хроматина (гетерохроматин и эухроматин) и пуффинг (деспирализания отдельных
хромомер}.
Активация генов проявляется в деспирализации соответствующих участков хромосомы (эзухроматинизация). Однако деспирализованное состояние еще не означает, что данный участок
хромосомы активеи, в то время как гетерохроматиновая морфология всегда свидетельствует о неактивном состоянии генов.
Вместе с тем внутри гетерохроматинового района небольшие
участки хромосом могут быть деспирализованы и активны, ид
не различимы в световом микроскопе. В этих случаях может
казаться, что гетерохроматинизированный участок хромосомы
активен.
Выявить
гетерохроматиновое
или
эухроматиновое
состояние отдельных генов и даже групп генов трудно, поэтому
этот критерий мало результативен, за исключением тех редких
случаев, когда гетерохроматинизируется целая хромосома или
весь набор хромосом. Например, у червеца во время шестого
деления дробления (будущий самец), гетерохроматинизируется
весь
отцовский
набор
хромосом.
Интересно
также
явление
гетерохроматинизации одной из Х-хромосом в половых клетках
самок млекопитающих.
В тех случаях (млекопитающие, насекомые), когда самки
содержат две Х-хромосомы, а самцы только одну, у самок каждый ген Х-хромосомы представлен парой, а у самца
— лишь
одним геном, т. е. клетки самца содержат одинарную дозу каждого гена этой хромосомы. Это неравенство «нивелируется»
у разных видов животных неодинаково. Например, у дрозофилы в клетках самца Х-хромосома функционирует вдвое активнее, чем каждая Х-хромосома у самки. Это явление получило
название
дозовой
пенсации
обнаружен у млекопитающих:
дробяения
в ранисм
яиц
с
компенсании.
генотипом
эмбриогенезе
ХХ
(у мыши
Иной
механизм
активны
дозовой
в оогенезе
обе
ком-
и в период
Х-хромосомы,
на 4-Й день развития}
одна
а
из
215
них гетерохроматинизируется.
За
редчайшим
исключением
(о котором сказано ниже) в каждой клетке эмбриона с равной
вероятпостью гетерохроматинизируется либо отцовская, либо
материнская Х-хромосома. Гетерохроматинизированная Х-хромосома в интерфазном ядре имеет вид плотного стустка, расположенного близ ядерной мембраны,— «тельце Барра». Гетерохроматинизация Х-хромосомы
— признак ее инактивации. 710видимому, это верно в отношенил многих генов гетерохроматинизированных Х-хромосом. Однако есть свидетельства тому,
что какие-то гены таких хромосом (возможно, не всегда) функционируют в клетках женской особи. Так, при полном отсутствии одной из Х-хромосом в клетках жеиской особи (генотип ХО)
происходят серьезные нарушения, известные как сипдром Терпера (см. гл. 8), по если от инактивированной Х-хромосоиы
сохраняется
небольшой
фрагмент
— ее короткое
Тернера не развивается.
Пуффы
(леспирализованные
хромосомах и петли в хромосомах
ливо
демонстрируют
уровень
плечо,
синдром
хромомеры}
в политенвых
типа ламповых щеток отчет-
активности
генов.
В
хромосомах
типа ламповых щеток хорошо различимы зоны петель, в которых происходит активная транскрипция, а между ннми находятся компактные неактивные гены-хромомеры. В ходе развития и функционирования слюнной железы личинок дрозофилы
пуффы
появляются
деленном
генов. ,
и исчезают
в определенпых
порядке, демонстрируя
местах
дифференциальную
и в опре-
активность
Генотип и формирование фенотипа
дифференцирующейся клетки
Белки,
кодируемые
гснами,— лишь
звено в совокупности
фенотипнческих признаков, которые изменяются при дифференцировках. У прокариот апализа спектра белков достаточно, чтобы более или менее полно охарактеризовать фенотип.
У эукариот
большая часть фенотипических признаков проявляется в сложных морфологических образованиях, в физиолого-биохимичсских процессах, в поведенческих реакциях, причинная связь
которых с белками пока плохо прослеживается.
Разнообразная
и сложная
структурная
организация
диффе-
ренцированных клеток во многом определяется особенностями
внутриклеточного скелета и мембран, возникающими под влиянием различных факторов, которые изменяют их коиформацию,
физико-химические и биологические свойства. В качестве примеров сложных
морфогенезов при цитодифференцировке на
рис.
90
показаны
слуховая
клетка
саранчи
и
фоторецепторная
клетка дрозофилы. На первой видны правильные вздутия девдрита, напоминающие ярусы высотной башни. Под поверхностью клетки находятся несколько правильно расположенных
чувствительных члеников. Не менее сложно строение фото215:
рецепторной клетки. Здесь тоже выделяется чувствительный
членик
— рабдомер, к нему примыкает полоска пигментных
гранул, остальная часть клетки имеет дугообразнучо поверхность. Рабдомер ретинальной клетки дрозофилы представляет
собой
серию
постепенно
складок
в
ходе
наружной
мембраны,
формирующихся
онтогенеза
из первоначально гладкой поверхностн.
В
исследованиях
иа позвоночных
эти складки
показано,
что
(которые
появая-
ются в фоторецепторах
глаза)
образуются
как
следствие
воз-
действия на мембрану низкомолекулярного вещества — ретиналя
{эфира витамина А).
Один из важнейших факторов,
изменяющих свойства мембран
дифференцирующейся
клетки, — встраиванпе в них новых
видов молекул, прежде всего
рецепторов, благодаря
мембраны
разных
которым
клеток
при-
обретают
способность
специфически реагировать на малые
концентрации
регуляторов—
медиаторов, гормонов, витаминов {см. гл. 10).
Специфические белки, будучи синтезированы,
тельч
в
своих
ое
время
функций,
мут
своего
ней
организации
процесс
места
может
во времени
вероятно,
могут
не
выполнять
пока
во
не
свои
зай-
Рис. 90, Примеры сложных цитодиффереицировок
(по К. Уоддингтону,
1964. иесколько
ховая
внутрен-
клетки.
быть
от синтеза
имеет
дли-
5
Этот
отделен
белка
и,
упрощенно).
А — слу-
клетка
центорная
саранчи;
} — чувствительная
2
В фоторе-
клетка дрозофилы:
ресничка,
2 — дендрит,
Тло клетки, Яд ядро, 9 рабдомер,
7-— верхушка рабдомера
собствен-
ные регуляторные механизмы.
Несомненно, что в ходе клеточной лифференнировки осуществляется координированиая перестройка самых разных молекулярных и надмолекулярных структур, связанная с движениями молекул, надмолекулярных образований н целых органелл внутри клетки. Какие факторы ответственны за эти сложные изменения?
Соглаено современным представлениям гены определяют
все уровни структурной организации белков, а следовательно,
и их функции и свойства, благодаря которым они участвуют во
всех процессах, определяющих фенотип. Однако, говоря о роли
генов, следует помнить, что клетка всегда возникает из другой
клетки, а не заново из продуктов активности ее генов. Иначе
-
5
говоря, в образовании новой клетки важную роль играет оргапизация материнской клетки, так как мпогие клеточные структуры (например, митохондрии) воспроизводятся на основе предсуществующих. Поэтому механизм клеточной дифференцировки
невозможно понять, ограничиваясь только рассмотрением сзруктуры и экспрессии генов; необходимы исследования и на клеточном уровне, т. е. анализ поведения клеточных органелл, клеток и клеточных популяций. Кроме того, поскольку, как правило,
фенотип
клетки
меняется
в
ходе
дифференцировки
без
изменения (с позиций сегодняшних знаний) генотипа, мехализмы, управляющие дифференцировкой, находятся в освовном на
эпигенетическом (постгенетическом)
уровне.
Это
послужило
основанием для введения понятия элигенотий клетки
— совокупность эпигенетических факторов, определяющих фенотипическое
измененуе
при дифференцировке.
Клеточный уровень проявления
механизмов диффереицировки
Клеточноё деление и дифференцировка. В дифференнировочные процессы вовлекается множество клеток общего происхождения, т. е. механизм дифференцировки в большинстве случаев включает как элемент клеточные деления. Много исследований посвящено выяснению взаимоотношения между делением н дифференцировкой клеток, между отдельными фазами
клеточного цикла и процессами дифференцировки. Обычно эти
взаимоотношения складываются следующим образом. На начальных этапах дифференцировки клетки интенсивно размножаются, а дифференцировочные процессы проходят в промежутках между делениями, преимущественно в фазе @1. По мере
того как клетки становятся все более специализнрованвыми,
частота и скорость клеточных делений уменьшаются, удлиняотся промежуткн
между
делениями
(увеличивается
длительность ©1), а дифференцировочные процессы усиливаются. На
конечных
клетки
этапах
остаются
циализация
(1
завершается.
реицирующихся
образуются
дифференцировки
в фазе
Эта
системах.
однотипные
(или
и
В
деления
прекращежются,
переходят в фазу
схема
действует
результате
разнотипные
во
(0)
н спе-
всех
лиффе-
клеточного
клеткв
общего
деления
проис-
хождения. Во втором случае клеточное деление является обязательным компонентом дифференцировочного процесса, поэтому такое деление называют «дифференцирующим».
Клеточные клоны и дифференцировка.
По мере развития
зародыша в дифференцировочные
процессы
вовлекается
все
большее число клеток. Однажды возникиув, направление дияфФеренцировки в результате детерминации сохраняется в ряду
поколений, несмотря на увеличение числа клеток, формирующих определенную ткань, Один нз важных выводов из этого
состоит
213
в том,
ый
-
что
и элементы
механизма
дифференнировки—
компетенция,
детерминация,
утрачиваются
при
клеточиом
их потомству.
Так
как фенотип,
цировке,
в
делений,
ская
точности
наряду
передается
наследственность
изменений,
клонов.
клетки.
мируются
тканн
что
и
процессе
ин
эпигенотипи-
преемственность
ряду
клеточных
популяции,
это
в
и эпнгенотиличе-
Генотипическая
в
клеткамн
при дифферен-
клеткам
существует
клеточные
оргаиы,—
передаются
дочерним
определяют
происходящих
Считается,
дифференцировки
— не
а
приобретаемый
с генотипической
ческая‘ наследственность
нение
стадня
делении,
клоны,
и сохра-
поколений
из которых
возникшие
из
—^
фор-
единич-
ных стволовых
клеток или клеток-родоначальниц.
Некоторые
зующиеся из
клоны известны давно: это половые клетки, обрапервичных гоноцитов, клетки крови, формнрую-
щиеся из стволовых клеток. Первичные половые клетки генетически детерминированы к превращению в яйцеклетки или
сперматозоиды.
Однако
ских
недостаточно:
потенций
соответствующее
контактные
даже
влияние
этом
случае
их
этих
генотипиче-
реализации
необходимо
окружающих
и дистантные
на эпигенетическом
в
для
уровие.
соматических
взаимодействия,
которые
При
этих условий
отсутствии
клеток,
действуют
может
развиться альтернативный пол, когда половые клетки с мужским набором хромосом превращаются в яйцеклетки, и наоборот (случаи инверсии пола у амфибий, птиц).
Известный советский биолог М. М. Завадовский добился в
этом
направлепии
замечательных
результатов.
Он
удалял
еднн-
ственный функционально развитый левый яичник у взрослых
кур, вследствие чего начиналось компенсаторное развитие рудиментарного правого яичника. Однако ввиду изменившихся условий развитня (в норме яичник формируется в эмбриогенезе,
гормональный статус которого сильно отличается от такового
у взрослого организма} рудиментарный яичник превращается
в семенник, а гоноциты, несмотря на их «женскую» хромосомную конституцию (у птиц ХХ},—в сперматозоиды. Вслед за
этим
у
оперированных
знаки
— голос,
кур
изменялись
соответствующие
вторично-половые
наружные
признаки
прнсамца.
Детерминация
и трансдетерминация в клеточных клонах
имагинальных дисков насекомых. Имагниальные диски оказались
очень
клеточной
В опытах
удобными
объектами
для
исследования
процессов
детерминации, дифференцировки и анализа клонов.
с ними получены результаты, имеющие общебиоло-
гическое значение.
В
лаборатории
нальные
клетки,
швейцарского
диски дрозофилы
и
насекомого.
эти
клетки
Там
инъецировали
имагинальные
дифференцировались,
биолога
извлекали
так
как
для
К,
Хадорна
из личинок,
в
клетки
полость
имаги-
разделялн
Тела
размножались,
их дифференцировки
на
взрослого
но
не
необхо-
дим гормон эклизон, отсутствующий у взрослых насекомых, но
имеющийся в личинках (см. гл. 109). Оказалось, что можно
мпогократно последовательно переносить размножившиеся има-
г
219
гннальные клетки из одной взрослой особи в другую, продолжать культивирование годами и на протяжении всего этого
периода
клетки
клеточную
эту
же
Если
не дифференцируются.
культуру трансплантировать в личинку. в ней появляется способность к лиффереицировке и в большинстве случаев
— в тот
самый орган, для формирования которого клетки были предиазначены в норме, т. ©. в соответствии с их исходным детерминированным состоянием. Инымн словами, состояние детерминации проносится через многие поколения, передаваясь от клетки
к клетке в ходе многочисленных митотических делений.
Такнм образом, на основе этих фактов можно говорить о
урезвычайно устойчивой детерминации потенций каждого нмагинального
диска.
Однако
наблюдения
К.
Хадорна
показали,
что в некотором проненте случаев после длительного культивирования происходит. трансдетерминация: клетки одного джска дают начало другому органу. Так, клетки антеннальгого
диска могут дать начало поге, крылу или глазу; клетки глазного диска
— крылу; крылового диска
— мезотораксу и т. д.
Некоторые тразсдетерминации обратимы, другие— слабо обратимы или вовсе необратимы. Процесс трансдетерминации происходит скачкообразно, без образования промежуточных ферм
При этом для каждого диска существуют предпочтнтельные
паправления
трансдетерминации.
Своеобразной
«ловушной»
оказался
мезоторакс, в который постепенно и необратимо
трансдетерминировались клеткя всех дисков.
Из
этих
фактов
следуют
два
важных
вывода:
1)
детерми-
нированное состояние весьма устойчиво и может без изменений
передаваться потомству иа протяжении многих клеточных делений;
2)
акт
детерминации,
па
крайней
мере
в
имагинальных
дисках, не исключает полностью, а делает крайне маловерсятной дифференцировку в иных направлениях, т. ®. сохраняет эти
потенции в скрытом видечто прямо указывает на то, что детерминация осуществляется на уровне не генотипа, а эпигепотнла.
Из сказанного следует, что клетка данного диска и ес потомство «помнят», к какому диску они относятся. А «знает» ли
каждая
клетка
свое
ставляет ли лиск
предназначение
с самого
ипрованных,
предположим
пию
бедра
лаики,
клетки в случае
что
илн
начала
(в
голени
их отсутствия?
имагинальный
диск
не
внутри
мозаику
диска,
случае
диска
и не
способных
Получено
является
т.
е.
пред-
из клеток, детезминоги),
много
подобной
к
образова-
замепить
другие
данных
о том,
мозаикой
к
его
клетки взаимозаменяемы. Оказалось, что на достаточно ранних стадиях развития диски способны к регенерации в случае
удаления некоторой их части, или же к удвоению своих чёстей
после продольного расщепления. Все это несовместимо с представлепием о строгой мозаичности:
внутри
диска
развитие
носит регуляциониый характер.
В большинстве случаев клоны не удается выявить и изучить при нормальном развитии, так как клетки разных клоров
220
мало отличаются друг от друга или не отличаются вовсе. Выявление клонов возможно, если в стволовой
клетке возникнет
мутация или соматический кроссинговер, вследствие чего весь
клон наследует это изменение в генотнпе. Такое генотиническое изменение может проявиться фенотипически или выявиться
на уровне структуры хромосомы или генома, но оно происходит
редко. Мозаики с генотипическимн различиями между КлеткаМИ
МОЖНО
получать
искусственно.
,
Искусственное получение химерных животных путем слияния зародышей с разными генотипами. В. Тарковский (1961)
и Б. Минц (1962) разработали способ слияния эмбрионов мншей,
в
результате
которого
развиваются
полноненные
«хнмер-
ные» животные, т. е. животные, состоящие из клеток двух генотипов.
Создание
химер
— одно из выдающихся
достижений
современной эмбриологии, внесшее крупный вклад в генетику
и в биологию ипдивидуального развития. Для получения генетических химер сливают зародыши, отличающиеся по генотипу,— чаше всего один зародыш с нормальным, другой —с мутантным генотипом. Мутация подбирается с учетом возможности ее выявления на целом организме или тканях и клетках.
В литературе встречаются три способа обозначения таких животпых
—
«химеры»,
«аллофенные
животные»
и
«мозаичные
жи-
вотные».
Два
Метод слияния
(можно три)
по
генотипам,
освобождают
зародышей состоит в следующем (рис. 91, ^).
эмбриона 8-клеточной стадии, отличающиеся
обрабатывают
из
оболочек,
протеолитическим
Затем
их
ферментом
некоторое
время
и
прижи-
мают друг к другу, что способствует их слиянию. Полученные
двойные (или тройные} зародыши культивнруют некоторое время и затем трансплантируют в матку «приемпой» матерн. В результате такой операции рождаются особи, ткани и органы которых построены из клеток-потомков обоих (трех) эмбрионов,
которые ввиду их генетических
отличий
можно
распознать.
Следует отметить, что масса тела химерных животных не больше, чем у обычных, т. е. в период развития она подвергается
действию механизмов эмбрнональной регуляции (см. гл. 7).
Соматические клетки с разным генотипом в организме химеры иногда равномерно чередуются, свидетельствуя о пропорциональном
участии
клеток
обоих
зародышей
в формировании
клонов для всех органов и тканей. Например, при слиянии
зародышей белой беспородной мыши и мышей с черной окраской (С57ВТ) были получены мыши с равпиомерным чередованнем
черных
и белых
полос
от головы
до
кончика
хвоста.
Каж-
дая полоса
— клон. Чаще клетки с разным генотипом располагаются нерегулярно, что отражает пепропорциональное участие
клеток зародышей в закладке органов и тканей. Это объясняется тем, что проявление пролиферативных и морфогенетических потенций клеток зависит от многих факторов, в том числе
и от генотипа. Зародыши с мутантиым генотипом, как правило,
2
фазвиваются
хуже,
тесняют
компенсируют
или
поэтому
клоны
нормального’ зародыцга
их недостаточно
эффективиое
выучас-
тие в процессе органогенеза. Есть, видимо, миого других причин
непропорциоиального вклада клонов, о которых пока ничего
неизвестно. Несмотря на указанные недостатки, метод получения хнмерных животиых в сочетании с подбором мутантных
,
`
Ы
ма
Ух
м.
`
Рис
9!. Способы
<10с0б,
основанный
по окраске шерстн;
получения
на
мозаичных
слиянии
(химерных,
эмбрионов
аллофенных}
8-клеточной
стадии,
Б — получение ‹инъекционных» химер путем
ток в бластоцель (по Э. Мак Лареи, 1979}
мышей.
А —
отличающихся
введения
кле-
тенотипов внес существенный вклад в проблему клеточных
клонов. Рассмотрим некоторые нз достижений в этой области.
У мышей известна мутация дегенерации сетчатки, которая
проявляется в том, что сетчатка сначала развивается нормально, но начиная с 7-го дня после рождения происходит распад
фоторецепторов. Путем слияния зародышей этого мутанта и
нормальных мышей были получены химеры, анализ сетчатки
которых показал следующее: у мышей наблюдалась дегенераиня не всех рецепторов, а 5 сегментов, перемежающихся с
5 участками, сохраняющими нормальные фоторепепторы. На
этой модели наглядно видно участие клеточных клонов, проис-_
222
ходящих
из нормального
и мутантного
зародышей.
Вывод
таков:
фоторецепторы сетчатки построены из 10 идентичных клонов—
производных 10 клеток-родоначальнии. В химерном животнем
в закладке сетчатки чередуются по 5 клонов нормального и
мутантного зародышей. Аналогично путем подбора соответствующих мутантов были сделаны выводы относительно чиела
клонов, формирующих разлнчные ткани н органы.
Согласно данным разных авторов в формировании каждого.
сомита участвуют по крайней мере два клона, в формировании
печеии
— 20 клонов, проксимальных отделов почечных канальцев —4—5
клонов. Популяция
меланоцитов, расселяющаяся
по
вссму
телу,
закладывается,
по
одним
данным,
34
клетками
(по 17 на левой и правой сторонах), по другим данным, число.
стволовых клеток-родоначальниц меланопитов может быть болье (32—100).
Приведенными
даиными
не
исчерпываются
результаты,
по-
лученные на основании анализа химер. Не столь важно, что
оценки числа клонов, участвующих в формировании органсв,
не очень точны и будут уточняться. Важно, что этот метод
незаменим,
как
подход
к маркированию
клеточных
клонов,
он:
совершенствуется и еще далеко не исчерпал себя.
Широко
используется
«инъекционный»
метод получения
химер, предложенный Р. Гарднером (рис. 91, Б). Метод основан на инъекинн клеток другого генотина, которые принимают
участие
в закладке
части
тканей,
в бластоцель
методом в зародыш клетки удается вводить
эмбрионов, но и более дифференцированные
В
последние
десятилетия
новые
методы
эмбриона.
Этим
не только
клетки.
раннах
выявления
ин
аза-
лиза клоиов, в частности в области экспериментальной эмбриологии и генетики развития млекопитающих и насекомых, позчсилн интерес к клонам. В ряде случаев стали чрезмерно схематизировать процесс развития организма, рассматрнвая его как
набор клонов, а ранние зачатки, иапример зародыщевые лестки,— как совокупность стволовых клеток, каждая из которых
затем
даех
клон.
Очевндно,
не
следует
индивидуальное
разви-
тне сводить к закладке п-ного чнсла клеток-родоначальнил и
далее к появлению из них клонов, взаимодействие которых
создает организм, ибо такой подход чрезмерно индивидуализнрует клетку и не учитывает,
целостная снстема (см. гл. 11).
что
развивающийся
оО
организм—
^
Стабильность дифференцированного
состояния клетки
‘
(о
(ох
Итак, детерминированное состояиие, приобретаемое клеткой,
стабильно и может передаваться в ряду поколений через множество клеточных делений. Возникает вопрос: какова стабильность конечного, дифференцированного состояния клетки, т. е.
состояння, к которому приходнт в результате развнтия детер225
минированная
клетка?
В
норме
дифференцированная
клетка
находится в условиях, способствующнх сохранению ее морфофизиологического состояния н выполнению ее специфической
функции. Однако в нзменившихся условиях это состояние может
измениться. Клетка либо утрачивает признаки дифференцировки, т. е, дедифференцируется, либо может перейти в иное диф-
ференцированное
состояние,— этот
процесс
называют
транс-
дифференцировкой.
Дедифференцировка. Если кусочек или разъединенные клетки дифференцированной ткани поместить в среду для культивирования, они адаптируются к новым условиям. Адаптация
проходит в несколько фаз. Первая фаза
— утрата признаков,
которые оки прнобрели в ходе дифференцировки. Например, в
клетках молочной железы в течение первых суток полностью
прекращается синтез лактозы (молочный сахар), а в течение
6 суток на 80 % снижается образование лактоглобулина (белок
молока). Следующая фаза -— приобретение признаков и физиологических свойств, отвечающих новым условиям. Если условия способствуют интенсивному размножению, клетки
непрерывно делятся. Большинство клеток утрачивают признаки дифференцировки полностью или практически полностью, их основной функцией стаповится размножение. Изменяется и морфологвя
клеток.
Если
дифференцированные
клетки
разнообразны
по морфологии, то клетки, длительно размножающиеся в культуре, независимо от происхождения становятся похожими. При
этом в культуре доминирутот два клеточных тина: 1) фибробластоподобный
и 2)
эзпителиеподобный.
Они
характерны
для
клё-_
ток, длительно живших вне организма в условиях, специально
подобранных для максимального проявления их способности к
размножению. Адаптация к условиям интенсивиого роста сближает клетки не только морфологически, но также бнохимически
и физиологически.
Таким образом, для сохранения дифференцированного состояния необходимо, чтобы внутри организма были условня
для жизнедеятельности клеток.
Об устойчивости
дифференцированного
состояния
клеток
свидетельствует то, что даже вне организма, в условиях, когда
онн лишены регулирующего влияния других клеток и внутренней
среды,
нередко
сохраняются
призиаки
их дифференциации. В нскоторых случаях такие признаки наблюдаются в
непрерывно делящихся клетках (например, синтез коллагена
в фибробластах),
но,
как правило,
их появление
сопровождает-
ся угнетением процесса размножения. Изменяя условия культивирования, можно усиливать либо процессы диффереицировки, либо размножения. Большое значение нмеют состав среды,
особые добавки. Так, в среду для культивирования клеток обычно добавляют (кроме амипокислот, углеводов
и витаминов)
20%
сыворотки
внях клетки
224.
крови
интенсивно
крупного
рогатого
размножаются,
скота.
В
этих
усло-
но не лифференцируют-
ся. В отсутствие сыворотки происходит дифференцировка: изменяются
морфология и биохимия
клеток
в направлеини,
характерном для нейронов. Если в среду снова добавить сыворотку, процессы диффереицировки подавляются. Важный фактор, способствующнй дифференцировке,— условия, важные для
осуществления межклеточных взаимодействий: плотность клеток, культивирование на субстратах (в суспензии клетки лишены
возможности
для
нормального
взаимодействия).
же характер поверхностн субстрата.
Обратимся к некоторым, хорошо
от действия тех или иных факторов
ференцированного
состояния
Малигнизация.
ка
ш
УЁуо
так-
изучениым случаям, когд
зависит стабильность диф-
клеток.
Малнгнизация
— процесс,
утрачивает
Важен
многие
признаки
и
при
котором
свойства,
клет-
которыми
она наделена в норме, выходит из-под контроля регулирующих
систем организма и начинает усиленно размножаться. Малигнизация связана с сильной перестройкой биохимии (например,
резко усилнвается гликолиз), физиологии (изменяется проницаемость мембраи, их рецепторные свойства), хромосом (анэуплоидия, транслокации и т. д.}. Тем не менее многие виды
опухолевых клеток сохраняют некоторые признаки дифференцировки. Среди опухолей наибольшнй интерес для биологии
развития и, в частиости, проблем дифференцировки представтается
с хаотнчной
нов,- которые
могут
дифференцировкой
тканей
возникать
(очеиь
иногда
и зачатков
редко)
орга-
самопроиз-
вольно в семенииках и яичниках. Такие опухоли можно получать искусственно, подсаживая под капсулу почки и других
оргаиов ранние зародыши. В них нарушается иормальное развитие листков и формирование зачатков. Тератомы можно также получить, пересадив кусочек раннего зачатка половой железы (уже содержащей гоноциты) в семенник. В этих условиях
гоиоциты начинают размиожаться, закладываются ткани типа
эктодермы и энтодермы и затем образуются хаотично расположенные ткаии. Наряду
с дифференцироваиными
тератомы
содержат недифференцироваиные клетки. Во многих случаях
формируются дефинитивиые структуры
— зубы, волосы и т. д.
Важным в общебиологическом плане результатом исследоваинй с эмбрнокарциномными клетками
явились
опыты по
получению из ннх нормальных ткаией после пересадки в бластоцисты, т. е, опыты по получению инъекционных химер. Этим
путем в ряде лабораторий, в частности в лаборатории ВБ. Минтц
в США, были получены химерные животные, у которых некоторые
ткани,
иормальные
во
всех
отношениях,
развились
из
` эмбриокарциномных
клеток, инъецированных в бластоцисту.
В опытах Б. Минти и К. Ильменси было показано, что из производных эмбриокарциномных
клеток
могут образовываться
даже
гоноциты,
15 заказ 645
способные
и
.
дать
начало
,
новой
|
особи.
| |
Все
это
225
»
свидетельствует о сохранении у эмбриокарцином потенций не
только к росту, но и к иормальной дифференцировке, несмотря
на продолжительное пребывание в необычных условиях. Информация, получениая в результате исследования тератом, подтверждает
представления
о
высокой
стабильности
системы
цитодифференцировкн, включающей детерминацию и ее воплощение в признаки и свойства дифференцированной клеткы.
Синтез
оа-фетопротеинов
в дифференцированной
клетке.
В конце 60-х годов в СССР Г. И. Абелев и его сотрудники обна-
ружили, что в олухоли печени (гепатоме) появляется необычный белок. Этот белок (независнмо найден и в другой лаборатории в сыворотке плода человека) получил название а-фетопротеина (а-белок плода).
а-Фетопротеин
— специфический белок сыворотки эмбрионов
млекопитающих и человека
— напоминает сывороточный альбумин взрослых. Первоначально он начннает синтезироваться
энтодермальными клетками желточиого мешка, а затем
— клетками эмбриональной печени. После рождения синтез этого белка снижается, практически прекрашаясь к концу третьей недели.
В печени взрослого оргаиизма в норме он не образуется, а в
печени,
превращающейся
в
гепатому,
под
действием
химиче-
ских канцерогенов
(соедииений, вызывающих малигнизацию)
сиитез а-фетопротеииа возобновляется. Он начинает продуцироваться в печени и
или отравленин СС14.
при
ее
регенерации,
после
гепатэктомий
Признаки дифференцированности, проявляемые культивнруемыми
опухолевыми и неопухолевыми клетками
Опухолевые
Фенотипические признаки
клетки
Меланома радужной оболочки и сетцчатки
Тучные клетки
Опухолевые клетки надпочечников
Эритролейкемичные
Глиома
клетки
(малигнизированные
клетки
Образование
ованные
опухоли
мышечные
гипофиза
Нейробластома
Эмбриокарциномные
Нормальные
клетки
дифференцированные
клетки
в
культуре
Клетки
надпочечников
Клетки
сердечной мышцы
Хрящевые клетки
Клетки кожи
Клетки хрусталика
226
специфических
$-100)
глиальных
системы
Сывороточный
Малигнизир
под
действием
гормона
Гемоглобин
Синтез
Гепатома
гормоны
адренокортикотропного
глиаль-
ные клетки)
Клетки
Меланин
.
Гистамин
Стероидные
белков
клеток
(белок
вервчой
альбумин
многоядерных
клеток
миотубов}
Гормон роста
Фактор роста нерва, ацетилхолинэстераза
&-Фетопротени
Фенотипические признаки
Стероидные гормоны
Хондроитинсульфат и коллагеи (специфичный для хрящевых клеток)
Спонтанные ритмические сокращения
Кератин
Кристаллин
`
‘
Меланоциты
^
Пигментсодержащие
Миобласты
.
Клетки
железы
щитовидной
-
меланосомы
Слияние и образование многоядерных
клеток,
синтез
мышечных
белков
{актина,
миозина),
сократимость,
образование мпофибрилл
.
Тиреоидные гормоны
Фибробласты
.
Лимфоциты
Коллаген,
мукополисахариды,
миозин
Иммупоглобулины
'
.
ГЛАВА
МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ
Межклеточные
этапах
10
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
взаимодействия играют важную
индивидуального
развития.
Способы
роль на всех
межклеточных
взая-
модействий весьма разнообразны, но для удобства рассмотрения выделяют два основных — контактные и дистантные. К контактным относятся взаимодействия между клетками посредством
прямых
точные
0,02
мкм.
контактов,
мембраны
К
этой
Непосредственно
контактирующие
обычно
находятся
на
расстоянии
категории
следует
относить
кле-
порядка
и клетки,
распо-
ложенные на большом расстоянии и вступающие в контакт
посредством ворсинок, отростков (нервные клетки). В ряде случаев от клетки отделяются пузырьки, окруженные фрагментом
клеточной мембраны, которые на некотором расстоянии могут.
вступить в контакт с другой клеткой.
В настоящее время выделяется и третий тип взаимодействий клеток, осуществляемый через посредство внеклеточного
матрикса
— вещества, выделяемого из клеток на их поверхность. В этих случаях расстояние между взаимодействующимн
клетками
может
быть
большим,
но
все
же
такие
связи
нельзя
относить к дистантным.
Дистаитиые взаимодействия
осуществляются
посредством
легко диффундирующих в ткаиях и циркулирующих в крови
веществ
— физиологически активных соединений, гормонов.
Контактные
Взаимодействия
тактная
межклеточные
однородиых
ориентировка,
Движение
вз аимодействия
клеток
при
клеток
их движении.
Кон-
в развивающемся
за-
родыше (и во взрослом организме} — один из факторов, способствующих
множеству
изменяющихся
межклеточиых
контактных взаимодействий. Вместе с тем благодаря движению в
контакт могут вступить клетки, расположенные в самых разных частях оргаиизма, Во многих морфогеиетических процессах
отдельные клетки движутся по мембранам, покрывающим клеточные слои. Таковы движения клеток стенки первичной кишки,
ползущих при гаструляции по выстилке стенки бластоцеля, клеток мезенхимы зачатка сердца, движущихся по стенке кишки,
15°
ре
клеток нервного гребня, распространяющихся по внутренней
поверхности эктодермы и по стенке нейрального эпителия, и
многих других типов клеток. Большинство из этих движений
имеет
достаточно
точную
направленность.
Это
можно
объяснить
тем, что решающая роль в ориентации клеточных движений
принадлежит характеру микроскопической структуры поверхности субстрата
— наличию в нем ориентированных пучков мицелл или бороздок. Такие представления возникли благодаря
наблюдениям за движением клеток культур тканей по искусст-
венным
НП.
ных
Вейсс
субстратам.
Более
высадил
культуру
клеток
50 лет
(фибробластов)
назад
эмбриональных
на
каплю
австрийский
биолог
соединительнотка-
плазмы
крови,
которая
перед этим была растяиута как пленка между сторонами стеклянного треугольника. По заксиам физики наибольшая сила
поверхностного натяжения была приложена к пленке по линиям, соедиияющим центр пленки с серединами сторон стеклянного треугольиика, а наименьшая
— по линиям, соединяющим
цеитр пленки с углами треугольника. Помещенные на каплю
фибробласты расползлись к серединам сторон, т. е. по лиииям
иаибольшего
натяжения
субстрата.
Вейсс
сделал
вывод,
что
важны не линии натяжения сами по себе, а то, что вдоль них
ориентируются частицы (минеллы) плазмы крови. Фибробласты ориентировались именно по этнм микроструктурам и двигались
вдоль
них.
То
же
происходило
с фибробластами,
высе-
леннымн на твердую микроструктурнрованную подложку (например на рыбью чешую) —они ориеитировались и двигались
вдоль структур. На неструктурированной подложке, например
на иеиатянутой плеике, фибробласты перемещались беспорядочно.
Позже было выяснеио, что на фибробласт влияет не только
структура плоского субстрата, ио и его кривизна. Так, если посадить фибробласты на виешнюю поверхность капилляра радиусом 54 мкм, они ориентируются вдоль него («избегают» слишком большой кривизны субстрата в поперечном направлении).
И только если взять капилляр радиусом 127 мкм, его кривизна
будет слишком мала для восприятия фибробластами и они расползутся по капилляру во всех направлениях.
Открытое им явлейие ощущения клеткой поверхности Вейсс
назвал «сот{асй ои1Чапсе»
(не вполие точный русский перевод—
контактная ориеитировка). Контактная ориентировка проявляется при движении клетки не только по структурированному
субстрату, но и по поверхности другой клетки. Благодаря контактной ориеитировке могут возникнуть обширные скопления
одннаково ориентированных клеток. Это служит предпосылкой
для закономерно направленных морфогенетических движений.
Возможно, что в какой-то мере приицип контактной ориеитировки играет роль и в определении иаправления роста нервных
волокойи
— аксонов. Аксоиы часто растут иа зиачительные расстояния от тела нервной клетки до рецептора или эффектора,
228
который они иниервируют, или же до другого нервного центра;
при этом они могут безошибочио находить нннервнруемые ими
случае
В
клетки
пересадок
положения.
новые
в
последних
На-
правленный рост аксонов в значительной степени обусловлен
структурой поверхности субстрата, по которому они растут.
Возможно, что кроме того существуют и какие-то специфические
химические
тора,
Механизмы
эффектора
или
распознавания
центра.
В
нервом
настоящее
«своего»
время
рецеи-
их
природа
исследуется. Уже выделен и достаточно хорошо изучен
стимулирующий рост нервных отростков (см. ниже).
фактор,
Другой
тип
взаимодействий,
описанный
в
культурах
оди-
ночных клеток
(эмбриональных
фибробластов},
иазывается
контактной ингибицией. Различают контактное ингибирование
движений, делений и других видов клеточной активности. Так,
при встрече двух свободно движущихся фибробластов под некоторым углом друг к другу тот из них, который соприкоснется
передним полюсом с поверхностью другого фибробласта, немедленно останавливается, а через несколько минут начинает
двигаться
в
обратном
направлении.
Контактная
ингибиция
кле-
точных деленнй выражается в том, что контакты между фибробластами понижают их мнтотическую активность, а освобождение от контактов повынает ее. Механизм этих явленнй не вполне ясен, но предполагают, что первичным звеном служат какие-то быстрые перестройки плазматической мембраны фибробластов, зависящие от установления или разрыва контактов с
соседнимн фибробластами. Вслед за тем появляются признаки
сннтетических
понижения
могут
происходить
генерации,
в
ходе
при
процессов.
нормальном
заживления
ран.
Аналогичные
развитии,
Так,
процессы
а также
известно,
что
при
ре-
.находя-
щиеся на краю раиы эпителиальные клетки активно двигаются
вплоть до смыкания краев раны. Тогда их движение прекращается (они не ползут друг по другу), возможно, вследствие контактной иигибиции,
Взаимодействия разнородных клеток: избирательная сортировка (сегрегация) клеток. В 30-х годах И. Гольтфретер ставил
опыты по смешиванию диссопиированных клеток разных зародышевых листков амфибий. Вначале клетки смешивались беспорядочно и коитактировали друг © другом случайно. Затем,
однако,
происходила
избирательная
сортировка,
или
сегрегация,
клеток: клетки одного листка отмешивались от клеток другого
листка, так что клеточный агрегат вновь становился слонстым.
При этом иногда взаимное расположение соответствовало нормальному, а иногда было извращенным (рис. 92). Так, при смешивании диссоциированных эктодермальных и энтодермальиых
клеток (рнс. 92, А) первые в конечном счете оказываются снае
ружи, а вторы
— внутри
агрегата. При смешивании мезодермальных и эктодермальных клеток все мезодермальные клетки
оказываются
внутри
смешивании
мезодермальных
(рис. 92, Б). То же самое происходит при
клеток
с эктодермальными
(рис.
229
92, В). Если смешать клетки всех трех листков, внутри
ваются энтодермальные и мезодермальные (рис, 92, Г),
Работы
Гольтфретера
послужили
количества
аналогичных
исследований,
типах
эмбриональных
тканей.
В
стимулом
оказы-
для
большого
выполненных
на разных
опытах
смешнвались
клетки,
которые в норме никогда не встречаются:
например, клетки хря-
ща
При
и глазных
зачатков
и многие
другие.
этом
всегда
ее
АХ
че
729
на-
=
Рис. 92. Избирательная сортировка диссоциированных и перемещанных эмбриональных клеток (по НП. Таунсу и И, Гольтфретеру, 1955). А — энтодермальные (светлые) и эктодермальные (темные) клетки; Б — мезодермальные (тем-
ные}
и эктодермальные
зодермальные
дермальные
клетки
(светлые) клетки; В — эктодермальные
(внутри
агрегата);
тировки
и ме-
мезо-
явления
сор-
обнаружено,
что
н энтодермальные (светлые) клетки. Сверху
тельные стадии сортировки
=“.
блюдался
(темные)
(темные),
Г — эктодермальные
феномен
стали
вниз — последова-
«>
отмешивания.
вызывать
после
Особый
того,
как
интерес
было
раховые клетки не способны отсортировываться от нормальных.
С этнм связывают агрессивность раковых клеток, их свойство
активно проникать в разнообразные чужеродные ткани.
Никаких специфических (например, хемотаксических) факторов для ориентировки движений и агрегации клеток, подоб233
.
-
ных акразину слизистых грибов (см. ниже), у многоклеточных
животных В подобных экспериментах не обнаружено.
О возможных
механизмах
этих
явлений
выдвинут
ряд
пред-
положений. Большинство из них сводится к тому, что сортировка клеток
— процесс стохастический. Вначале клетки устаиавливают неизбирательные контакты с любыми соседними клетками, но коптакты с однородными клетками оказываются прочнее
или
же
поверхность
контакта
обширнее,
ми клетками. В результате разпородные
мешиваются. При этом клетки с более
связями концентрируются
лее слабыми связями — па
чем
с чужеродны-
клетки постепенно отпрочными взаимными
внутри клеточных
поверхпости.
агрегатов,
а
с
бо-
Относительно участия процессов клеточной сегрегации в нормальиом развитии существуют разные мнепия. Некоторые авторы приписывают им существеиную роль в морфогенезе, другие
рассматривают их скорее как резервные механизмы, которые
могут упорядочить расположение клеток после его нарушения.
Интересно отметить, что если у низших животных видовая
специфичность
клеток
как
бы
перекрывает
органную,
та
у
выс-
ших животных наблюдается обратное. Уже давно известно, что
если перемешать клетки разных видов губок, они отмешиваются
в соответствии
перемешать
со
клетки
своей
видовой
принадлежностью.
разных
органов
зародышей
питающих,
принадлежащих
мешаются
не
по
видовой
к двум разным
индукция
осуществляется,
Но
или
если
млеко-
видам, то клетки от-
принадлежности,
а
принадлежностью к тому или иному органу.
Контактиые взаимодействия и индукция.
что первичная
птиц
в
соответствии
Уже
с
говорилось,
вероятнее
всего,
лу-
тем диффузии молекул индуцирующих веществ от индуктора
к реагирующей ткани. Участвует ли диффузия во вторичных иидукциях? Чтобы это выяснить, между индуктором и реагирующей тканью вставляли фильтр с канальцами разного диаметра
и извилистости
и исследовали,
при
каких
условиях
произойдет
индукция.
Было обнаружено, что фактор индукции поджелудочной железы (в данном случае индуктором была мезодерма слюнных
желез, но может быть и индуктор другого происхождения) способен распространяться через тонкие извилистые поры. Этот
фактор очишен и состоит из молекул гликопротеида (см. ниже),
которые, видимо, диффундируют в направлении реагирующей
тканн. Показано, что для индуцирующего эффекта он не должен
проникнуть в клетку, достаточно контакта с ее поверхностью.
На другой системе, которая тоже исследовалась при помощи
фильтров (индукиня почечных канальцев из нефрогенной мезенхимы спинным мозгом зародыша), эффект достигался линь
при
установлении
тора.
Это
средством
один
коитактов
из немногих
коптактных
Индукция
через
между
отростками
изученных
межклеточных
посредство
примеров
клеток
рпидук-
индукцин
ло-
взаимодействий.
внеклеточного
матрнкса
типична
для
(гл.
взаимодействий
8)
говорилось,
между
что
эпителием
индукция
и
мезенхимой,
эпителия
зубных
Выше
зачатков
завасит от выделения мезенхимой зубных сосочков коллагеиового слоя. Если подавить синтез коллагена, то даже при наличии контактов между мезенхимой н эпителием последний в зубной зачаток не развивается. По-видимому, многие воздействия
мезенхимы на энтодермальный эпителий, в результате которых
из последнего формируются канальцы желез, также связаны с
коллагеновой
многих
подстнлкой,
индукций
пока
образуемой
неизвестны.
мезенхимой.
Так,
нет
Механизмы
определенных
дан-
ных о механизме наиболее известной и раиее всего открытой
вторичной индукдии
— индукции хрусталика глазным зачатком.
Межклеточные взаимодействия
(а также
взаимодействия
клеток с субстратом) влияют иа самые разные процессы в клетках,
в том
числе
на
синтетические.
Например,
обнаружено,
что
при отрыве клеток эпителия хрусталнка от коллагенового субстрата, к которому они были прикреплены, в них немедленно
понижается
синтез
РНК
и ДНК.
Для
образования
выпячиваний
и веточек эмбрионального легкого или слюнной железы эпителиальные клетки также должны быть подостяаны коллагеиом.
Межклеточные
взаимодействия
и вызываемая
ими
синтезов могут быть неодновременными. Например,
тии зубов индукциониые воздействия на несколько
жают синтез эмали и дентина.
ции
активация
при
лет
развиопере-
Роль межклеточных
взаимодействий
как факторов индукклеточной дифференцировки
и активацни специфических
генов хорошо демонстрируется на примере диссоциированных
клеток сетчатки (ретины) зачатка глаза куриного эмбриона.
Диссоциированные ретинальные клетки дифференцируются яибо в клетки нейронального типа, синтезирующие специфический
фермент
холинацетилтрансферазу,
либо
трансдифферендируются в линзовые клетки, синтлезирующие кристаллины. Как показали опыты Окада и его сотрудников, если диссоциироваииым клеткам дать возможность немедленно агрегировать и
культивировать их в виде агрегатов, в них начинаются процессы, специфичные дяя нейронов (синтез холинацетилтрансферазы), если же клетки культивировать, ограничивая их контакты,
они трансдифференцируются в линзовые клетки( синтез кристаллинов). Несомненно, что во многих случаях микроокружение
{ближайшее
окружение)
клеток
в процессах
развитня
определя-
ет характер их детерминации и дифференцировки, но мехаиизм
этих явлений ясен лишь в общих чертах. Несмотря на многочисленные попытки выделить химические вещества с избирательным индукциоиным воздействием, пока можно указать лишь
на единичные достоверные факты такого рода:
1. Вегетализующий
фактор,
выделенный
Тидеманом,
который
действует на эмбриональную эктодерму и трансформирует ее в
эитодерму.
2. Мезенхимный фактор, выделеиный Раттером из гомоге233
натов целого эмбриона,
ацинарных
клеток
гирующей
ткани
который
стимулирует
днфференцировку
гликопротеид,
Это
железы.
поджелудочной
который индуцирует
пролиферацию и днфференцировку,
не
проникая в клетки. Он должен оказывать свое действие не кратковременно, а в ходе всего процесса дифференцировки апинарных клеток.
3. Гликопротеид, который секретируется клетками хорды,
входит в состав матрикса, располагающегося между хорлой и
сомнтами, и индуцирует хондрогенез в сомитах.
Участие реагирующей ткани в индукционном процессе. «Директивные» и «разрешающие» индукции. Реагирующую на индуктор ткань нельзя представлять себе как бы чистым листом
бумаги, на который индуктор накладывает информацию о возникающем органе: реагирующая ткань всегда сама принимает
большее или меньшее участие в выработке индуцированной
структуры. В еще большей степени это относится ко вторичным
индукциям. В зависимости от степени участня индуктора и реав выработке
окончательной
модели
индуциру-
смого органа фниский эмбриолог Л. Саксен предложил разделить индукционные процессы на «директивные» и «разрешающие».
При
директивных`”ИЙДукциях
иидуктор
вызывает
образова-
ние в ткани таких структур и синтез таких молекул, которые
не были «предусмотрены» историей развития реагирующей ткани.и никогда бы не возиикли в ней без индуктора. Наиболее
яркий
пример
директивной
индукцни
— первичная
иидукция
центральной нервной системы из эмбрнональной покровной
тодермы. К директивным индукциям можно отнести также
дукцию
или
эмаяевого
индукцию
рективных
органа
кожных
зуба
мезенхимой
придатков
дермой.
индукций
— по большей
части
зубного
Объект
сосочка
действия
эмбриональная
экиндиэкто-
дерма.
Индукции, направленные
на мезодерму, являются
обычно
разрешающими. Это означает, что оии эффективно действуют
лишь на заранее подготовленную ткань, Например, мочеточник
или спинной мозг вызывает иидукцию почечных канальцев только в мезенхиме тазовой почки и пи в какой другой. Эпителиальная часть зубного зачатка стимулирует синтез дентина только в мезенхиме зубного сосочка. Видный эмбриолог Б. И. Балинский
открыл
удивительный
факт
индукции
допоянительной
конечностн слуховым пузырьком, пересаженным на бок зародыму тритова. При этом конечность возвикла только из мезенхимы боковой области, а в головной мезенхиме тот же слуховой
пузырек (как это установил раньше Д, П. Филатов) вызывал
образование другого органа — слуховой капсулы.
При развитии производных энтодермы (см. гл. 8) наблюдаются как директивные, так и разрешающие индукции. Как правило, вторые наступают вслед за первыми.
При разрешающих иидукциях важная роль реагирующей
—
233
ткани не подлежит сомнению. Однако и прн директивных индукциях реагирующая ткань нграет далеко не пассивную роль. Это
особенно четко выявляется, если индуктор и реагирующая ткань
взяты от разных видов или классов животных. Структура иидуцированного образования всегда определяется генотипом реагирующей ткани, а не индуктора. Известно, например, что передняя часть выстилки глотки амфибий индуцирует образование
из покрывающей ее эктодермы ротовых придатков, имеющих
разное строение у бесхвостых и хвостатых амфибий. Если передний конец глотки зародыша тритона накрыть брюшиой эктодермой зародыша лягушки, то из трансплантата формируются
ротовые
придатки
головастика:
ряды
роговых
зубчиков
на
нпе-
реднем конце тела тритоиа. Таким образом, индукционные воздействия от переднего конца глотки зародыша тритона были
«прочитаны» траисплантатом в соответствии с его собственным
генотипом.
,
Дистантные
|
межклеточные
:
взаимодействия
Непосредственные контакты клеток и контакты, опосредованные матриксом, не могут обеспечить все усложняющиеся по
мере развития структурные и физиолого-биохимические взаимосвязи между клетками и тканями. Кроме них выработался механизм, обусловливающий
дистантное взаимодействие
между
клетками посредством специальных факторов. К числу последних относится аттрактивное (хемотаксическое} вешество
— фактор агрегации акразиевых грибов, фактор роста нервных отростков, различные нейромедиаторы дистантного действия, гормоны и т. д. (см. ниже). Эти факторы отличаются по характеру
и механизмам действия, которые не во всех случаях хорошо изучены.
Из
низкомолекуляриых
веществ,
выполняющих
роль
но-
средников дистантных взаимодействий между клетками, иаиболее хорошо изучен фактор агрегации миксамеб у акразиевых
грибов.
Фактор сближения и агрегации миксамеб у акразиевых грибов. Строго говоря, этот пример не относится к проблеме межклеточных
пых,
взаимодействий
поскольку
образным
модель
для
в
акразиевые
индивидуальном
грибы
— низшие
жизненным
циклом.
Однако
изучения
возможеЫХ
ови
способов
развитии
растения
весьма
живот-
со
свое-
удобны
как
дистантных
взаимо-
действий клеток, обусловливающих интегративные связи между
отдельными клетками. Развитие этих организмов начинается
с прорастания
спор
и образования
мигрирующих
клеток—
миксамеб, которые затем агрегируют, образуя так называемый
псевдоплазмодий. Вещество, концентрация которого определяет
постепенное сближение и агрегацию миксамеб с образованием
мигрнрующего
слизевика
или
плодового
тела,
ранее
называв-
шееся акразином, как теперь выяснено, представляет собой циклический 3’, 5”-аденозинмонофосфат (3’, 5'-цЦАМФ). Каждая микс234
амеба выделяет цАМФ
не непрерывио, а импульсами, следующи-
через
другим
за
один
ми
и передающимися
мин
5—8
одной
Разбе-
к слипаиию.
способность
в них
индуцируя
их агрегации,
от
не только ориентирует
и создает условия для
миксамебы к другой. При этом цАМФ
движение амеб к центру агрегации, но
рем подробнее, как это происходит.
Сначала в популяции миксамеб выделяются отдельные амебы-инициаторы, которые начинают продуцировать цАМФ. ЦдАМФ
диффундирует в среду и достигает обращенного к инициатору
ближайшего полюса соседней миксамебы (назовем ее амеба 2).
Как только это произошло, амеба 2 продвигается в направлеиии, откуда был выделен цАМФ. Прибяизившись к амебе-инициатору, амеба 2 через 5—8 мин сама выделяет порцию цАМФ,
же
таким
которую
на
т. д. По-
3, и
амеба
реагирует
образом
скольку амеба-инициатор окружена плотным скоплением амеб,
то имеется не одна, а целое кольцо равноотстоящих от нее амеб 2,
амеб
кольцо амеб Зи т. д. Эти кольца
циатору толчками с промежутками 5—8
собираются
все
амебы
меб
воспринимать
продвигаются
мин. В конце
к иниконцов
Способность
микса-
в псевдоплазмодий.
по-
обусловлена
сигнал
как
цАМФ
действие
анти— ов
‚явлением на их поверхности специфических репептор
генов гликопротеидной природы (подробнее о рецепторах см.
приготовить
ниже).
Если
геиам
и обработать
ими
агрегировать.
По-видимому,
способиы
агрегировать.
анти-
способность
утрачивают
они
клетки,
к этим
антитела
специфические
не менее трех видов гли-
имеется
мутантные
Выделены
эту роль.
выполняющих
копротеидов,
виды миксамеб, которые не содержат поверхностных антигенов
и
не
Низкомолекулярные стимуляторы физиолого-биохимических
процессов. Существует множество разных по структуре и мехасоединений,
вырабатываемых
деятельность
одноклеточных
лых
многоклеточных
регуляторами,
или
физиологически
низкомолекуляриых
действия
низму
клетками
соедипениями,
и взрос-
процессов
клеткой
выделяемыми
самой
внутри
в
быть
могут
вещества
Эти
организмов.
физиологических
жизне-
эмбрионов
клеток
форм,
активных
и регулирующих
среду,
или
клетки,
откуда
онн
действуют через рецепторы мембраны на эту же или на другие
клеткн. В последнем случае они выступают в роли посредника
межклеточных взаимодействий. В отличие от матрикса эти веспособны
щества
диффундировать
и оказывать
свое
влияние
на
некотором (более значительном, чем толщина матрикса} расстоянии от секретировавшей клетки. От гормонов они отличаются тем (см. ниже}, что область их действия ограничена небольшим
участком
ткани,
тогда
как
гормоны
разносятся
крово-
током по всему организму. По этой прнчине такие физиологически активные регуляторы иногда пазывают локальными гормонами. Среди них особый интерес представляют соединения
тина
ны
в
— ацетилхолин,
нейромслиаторо
(норадреналин, дофамин,
серотонин
н
катехолами-
адреналин), роль которых в нейро235
гуморальной регуляции взрослого
Оказалось, что соединения
этого
гими
одноклеточными
организма хорошо известна.
типа вырабатываются
мио-
организмами,
беспозвоночными
животны-
ми и клетками эмбрионов задолго до формирования нервной системы, Их возможная роль как посредников межклеточных взаимодействий еще не совсем ясна. Однако существует иемало
Дданиых, позволяющих считать, что они могут выступать в роли
факторов, определяющих уровень физиолого-биохимической активности (дыхание, интенсивность синтетических процессов) и
пролиферации
клеток.
|
Гормоны
Гормоны
— это соедииения, которые вырабатываются спецнализированными клетками (клетками эндокриниой системы}
и оказывают самые разные воздействия иа процессы пролиферации, дифференцировки и функционирования клеток. В отличие от физиологическн активных соединеннй типа медиаторов,
вырабатываемых в раннем эмбриогенезе неспециализироваиными (для их сиитеза) клетками, гормоны, а также нейромедиаторы, действующие на более поздних этапах иидивидуального развития (и во взрослом оргаиизме), являются продуктами активности узкоспецнализированных видов клеток. По этой причине
тормоны образуются на поздних стадиях развития, когда завершается процесс дифференцировки этих клеток,
Химическая природа гормонов. В химическом отношении гормены
представлены
двумя
типами
веществ:
1)
белково-пептид-
ными и 2) стероидными. Существует также группа гормонов,
образоваиных из амннокислот, различиым образом модифицированных,
Ннже перечислена
небольшая
группа
хорошо
изученных
белково-нентидных гормонов.
Инсулин
— белок из 52 аминокислот, вырабатывается в поджелудочной железе, регулирует уровень сахара в крови.
Тимозин
— белок
из
105 аминокислот,
вырабатывается
тиму-
сом, регулирует пролиферацию лимфоцитов.
Паратиреоидный гормон
— белок из 84 аминокислот, вырабатывается паращитовидной железой.
Пролактии
— белок с молекулярной массой 25 тыс., вырабатывается в передней доле гипофиза, регулирует секрецню молока в молочной железе.
Гормон роста, соматотропин
— белок из 188 аминокислот,
вырабатывается в передней доле гипофиза, стимулирует пролиферацию клеток и белковые синтезы,
Тиреотропин— гликопротеид с молекулярной массой 30 тыс.,
вырабатывается в передней доле гипофиза, стимулирует рост и
дифференцнровку
щитовидной
железы,
Адренокортикотропный гормон
— пептид
синтезируется в передней доле гипофиза.
- 236
,
.
из 39
аминокислот,
Окситоцин,
вазопрессин
— циклические
кислот, сиитезируются
нептиды
из 9 амино-
в задней доле гипофиза.
Особую группу образуют релизинг-гормоны— факторы высвобождения гормонов из вырабатывающих их клеток. Они представлены
короткими
пептидами,
вырабатываемыми
клетками
гипоталамуса.
Функции некоторых стероидных гормойов приведены в табл. 5.
Таблица 5. Характеристика
Стероид
Главный
Эстроген
некоторых стероидных
источник
ка
Яичник
.
НЫ
и
гормонов
Гормональная
функция
Матка, влагалище, | Развитие женских погрудная железа, | ловых признаков
:
гипоталамус
Тестостерон
Семенник
-
,
Альдостерон
Кора надпочечника | Почка
ния энергий
Регуляция
баланса
электролитов
„5 {}
Холестерин
Пища,
Метаболический
пред-
|
`| Семенные
пузырь- | Развитяе мужских
по-
ки, простата,
се- | ловых признаков
меннии
Прогестерон°
|Яичник, плацента | Матка, яйцевод | Сохранение
беременности
Гидрокортизон | Кора надпочечника | Все клетки
Регуляция использова-
печень
.
Ы
Неизвестиы
|
Ра
шественник всех сте-
НЫ
.
рондов
.
-
`
р
.%
Молекулярный механизм действия гормонов. Специфичность
гормонов выражается в том, что каждый гормои действует на
определеииую категорию клеток, способиых восприиять его
эффект
(«ткани-мишени»),
Одии
и тот
же
гормон
может
иметь
множество мишеней и, иапротив, одиа и та же клетка может
быть мишенью не одного гормона (особеино в разиые фазы
физиологического или дифференцировочиого состояния).
В иастоящее время установлеио, что непремениым и первичным звеном мехаиизма действия любого гормоиа является
рецептор
— белковая молекула снецифической конформации, находящаяся в клетке-мишени. Именно рецептор делает клетку
мишенью данного гормона. По существу, молекула гормона и
молекула рецептора — одиа система, конформационио подогнанная (подобно ключу и замку), но вырабатываемая разными и
находящимися далеко друг от друга клетками. Обладая взаимным сродством, они легко взаимодействуют, обеспечивая дистантные взаимодействия вырабатывающих их (т. е. гормон и
рецептор) клеток. Если гормон имеет не одии, а несколько типов
клеток-мишеией,
вующие
тельность
то
клетки-мишени
которой
в процессе
его
действия
все
интегрируются
в единую
систему,
координируется
клетками,
дея-
вырабатывающими
гормои. Поскольку такие клетки сами иаходятся
а
соответст-
ы
„—
под контролем
237
часто других гормонов или иервной системы, в координацию
в
конечном счете вовлекаются все типы клеток организма.
В настоящее время выяснены многие деталн молекулярного
мехаиизма действия гормонов. Сначала как пептидные,
так и
стероидные гормоны присоединяются к рецептору (образуется
гормон-рецепторный комплекс), но этот процесс
для тех и других гормонов
иеодинаков.
Рецепторы
пептидных
гормонов
(рис. 93} локализованы на поверхиости кле
— ток
погружены в
циклоза
ТАденолат-
Эндокринная
железа
—
Клетка
_
Ферменты,
проницаемоств
1
Рис. 93. Схема
действия
ЦАМФ
«Физиолвгический»
цептндных
гормонов,
и т.д
ответ
опосредованного
(из М. С. Мицкевича, 1978)
плазматическую мембрану, тогда как участок, связывающий
гор-
мон, выступает над ней. С внутреиней стороны мембраны к рецептору примыкает фермент аденилатциклаза, который катализи-
рует образование циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ). Для многих гормонов
(адренокортикотропный
гормон, глюкагон, лютеинизирующий гормон) показано, что их
взаимодействие с рецентором сопровождается активацией каталитнческой функции аденилатциклазы, очевидно, в результате
изменения конформационного состояния каталитического пеятра фермеита. В результате в клетке быстро увеличивается кон-
центрация
ЦАМФ,
который,
в свою
очередь,
служит
посредни-
ком между многими ферментами, фосфорилирующими определенную группу белков и изменяющими их свойства и тем самым
свойства
клетки.
В описанном
механизме
ЦАМФ
выполняет
роль
важнейшего посредника. Помимо аденилатциклазы в клетке
содержится
фермент
фосфодиэстераза,
который
разрушает
цАМФ, переводя его в АМФ. Таким образом, количество ЦАМФ
в клетке зависит от активности двух ферме
— нтов
аденилатциклазы и фосфодиэстеразы, причем активиость первой регулируётся гормонами, В этом механизме существует еще много
238
’
неясных деталей. Так, иисулин в отличие от перечисленных
выше гормонов не активирует, а ингибирует (там, где есть его
рецептор) аденилатциклазу.
Рецепторы стероидных гормонов локализованы не в меёмбране, а в цитоплазме, и сами гормоны в этом случае проника— свойют внутрь клетки (рис. 94}. Они растворимы в липидах
ство, которое, по-видимому, как-то связано с их способиостью
Капипляр
Клетва - мишень
те
0253
и
.
ф Стероид
ибный
Е.”
АкПИбНЫИЙ:
. ровияи М
белек
|
Физиолоиие
эффекта!
Апорецептор
И
Рис. 94. Схема
действия
стероидных
гормонов
(из М. С. Мицкевича,
1978)
проникать в клетку через мембрану. Проникнув в клетку, мояекула гормона соединяется с рецептором, конформация которого
измеияется. Не все детали изменений, претерпеваемых редцептором, связавшим гормон, выяснены, ис так или иначе редентор приобретает способность проникнуть (в форме гормон-рецепторного комплекса) в ядро, где он связывается с хроматином. Предполагается, что каждый гормон-рецепторный комплекс
имеет сродство к определенным локусам хромосом, взаимодействуя с которыми, он активирует в них транскрипцию. Многочисленными
нов
экспериментами
(например, ЗН или
гормона
из
цитоплазмы
с
использованнем
“С эстрадиола)
в ядро
вплоть
меченых
прослежены
до
хроматина
гормо-
этапы пути
и
показано,
что вслед за проникновением гормона в клетке активируется
траискринция, повышается уровень синтеза РНК и измеияется
спектр синтезнруемых РНК. Оказалось, один и тот же гормон
одновремеиио
индуцирует
синтез
многих
видов
РНК,
в том
чис-
ле рибосомных. Это означает, что стероидный гормон действует
подобно эффектору, индуктору генной активности, инициируя
действие сразу большой группы генов. Сейчас еще неизвестио,
каким образом гормон-рецепторный комплекс активирует гены,
что определяет его специфичность и т. д. Показано, что меченый
гормон-рецепторный комплекс имеет сродство к хроматину, присоединяется к нему,
входя в состав
фракции
негистоновых
ПР
я
(г
.
ы
239
белков. Поэтому есть предположение, что он как-то действует на
негистоновые (кислые) белкн хроматина, а последниё активируют траискрипцию. Однако это пока лишь гипотеза,
Таким образом, кратко рассмотрев вопрос о`молекуляриых
механизмах действия гормонов, следует подчеркнуть существенно
разный
мехаиизм
действия
пептидиых
и стероидиых
гор-
монов. Первые (кроме того, что они не проникают в клетку и их
рецепторы вынесены на поверхность), изменяя активность ферментов, фосфорилирующих белки (киназ), действуют в основном на физиолого-биохимические и, возможно, на структурноморфологические свойства цитоплазмы, Стероидные гормоны
влияют на хромосомы, регулируя геиную активность. Однако
следует отметить, что сфера деятельности пептидных гормонов
шире и включает ядерные процессы. В частиости, известно, что
фосфорилироваиие-дефосфорилирование
(с помошью
киназ)
ядерных белков (гистонов, негистоновых белков хромосом} изменяет функцию хромосом, в том числе их транскрипционную
активность и интенсивиость процессов трансяяции и т. д. Следовательно,
прямо
или
косвенно
оба
типа
гормонов
регулируют
процессы
индивиду-
функцию. генетического аппарата клеток.
Некоторые
гормонально
регулируемые
ального развития. Гормоны и другие химические регуляторы роста и развития действуют на энергетику, биосинтез нуклеиновых
кислот и белков, пролиферацию, дифференцировку и специализацию клеток. Гормоны, влияющие на индивидуальное развитие,
можно подразделить на 2 группы в зависимости от их источника:
1. Гормоны, сиитезируемые в материнском организме, среди
которых существенна группа гормонов, регулирующих репродуктивную функцию (процессы гаметогенеза, овуляции, и раннего эмбриогенеза). У млекопитающих ввиду внутриутробного
характера развития эти гормоны, проникая через плаценту, могут оказывать воздействие не только на процессы гаметогенеза,
но и на зародышевое развнтие.
2. Гормоны, вырабатываемые эндокрннной системой развивающегося оргаиизма и регулирующие рост, дифференцировку
и специфическую физиолого-биохимическую деятельность кяеток на конечных этапах их дифференцировки.
Гормональный
витня.
Оогенез
клеток
носят
контроль
процессов
н сперматогенез.
циклический
или
предзародышевого
Процессы
сезонный
созревания
характер.
И
раз-
половых
парамет-
ры циклов, и сезонная активность гаметогенеза регулируются
гормонами, продуцирующимися яичником и семенником. В свою
очередь гормональная активность гонад находится под контрояем гонадотропинов
— гормоиов гипофиза, Благодаря систем‚ной регуляции гормонами гаметогенез и процессы созревания
ооцитов скоординированы с деятельностью всех гисто-физиологических элементов половой системы, включая подготовку и
синхронизацию процессов, обеспечивающих оплодотворение со240
зревших
половых
продуктов
ау
млекопитающих
—
подготовку
словий, необходимых для эмбриогенеза). В оогенезе гормоны
в наибольшей степени коитролируют период большого роста
ооцитов, их созревание и овуляцию (см. гл. 3).
|
Гормональиый
контроль
некоторых
органогеиезов
и
гисто--
генезов. В период закладки зародышевых листков и зачатков
основных органов собственные гормоны еще не продуцируются
эмбрионом и регуляция процессов развития осуществляется в
результате
индукционных
взаимодействий
контактнрующих
клеток и клеточных слоев. Во время органо- и гистогенезов появляются
гормоны,
роль
которых
постепенно
возрастает.
Роль.
гормоиов в органо- и гистогенезах хорошо изучена не во всех
случаях, но есть основания полагать, что все органы и тканевые системы на том или ииом этапе своего развития испытывают их регулирующее действие, необходимое для координированного роста, цитофизиологической дифференцировки и функционирования. Рассмотрим некоторые примеры органо- и гнстогенезов, в которых роль гормонов хорошо продемонстрирована.
Роль гормонов в развитии репродуктивных оргаиов. Развитие
мужских и женских репродуктивиых органов (см. гл. 8}, гонад..
системы выводящнх протоков и наружных половых органов.
представляет собой хороший пример гормонального контроля
оргаио- и гистогеиезов. Рассмотрим, как осуществляется этот’
контроль у млекопитающих.
У
млекопитающих
гормоны
определяют
развитие
только
си-
стемы протоков репродуктивных органов самца; при отсутствии
гормонов во всех случаях (в том числе и у геиетически детерминированных самцов) развивается женская система протоков,.
т. е. из мюллерова протока формируется яйцевод, а мезонефрос
и вольфов проток дегенерируют. В развитии мужских выводящих протоков играют роль два гормональных фактора, вырабатываемых клетками эмбрноиального
семенннка:
тестостерон,
продуцнруемый
интерстициальными
клетками
(клетки Лейднга),.
и фактор, продуцируемый клетками Сертоли. Тестостерон
— ответствен за развитие семявыносящего протока из вольфова.
канальца и наружных половых органов, а фактор, вырабатываемый клетками Сертоли,— за дегенерацию мюллерова протока
(при его отсутствии мюллеров проток у самца сохраняется).
В развитии женских половых протоков гормоны не участвуют. Предполагается, что такой принцип (зависимое от гормонов
развитие мужских и иезависнмое от гормонов развитие женских
протоков)
служит приспособлением,
связанным с внутриут-робиым характером развнтия млекопитающих, у которых женские
гормоны
тываются
легко
в самой
проникают
плаценте.
через
Если
плаценту
и
даже
на половую дифференциацию, они бы препятствовали
репродуктивных органов самцов в утробе матери.
Таким
образом,
16 Заказ 645
.“
развитие
.
выраба-
бы гормоны-эстрогены
характерных
"°
для
самца
влияли.
развитию:
репродук24}:
тивных
органов
ствием
двух
связано
факторов:
<ти гена У-хромосомы
клетки мозговой части
к
образованию
с совокупным
последовательным
генетического,
т. е. продукта
1)
дей-
активно-
(Н — У-антиген), который
стимулирует
недифференцированной половой железы
канальцев
семенника;
2)
гормонального
— те-
стостерона и фактора, вырабатываемого клетками Сертоли, которые побуждают вольфов проток и верхний отдел мезонефроса
к формированию снстемы семявыносящих протоков; одновременно эти гормоны вызывают дегенерацию мюллерова протока.
В
дальнейшем
под
влиянием
тестостерона
развивается
и систе-
ма наружных половых органов самца.
Развитие молочиой железы. Развитие молочной железы и
индукция в ее альвеолах синтеза и секреции молока также представляет собой яркий пример сложной гормональной регуляции
процесса развития органа и его гисто-физиологического и фуикционального созревания. У новорожденных животных (или человека} млечные железы представлены еше недоразвитой системой протоков
— эктодермальными углублениями в подлежащую
мезенхиму.
С
наступлением
половой
зрелости
в крови
повыша-
ется уровень эстрогена, который индуцирует дальнейшее разветвление и увеличение массы протоков железы. Но окончательная
тисто-цитологическая дифференцировка и формирование секретируюших альвеол в конечных отделах протоков происходят в
пернод беременности под влиянием большой группы гормонов —
прогестерона, пролактина и лактогена, а в дальнейшем
— в период кормления
— высокий уровень пролактина
поддерживает
процесс лактации.
Гормональная регуляция системы синтеза компонентов яйца
в яйцеводе птиц. Железистые клетки яйцевода нтиц
— хорошо
‘изученцая модель гормонального коитроля за гисто-физиологи‘ческой дифференцировкой сиитеза специфических белков. Детальная морфологическая дифференцировка клеток, вырабатывающих,
например,
овальбумин
(яичиый
белок),
начинается
лишь в период половозрелости под влиянием гормонов. В яйнцеводе птиц последовательно расположены отделы, в которых клет‚ки специализироваиы на секрецию разных составных частей
сложной
оболочки
яйца,— белка,
подскорлуповых
оболочек,
скорлупы. В яйцеводе неполовозрелых животных эти отделы
не функционируют. Однако, если животным ввести эстроген,
клетки эпителия яйцевода пачинают пролиферировать и диф‘фереицироваться, образуя трубчатые железы. В свою очередь
клетки желез синтезируют и секретируют компоиенты яичного
“белка. Эстроген вызывает также дифференцировку специализированных клеток следующего отдела
(гоблетовские клетки),
синтезирующих овидин, но для индукции его синтеза необходимо присутствие прогестерона. В настоящее время хорошо изу‘чены молекулярно-биологические аспекты индукции и синтеза
‚овальбумина, детально исследована структура и экспрессия ге‚на этого белка.
242
4
‘
Гормональная
регуляция
метаморфоза
амфибий
и
насеко-
мых. Развитие имагинальных органов при метаморфозе амфибий, насекомых и их гисто-цитологическая дифференцировка
регулируется гормонами
— тироксином и трииодтиронином, которые секретируются шитовидной железой под воздействием
тиреотропина— гормона передней доли гипофиза.
В конце личиночного периода развития, видимо, под влиянием виешиих
факторов
уже
имеющийся
в крови
в небольшой
кон-
центрации
тиреоидный
гормон
стимулирует в гипоталамусе
синтез тиреотропин-релизинг-гормона, который в свою очередь
возбуждает секрецию тиреотропина в передней доле гипофиза,
а последний усиливает секрецию гормонов шитовидной железы.
Затем следует новый цикл стимуляции, в результате чего достигается ступенчатое повышение уровня тиреоидного гормона,
регулирующего процессы метаморфоза. Постепенное повышение
уровня гормонов важно для координированной индукции многочисленных процессов резорбции, а также для новых синтезов,
которые происходят в разных частях тела. Следует обратить.
внимание на то, что координацию разнонаправленных процессов распада, синтеза, морфогенеза и т. д. обеспечивают всего
два гормона довольно простого строения. Это хорошая модель
для изучения механизмов и факторов, определяющих специфичность гормональной
регуляции.
Каким образом один гормон может обусловить множество
разных процессов дифференцировочного, морфогенетического и
физиологического
плана?
В
настоящее
время
известно,
что
это-
возможно при условии, что в каждой клетке или ткани, в которой индуцируется изменение, подготовлена программа этих взменений в результате предшествовавшей деятельности генетического аппарата и, в частности, программа появления системы
рецепторов и других внутриклеточных факторов, приводимых в
действие гормон-рецепторным комплексом (см. выше). Эти факторы, в частности рецепторы, появляются непосредственно перед
метаморфозом и, видимо, их количество наращивается постепенно, поэтому необходимо также постецениое увеличение концентрации гормона, индуцирующего метаморфоз. Если ввести
большое количество тиреоидного гормона в самом начале метаморфоза, нарушается его координированность.
В частности,
более быстрыми темпами резорбируется хвост, не успевают
сформироваться имагинальные органы. В каждой ткапи, которой предстоит
измениться,
подготавливаются
определенные
условия для индукции гормоном именно тех процессов, которые
должны там начаться: в клетках хвоста
— высокая активность
гидролитических ферментов, в эритроидной ткави
— дифферснцировка нового типа эритроцитов с дефинитивным темоглобином, в кишечнике
— резорбция части тканей и индукция сннтеза новых пишеварительных ферментов и т. д. Все сказанное
свидетельствует о том, что гормон (по крайней мере в данном
случае) представляет собой не первопричину регулируемых им
16*
243
сложных процессов, а лишь звено в единой программе, где он
выполняет роль пускового устройства (триггера) и коордииатора всей этой программы. Видимо, такова роль всех гормонов,
ибо между их химической и физической природой и природой
тех процессов, которые они индуцируют, нет прямой причинноследственной связи. Следовательно, причины, лежащие в основе
процессов, которые индуцируются гормоном, лежат глубже и
охватывают в том числе и деятельность самих гормонов, как
звеньев запрограммированного процесса развития. О том, что
факторы, ответственные за метаморфоз, заключены в клетках,
воспринимающих гормон, а не в гормонах, свидетельствует
эксперимент.
Если
перед
метаморфозом
в
основа-
ние хвоста пересадить зачаток глаза, то в последующем хвост
полиостью резорбируется, а зачаток глаза сохраняется.
У насекомых метаморфоз связан с еще более коренными
перестройками.
У
личинки
лишь
отдельные
органы
сохраняют-
ся после метаморфоза, но и те претерпевают изменения. Индивидуальное развитие насекомых состоит из двух хорошо разграниченных периодов: сначала формируется система личиночных, а затем дефинитивных органов, которые образуются из
имагинальных дисков. Данных о том, играют лн какую-либо
роль гормоны в первом периоде, нет: факторы, ответствениые за
формирование личиночных органов и зачатков имагинальиых
органов, заключены в яйце, т. е. вырабатываются в материнском организме.
Личиночные линьки и метаморфоз осуществляются под коитролем набора гормонов: первый из них — экзиотропин
— вырабатывается нейросекреторными клетками мозга и стимулирует
в проторакальной железе образоваиие другого гормона
— экдизона (гормона линьки). Экдизон контролирует не только линьку, но и связанный с ней рост личинки. Третий гормон
— ювенильный
— вырабатывается
околомозговой
железой.
В метаморфозе насекомых основиое значение имеет не отдельный гормон, а изменение гормонального баланса. После серии линек,
происходящих под контролем экдизона, наступает метаморфоз,
при котором иидуцируются образование имагинального типа
кутикулы (вместо личииочного), а также дифференцировочные
и морфогенетические процессы в имагинальиых дисках.
Факторы, регулирующие процессы роста. Рост (см. гл. 12},
как и многие процессы индивидуального развития, контролируется факторами гормональной природы. Основным гормоном,
регулирующим процессы роста, является гормон роста, или
соматотропин. Соматотропин
— лептидный гормон, синтезируемый в передней доле гипофиза. Как и другие гормоны пептидной природы, он действует на поверхностные рецепторы клетКИ.
Повышенная
к гигантизму
тей тела,
концентрация
соматотропина
или к непропорииональному
например
скелета
дистальных
может
привести
росту отдельных
частей
конечностей
часпри
акромегалии. Действуя на клетки, гормон роста повышает в них
24 4
|
|
.
`
.
.
ы
.
7
._ лады
следующий
Рост
белка.
синтез
под действием
скелета
соматотронина
проис-
аминокислот.
Меха-
ходит опосредованно, так как этот гормон стимулирует обра— фактора,
зование в печени и выход в кровь соматомедина
смесь белповышающего усвоение сульфата. Соматоме—дин
ков, которые представляют собой инсулиноподобные вещества.
Соматомедин как посредник соматотропина стимулирует пролиферацию хрящевых клеток, усвоение сульфата, имитирует
действие инсулииа и даже способен взаимодействовать с мембранными рецепторами, специфичными к инсулину. Помимо.
соматотропина стимулирующим рост действием обладают миоы
тироксии, гидрокортизон, тесто— инсулин,
гне другие гормон
стерон и эстрадиол. Они активируют процессы роста либо непосредственно, либо путем образования соматотропина.
Фактор роста нервов открыт более 25 лет иазад в опухолевых тканях мыши, которые были имплантированы в зачаток
конечности цыпленка. Это один из наиболее изученных факторов, стимулирующих рост отростков симпатических и чувствительиых нейронов. Важные свойства этого специфического
ра
в самых разных тканях и сходство его
— присутствие
факто
ака инпредшественни
структуры со структурой проин—сулин
сулина. В больших количествах он содержится в змеином яде,
обнаружен в подчелюстной железе самцов мышей (но не самок}.
Подчелюстиая железа мыши стала осиовным источником получения фактора для разнообразных исследований. Он обнаружен также в сердце, почке, селезенке, в культивируемых ш
УЙго клетках мыши, в опухолях. По химической природе факбелком,
тор
является
низм
его действия
но
отростков
нейронов,
культуре.
Большинство
эффект
связан
и
Он
не только
их
повышает
жизнеспособность
рами нейрона, а не с проникновением в клетку.
Фактор, стимулирующий рост эпителиев, выделен
челюстной
железы
фактору
(сопутствует
роста
что
о том,
поверхностными
с
рост
стимулирует
свидетельствует
данных
взаимодействием
с
118
из
состоящим
неизвестен.
в
его
рецепто-
из
под-
нейронов)
и из
мочи беременных женщин. В условиях 11 уЙго стимулирует
рост эпителиев. Имеет белковую природу.
К факторам роста можно отнести также эритропоэтин, стикровяных клеток, и
красных
продуцирование
мулирующий
способствующий
тромбопоэтин,
образованию
тромбоцитов.
предприроды,
гликопротеидной
— соединение
Эритропоэтин
положительно вырабатывается в почках и активирует эритропоэз, действуя, по-видимому, на начальные этапы терминальной
дифференцировки эритроцитов. Его концентрация сильно возрастает при аиемиях (снижение титра эритроцитов в крови).
Полагают,
центрация
образование
что
стимулируется
продуктами
этого
выход
эритропоэтина
разрушения
эритроцитов,
и
— звено
фактора
в
механизме
в
кровь
т. е. кон-
поддержания
{путем активации эритропоэза) количества эритроцитов в крови.
За последние годы из числа ингибиторов роста наибольшее
|
`.
‚’
.
245
внимание привлекли кейлоны, подавляющие деление клеток тех
тканей, в которых они синтезируются. Согласно предположениям, кейлоны
— это звенья в цепи обратной связи, контролирующей массу ткани (органа). Если количество клеток данной
ткани уменьшается, то, согласио гипотезе, уменьшается и количество кейлона, что приводит к пролиферации и увеличению
массы ткани. Считается, что именно понижение уровня кейлонов при удалении одного из парных органов (например, почки)
` приводит к компенсаторному росту оставшегося органа. Известны кейлоны эпидермиса, эритроцитов, фибробластов, гранулоцитов,
волосяных
фолликулов,
почки,
печени, лимфоцитов,
меланоцитов.
Будучи
видоспецифичны,
Ингибиторы роста
(кишечнополостные,
тканеспецифичными,
обнаружены
кольчатые
и
и
у
кейлоны,
ряда
плоские
однако,
не
беспозвоночных
черви).
Они
выде-
ляются обычно головными отделами тела и подавляют образование таких же структур в других тканях. Предполагается,
что ингибиторы переносятся у этих организмов направленно, от
передних отделов к задним,
Таким образом, гормоны характеризуются следующими свойствами.
1. Гормоны управляют физиолого-биохимическими процессами, обеспечивающими репродуктивную функцию, запуская и
координируя деятельность всех процессов, органов и систем,
ответственных за своевременное и согласованное созревание
половых клеток (предзародышевое развитие) и оплодотворение.
2. По-видимому, гормоны не принимают непосредственного
участия в процессах эмбриогенеза вплоть до периода органогенезов, или их роль в этот период ограничена.
3. Участие гормонов, вырабатываемых самой развивающейся особью, в процессе развития начинается в период органогенезов и гистогенезов и затем неуклонно возрастает, при этом
вместе с нервной системой гормоны создают единый регуляторный механизм, обеспечивающий взаимосвязь всех частей
организма и их координированный ответ на изменения внешней
среды, т. е. гомеостаз и адаптацию.
4. Один и тот же гормон способен одновременно воздействовать на многие ткани и индуцировать любой вид клеточной
активиости, прямо или косвеино затрагивая и генетические и
эпигеномные уровни клеточной деятельности.
5. Уииверсальное звено первичного
действия
гормонов—
рецептор
— белковая молекула с изменяющейся при присоединении гормона конформацией; рецептор располагается либо на
поверхности
(у
гормонов
пептидной
природы},
плазме (у гормонов стероидной природы).
6. При действии на генетический аппарат
246
.
либо
в
цито-
,
один
и
тот
же
гормон
способен
одновременно
активировать
функцию
многих
генов.
7. Причины
изменений, происходящих под действием гормонов, заложены в самой клетке, точнее в программе развития,
` реализация которой начинается с помощью гормона. Программа развития включает индуцируемые клетки, в которых подготавливается все необходимое для ее реализации, и клетки,
секретирующие
гормон.
логично
эмбриональной
случае
индукция
между
этом
смысле
активности
эмбриональной
действие
гормона
ана-
с той разницей, что в данном
осуществляется
гормоном
— продуктом
разницы
В
индукции
дистантно
и
индуктора.
Принципиальной
и
гормоиальной
опосредована
инлукциями
нет, и поэтому в обоих случаях применимы понятия «компетенция» (готовность индуцируемой ткани), «индуктор»
— контактирующая клетка или гормон как составные части вырабатывающей
его
клетки
— индуктора
и,
наконец,
«индукция»
(про-
цесс
их взаимодействия).
Отличия
между
гормональной и
эмбриональной индукциями состоят в следующем. При эмбриональной иидукции индуцируемая система и индуктор представляют собой ткани — определенный минимум клеточиой ассоциации; ‘при гормональной индукции как иидуктором, так и
объектом
индукции
может
быть
отдельная
клетка.
Действие
эмбрнонального индуктора
и компетеитиость
иидуцируемой
системы кратковременны: через некоторое время оба теряют
эту способность. При гормональной индукции обе системы
могут длительно взаимодействовать.
ГЛАВА
ПРОБЛЕМА
11
ЦЕЛОСТНОСТИ
`
РАЗВИТИЯ
В современной биологии развития преобладают аналитические подходы. Их цель — разложение непосредственно наблюдаемого процесса развития организма на отдельные слагаемые.
Эти подчиненные процессы могут протекать в пределах весьма
малых
(по сравнению с целым организмом)
образований—
клеток, надмолекулярных структур и наконец, молекул. В их
изучении достигнуты большие успехи, которые не раз отмечались на протяжении данного курса. Однако
встает вопрос:
можно ли, изучив по отдельности даже все сушественные микропроцессы, воссоздать на их основе ход развития целого организма? Или при аналитическом исследовании из поля зрения
ускользают некоторые важные факторы, интегрирующие эти
микропроцессы воедино и делающие возможным организованное
развитие?
К пастоящему времени имеется несколько категорий данных, показывающих, что факторы целостного контроля за хо247
дом
развнтия
существуют
объективно.
Важнейшие
из них сле-
1. Развитие на уровне целого организма илн достаточно
крупных его составиых Частей (зачатков органов) происходит
весьма упорядоченно, несмотря на то что слагающие его микропроцессы, как правило, такой упорядоченностью не обладают и
могут совершать «ошибки». Как уже отмечалось (гл. 9), лишь в
редчайших случаях зачатки органов обладают «поклеточной точностью»,
т.
е.
состоят
из
определенного
числа
клеток,
о торе
дующие.
каждая
из которых находится в единственно предписанном ей месте.
Как правило, число клеток в зачатке, темп их размножения,
перемещения
отдельных
клеток
ке
являются
абсолютно
точиь-
ми. Создать из таких «ошибающихся» элементов упорядоченное целое без целостного контроля
— все равно, что пытаться
вслепую построить сложное архитектурное сооружение из неотесанных камней. Наличие макропорядка в развитии при возможном отсутствии микропорядка
— один из доводов в пользу целоствого контроля.
2. Как показывает сравиительная эмбриология, особн различиых и даже удаленных друг от друга видов с заведомо отличающимися
геномами
обладают,
если
они
относятся
к
одному
и тому же типу, важными сходными чертами в ходе развития
и в возникающем на его основе плане строения. Эти сходные
черты также макроскопические: они были известны биологам
еще до появления современных микроскопов. Такая общность
на
макроуровне
при
заведомо
различных
геномах
и
контроли-
руемых ими микропроцессах
— еще один довод в пользу целостного контроля развития.
В последнее время получены новые данные, расширившие
этот довод. Было обнаружено, что мутации, влияющие иа развитие
тех
или
иных
морфологических
структур,
например
1иети-
нок, антенн или конечностей насекомых, оставляют незыблемым
некоторый общий для всей данной систематической группы план
строения, который в англоязычной научной литературе именуется «препаттерн» (наиболее близкий русский перевод
— прообраз). Можно исключить одно из звеньев препаттерна (например,
получить
мутацию
бескрылых
мух
или
мух
с
антеннами
на месте ног}, но не удается исказить сам препаттерн, т. е. изменить, например, относительные положения развивающихся
_ структур. Механизмы возникновения и стабилизации препаттернов
— важная
и
нерешенная
проблема
феногенетики,
которая
нуждается в разработке представлений о делостном контроле.
3. Наиболее яркое и прямое доказательство целостного контроля
—
эмбриональные
(например,
процессы
регуляции
и
связанные
регенерации),
с
ними
рассмотренные
явления
в
гл.
153.
Возможность образования одних и тех же целостных структур из разного эмбрионального материала или с участием различных промежуточных процессов еще в конце прошлого века привела
248
эмбриологов
к
идее
о
целостном
контроле
за
развитием.
|
|
Е
Следует иметь в виду, что целостный контроль осуществляется при чрезвычайно сильном усложнении организации
азвивающегося зародыша на всех уровнях. Именно сочетание
упорядоченности с усложнением отличает живые развивающиеся системы от наиболее простых физико-химических систем, где
тоже наблюдается упорядоченность на макроскопическом уровне (процессы кристаллизации). Поэтому долгое время считалось, что проблема упорядоченного усложнения и связанные
с ней вопросы целостного контроля
— специфически биологиче-.
ские
проблемы.
Однако
чается
к настоящему
общшириый
класс
времени
обнаружен
неживых
систем,
и‘интенсивно
обладаютцих
изу-
свойст-
вом самоорганизации. Создана также особая физико-математическая наука, занимающаяся такими системами,— синергетика.
Между синергетикой и работами по целостному контролю в
биологических системах существует довольно тесное взаимодействие. Созданные синергетикой методы привлекаются к анализу проблемы целостного контроля развития живых систем.
В настоящее время разрабатываются следующие основные
подходы к проблеме целостного контроля развития:
1. Концепция
физиологических
градиентов
Ч.
Чайльда
и
вытекающие из иее более поздние представления о позиционной
информации (розШюопа| и{огтаНон).
2. Концепции морфогенетических полей.
:
3. Модели диссипативных структур, возникшие в рамках
только что упоминавщегося синергетического подхода.
Теории физиологических градиеитов
и позиционной информации
Теорию
ложил
физиологических
американский
градиентов
ученый Ч. Чайльд.
в начале
-
ХХ
Он обратил
в. пред-
внимание
на то, что у многих животных (особенно низших беспозвоночных
— червей, кишечнополостных) обнаруживаются градиенты
интенсивности обмена веществ и совпадающие с ними градиенты
повреждаемости
тканей,
причем
те и другне
обычно
падают
от переднего полюса животного к заднему. Это и есть физиологические градиенты Чайльда. Согласно концепции Чайльда
физиологические градиеиты устанавливаются раньше, чем начинается морфогенез и клеточная дифференцировка, и определяют
пространственное расположение этих последних. Судьба части
зародыша есть функция от соответствующего ей уровня физиологического градиента. Возникновение же самих градиентов
определяется гетерогенностью внешней среды. Чайльд приводил
ряд примеров развития зародышей в неоднородиой среде. Так,
яйцеклетки
и ранние
зародыши,
как
правило,
развиваются
при
наличии
градиентов
снабжения
питательными
веществами,
аэрации и т. п. Эти градиенты иногда возникают из-за того,
что яйцеклетка только одним полюсом прикреплена к стенке
_^
249
гонады или
к фолликулярным
клеткам;
виешней среде яйцеклетки или зародыши
условиях
неравномерной
аэрации
или
развивающиеся во
также находятся в
освещенности;
наковен,
ва все организмы односторонне действует сила тяжести. Любое
из этих условий или их совокупность может, по Чайльду, «навести» на яйцеклетки или ранние зародыши физиологический
ТО
|
градиент. Этот первичный градвент,
|
как
|
2 ЦИ
правило, будет соответствовать
анимально-вегетативиой
оси
яйца,
диенту может
вторичный
Под некоторым углом к этому
<
градиент,
ми
возникнуть
также
факторами.
клетке
амфибий
рождается
гра-
созданный
внешян-
Например,
в
такой
яйпе-
градиент
сперматозоидом
и
по-
имеет
свою высшую точку в области серого серпа. Система из двух несиммет-
ричных
градиентов
создает
на
по-
верхности сферы некоторое скалярное поле, в котором каждая пара тоРис. 95. Схема двойного градиента в яйцеклетке амфибий.
Вертикальные стрелки направлены в сторону убывания количества желтка (от вегетативного полюса к анимальному). Кривые, сгущающиеся к точке серого
серпа
(с.с.),
определяют
гипотстический
дорсовентральный градиснт
(по А. Дальку,
1938)
чек,
симметричная
относительно
плоскости, проходящей через
оба
градиеита, имеет свою собственвую
определенную координату (рис. 95).
Функцией этой координаты н является,
по
Чайльду,
судьба
клетки,
оказавшейся в данной точке сферы
(иапример, бластулы). Если игнорировать лево-правые различия {как
имеющие
совершенно
особую
приро-
ду или управляемые некоторым третьим градиентом), то подобная двухградиентная система в принципе
достаточна
для
описания
сколь
угодно
сложной
простран-
ственной структуры. Теория Чайльда привлекает своей простотой и ясностью и опирается на многочислениые факты. В его
книге «Планы строения и проблемы развития» (1941) перечисляются многие физиологические градиенты и связн между их
нарушеииями и последующими морфологическими аномалиями. Большой интерес представляет один из частных выводов
Чайльда:
верхний
(доминирующий)
конец
градиента
выделяет
некоторые факторы, подавляющие развитие таких же (головных) структур из других клеток зародыша. Это явление «физиологической
В
некоторых
тия),
доминантности»
случаях
передающие
это
было
многократно
подтверждено.
найдены
вешества
(ингибиторы
действие.
И
менее
тем
не
разви-
рассматривать
теорию Чайльда
ной организации
как универсальное объяснение пространственразвития нельзя. Прежде всего часто не уда-
ется
необходимый,
обнаружить
генности внешней
250
с точки
среды, окружающей
зрения
Чайльда,
гетеро-
яйцеклетку или зародыш,
илн
же
морфогенез
последних
не орнентирован
в соответствии
с этой гетерогенностью. Такие факты отмечены, в частности,
при развитии
кишечнополостных.
Еще
пример:
сагиттальиая
плоскость в яйце амфибий может возникать при партеногенезе
или при введении сперматозонда точно в анимальный полюс
яйцеклетки; в обоих случаях отсутствует внешний фактор, порождающий второй градиент, и тем не менее развитие таких
зародыщей не отличается от нормального. Далеко не всегда
в ходе развития установление физиологических градиентов пред-‘
шествует появлению морфологических неоднородностей: встречается и обратная последовательность. Таким образом, концепция Чайльда чересчур упрозцает проблему целостности развития, хотя и отражает некоторые ее существенные черты.
Представления современного английского биолога Л. Вольперта о позиционной информации можно рассматривать как.
одно
из
направлений
разработки
закона
Дриша
(см.
гл.
7)
и теории Чайльда. Принимая вслед за этими авторами, что
каждая клетка зародыша каким-то образом должна «ощущать»
свое положение в целом организме или зачатке, Вольперт полагает, что положение определяется концентрацией некоторых
веществ
— «морфогеиов» и что морфогены распределены вдоль
оси целого зародыша или его зачатка по определенному градиенту. Связанная с концентрацией морфогена информация о положении данной клетки (это и есть, по Вольперту, «позиционная информация»} весьма проста й может быть одииаковой для
самых разных органнзмов. Однако то, как клетка «прочитает
и интерпретирует» эту информацию, зависит, по Вольперту, от
генома данной клетки н всей прерыдущей истории ее развития.
Если, по Вольперту, позиционная информация меняет свок
значения вдоль некоторой оси (подобно градиентам Чайльда),
то, по представлениям
современных
американскнх
биологов
`П. Френча и Б. Брайанта, позиционная ииформация есть функция полярных координат клетки. Модель Брайанта получила
название циферблатной, так как в ней позициоиная информация как бы соответствует показаниям часовой стрелки. Брайант
высказал гипотезу, что именно такого рода позиционная информация
определяет
процессы
дифференцировки
и
регеиерации
имагинальных дисков насекомых, а также асимметрию поперечных сечений конечностей позвоночных.
Концепции позиционной информации (особенно циферблатная модель} позволяют дать формальную интерпретацию некоторым регуляционным и регенерационным явленням. Однако
они еще очень далеки от общей теории целостности. Фактически
база
данных
построений
продолжает
оставаться
недостаточной: .
ии один из постулируемых «морфогеиов» до сих пор достоверно
° не обнаружен.
От рассмотренных концепций несколько отличается точка
зрения английского биолога Б. Гудвина. Принимая гипотезу
морфогенетических градиентов, он предполагает, что градиенты
м
251
представляют собой стойкие следы некоторых периодических
процессов (волн), распространяющихся вдоль развивающегося
зачатка (см. гл. 10}. Гипотеза Гудвина интересиа тем, что обращает внимание на морфогенетическое значение периодических
распространяющихся процессов. Тем не менее и эта гипотеза
еце не приобрела форму законченной теории.
Концепции морфогенетических полей
и тополого-геометрические модели морфогенеза
Разобранные концепции физиологических градиентов и позициоиной ииформации не уделяли внимания изменениям формы зародыша и его частей в ходе развития, считая, что впоследствии их можно будет вывести из различий в относительных
значениях гичотетических «морфогенов» в разных точках зародыша.
Такая
точка
зрения,
по-видимому,
ошибочна:
форма
пелого зародыша или зачатка
более сложна, чем предшеству-
ющие различия
мического
ледние
(паттерн)
хи-
порядка
(если
пос-
имеются}.
Кроме
того,
(как уже говорилось в гл. 9,
10), форма и структура зазатка способны оказать обратное
действие на биохимические процессы в его клетках. Таким образом, изменения формы -зародыша в ходе развития могут
определяться самостоятельными факторами и законами.
Рис. 96. Моделирование морфогенеза
толовного мозга зародыша курицы (1@
А. Г. Гурвичу,
витии.
водил
Наиболее
советский
1977)
Задача
конпепции
морфотенетических полей и состовтв
отыскании законов формообразования в индивидуальном Г зпоследовательно эту линию исследований про-
биолог А. Г. Гурвич,
который
еще
в начале
20-х годов предложил первые в мировой литературе математические модели формообразоваиия. Наиболее разработанная
модель Гурвича основывалась на предположении о дистантных
векторных взаимодействиях между всеми клетками зародыша.
В некоторых случаях эта модель позволяла выводить последующую форму зачатка из предыдущей (рис. 96), что было
недостижимо для любой другой теории морфогенеза. Например,
моделировался переход эмбриональйого головного мозга из
стадии одного пузыря в стадию трех пузырей, причем модель
исходила из гипотезы об отталкивающих взаимодействиях меж-
ду противоположными стенками зачатка. На рис. 96 эти взаимодействия
приближенно
перпендикулярным
252
к
отображены
поверхности
тремя
векторами:
одним,
зачатка,
и ‘двумя
другими,
перпендикулярными к первому. Принималось, что такие векторы приложены ко всем точкам (например, А, А!, А›) исходного
внутреинего контура зачатка. При последовательном проведении
такого
построения
внутреииий
койтур
переводится
во
внеш-
иий
(стадия трех мозговых пузырей).
Одиако до сих пор для подавляющего болынинства разви-'
вающихся
организмов
отсутствуют
данные о направленных
дистантных взаимодействиях клеток
(выше
отмечалось,
что
такие
даниые
были
получены
только
для
акразиевых
грибов;
причем и среди них взаимодействия носят не совсем тот характер, какой предполагался в модели Гурвича}. Поэтому моделирование
формообразования
по Гурвичу
отражает
несколько
иные (возможно, ие дистантные, а коитактные) типы взаимо-
действия клеток. Наиболее важиый вывод из теории Гурвича
состоит в том, что эмбриональное формообразование
— в значительной мере самодетерминируемый и самоконтролируемый процесс: предыдущая форма зачатка определяет характерные черты его послелующей
формы.
Интересиы представления Гурвича о действии морфогенетических полей на молекулярном уровне. Еще в 30-х годах он
указал на важную роль неравиовесных надмолекулярных структур в живых системах; по его мнению, характер и функционироваиие этих структур определяются приложенными к ним векторами поля.
Экспериментальное
исследование
роли
таких
структур
в дифференцировке
и морфогенезе
— актуальная
зада-
ча будущих исследоваиий.
В
последние
годы
К.
Уоддингтон
и
Р.
Том
предприияли
попытку создать более обобщенную коицепцию морфогенетического векториого поля, которая должна была включать в себя
не только
формообразование
в узком
смысле
слова,
но и любые
изменения состояний развивающихся систем.
Эта концепция
основаиа на заимствоваииых из математики идеях структурной
устойчивости и иеустойчивости процессов. Сходные идеи лежат
в осиове теории диссипативных структур.
Модели диссипативных структур
и самоорганизации морфогенеза
Может ли протекать примитивный морфогенез и самопроизвольиое (не «спечатываемое» с иеоднородностей внешней среды)
усложиение
структуры
в
небнологических
системах?
В настоящее время известен целый ряд таких систем. Их характериое свойство
— энергетическая открытость: самопроизвольное возиикиовение, поддержание устойчивости и некоторая эволюция структур наблюдаются лишь тогда, когда система непрерывно получает эиергию извие. При этом часть поступившей
эиергии рассеивается. Поэтому возникающие в таких системах
структуры
называются диссипативными (от лат. 9151раНо—
рассеяние).
253
Один из
образования
Б.
П.
Белоусова—А.
ионами
калия
первых и наиболее хорошо изученных примеров
диссипативных
структур
— химическая
реакция
церия
(Се)
наблюдаются
М.
Жаботинского.
окислении
стойкие
При
лимонной
колебання
катализуемом
кислоты
броматом
концентрации
как ионов
Вг>, так н отношения Се“+/СеЗ+, Эти колебания совершаются
как во времени, так и в пространстве сосуда, где происходит
’ реакция. Сочетание пространственных и временных колебаний —
‘характерная черта диссипативных структур.
Если реакцию Белоусова
— Жаботинского провести в тонком двухмерном слое, например на поверхности чашки Петри,
то возникают причудливые спиральные волны концеитраций
реагирующих веществ, постепенио растущие и распростраияющиеся в стороны. В подобных системах также происходят колебания концентрации, причем могут выделиться центры с нанбольшей
частотой
колебаний,
которые
окажутся
«ведущими»
(исходящие нз них волиы будут доминировать). Диссипативным структурам такого типа посвящена обширная литература
{см. Ю. Романовский и др., 1975; Г. Николис и И. Пригожии,
1979). Некоторые авторы полагают, что явления такого рода
имеют
непосредственное
отношение
к
биологическому
морфо-
генезу. Однако правильнее было бы думать, что для поиимания
биологического морфогенеза наибольшее значение имеют не
эти явления сами по себе, а созданная для их объяснения мате-
матическая теория.
,
|
Независимо от упомянутых работ в 1952 г. английский математик А. Тьюрииг предложил математическую модель некоторого абстрактного физико-химического процесса, в ходе которого должны возннкать устойчивые пространственные (а также
временные) диссипативиые структуры. Исходя из чисто математических соображений, Тьюринг предложил следующую химическую реакцию,
Пусть имеются исходные вещества Аи
В,
коицеитрации
которых
во
А
дает
поддерживаются
превращается
вещества
Уи
в Х:
С:
постоянными,
А->Х,
а В,
ВЕ Х->7--С.
Пусть,
вступая
Синт^®
далее,
вещест-
в реакцию с
Х — процесс
Х,
авто-
каталитический: 2Х -- УХ. Наконец, Х сьоитанно разлагается, превращаясь в Ю: Х->Ю. В этой модели принципиально
важно предположение о диффузии как Х, так и У вдоль сосуда
— реактора (который принимается одиомериым, имеющим
вид трубки или замкнутого кольца). Скорость диффузии про-
порциональна
коэффициентам
диффузии
Ох
или Ду
и второй
производной от концентрации данного реагента по длине сосуда,
Уравнения Тьюринга имеют вид
95.
мн,
254
Ау —— (В+
А-- ХУ
Х+Б;
АХ.
9" 07
5
ВХ вх— ХУмур,
+, эж
Главное свойство процессов, описываемых этими уравиениясостоит в том, что их решения неустойчивы к колебаниям
концентраций
метаболитов
коицентраций
с другими
У, имеющим
Х и
определенную
дли“
ну волиы А (сложным образом зависяшую от введенных в уравнение параметров}. Иными словамн, если накладывать на систему сколь угодно малые колебания концентраций с длиной волны А, то они, ввиду виутренних свойств такой системы, закрепятся, усилятся и превратятся в достаточио устойчивые (существующие и после снятия виешних воздействий) колеблющиеся
или стационарные диссипативиые структуры (закономерно расположениые максимумы концентраций Х или У). Колебания жедлинами
волн не возбудят
струк-
таких
тур и угаснут, как только прекратится их подача извне. То же.
самое свойство можно выразить’ так: система Тьюринга способна создавать структуры из шума. Действительно, если наложить на такую систему «концентрациониый шум», т. е. колебания концентраций любых произвольных длин волн, то система.
«выберет»,
усилит
и
колебание
устойчивым
сделает
с
длиной’
волны А, а другие колебания угаснут сразу же после снятия
воздействия.
С помощью модели Тьюринга было предпринято немало»
попыток объяснить морфогенетические процессы, особенно свя(мезодерзаиные с возникновением периодических структур
мальиые сомиты, пальцы конечностей, щетинки на покровах
тела насекомых, пятнистый или полосатый рисунок покровов
тела). Одиа из наиболее разработанных моделей морфогенеза,
основанных иа принципах Тьюринга, принадлежит немецким.
ученым А. Гиреру и Х. Мейихардту. В их модели принцип Тьюринга дополиен идеей полярности зародыша и взрослого организма.
Рассмотреть данную модель удобно на примере пресноводной гидры. Гирер и Мейнхардт исходили из предположевия
(подтверждениого некоторыми экспериментальными даннымн)},.
что головиой отдел тела гидры является источником двух морв
а и ингибито— активатора
фогенетически активных вещест
ра й, соответственно активирующих и подавляющих морфогеиез. Принимается, что изменение концеитрации активатора
да/0Е
зависит
от
скорости
его
р, являющейся
образования
кон-
стаитой, скорости распада па, которая также константна, и
коэффициента его диффузии по телу гидры О.0?а/0Х?; кроме
того, допускается, что процесс синтеза активатора автокаталичен и зависит от имеющейся концеитрации активатора а и ингибитора А согласно выражению #(а?/1) (где Е — коэффициент).
Кроме того, вводится члеи, описывающий синтез ингибитора
как
функцию
(са?},
активатора
концеитрации
и
член,
опнсы-
вающий спонтанный распад ингибитора (—%й). Таким образом,
уравнение скорости изменения концентрации активатора имеет
вид
. да
РА:
а
д*а
—ва-+НРь 55.
255.
Аналогичное уравнение составляется для ингибитора:
ой
9
—=са*
— АО,
Е,
+
—-.
й дл
Здесь первый член правой части выражает автокаталитичность
накопления ингибитора в зависимости от концентрации актн‚ ватора а, второй члеи
— распад
иигибитора,
третий
член—
„диффузню
иигибитора
по ткаиям
гидры.
Решение этих уравнений показывает, что равномерное
пределение активатора и ингибнтора по телу гидры при
ных
условиях
высоких
неустойчиво:
концентраций
в
оба
вещества
отдельных
накапливаются
точках,
вокруг
располагаются области более иизких концентраций.
Таким
образом, если принять, что головной отдел
возникает
в
области
высокой
расдаи-
концентрации,
то
он
до
которых
гидры
окружен
зоной низких концентраций, в которых аналогичные головные
структуры возникнуть не могут. Этот вывод соответствует прии-
ципу доминантности Чайльда, о котором говорилось выше.
Оценивая данные результаты, следует иметь в виду, что в
области моделирования морфогеиеза как самоорганизующегося
процесса сделаны лишь самые первые шаги. Модель Гирера—
Мейнхардта и другие, подобные ей, содержат целый ряд допущений, которые экспериментально еще ие проверены. Тем не
менее
общие
принципы,
позволяющие
описать
образование
структур из исходно одиородиого состояиия, представляют большой иитерес и должны войти как важная составиая часть в
еще
не создаииую
общую
теорию
морфогенеза,
Таким образом, совремеиные коицепции целостности развития носят пока фрагментарный характер и более или менее
освещают то одну, то другую сторону развития. Однако проблема целостиости поставлена, и можно надеяться на ее интенсивную разработку в ближайшие годы.
ГЛАВА
-_
|
``
РОСТ
“
т“
Типы ростовых процессов
Рост
— это поступательное (ациклическое) изменение показателей массы и размеров организма. Как правило, рост связаи с увеличением массы и размеров, но исследователи, полходящие к нему © самых общих точек зрения, включают сюда и
уменьшение
массы
(размеров), закономерно происходящее у
некоторых организмов при старении.
Прирост массы может осуществляться как за счет увеличения
неорганических
веществ,
аккумулируемых
организмом
(например, рост скелета, иабухание тканей), так и непосред256
слвеино живой цитоплазмы. Иногда эти процессы протекают
раздельно. Например, увеличение массы растений путем всасывания воды происходит в тот период развития, когда клеточные
деления
уже
прекратились,
и объем
живой
цитоплазмы
не воз-
растает; рост скелетных игл многих беспозвоночных тоже не
связан с увеличением числа клеток-склеробластов. С другой
стороны, увеличение живой массы в эмбриональный или ранний постэмбриональный периоды слабо или вовсе ие связано
с аккумуляцией минеральных веществ. Существуют, однако,
случаи, когда рост живой и рост омертвевающей массы взаимосвязаны. При этом имеется камбиальная зоиа, где клетки размножаются, и зона ороговеиия или минерализации клеток. Так
растут раковины, рога и зубы.
Рост пронсходит либо путем
увеличспия
размеров
клеток,
которые при этом не делятся, или же связаи с клеточиым размножеиием. Первый
(более редкий)
тип роста
называется
ауксетичным,
второй
(более обычный) — пролиферационным.
Ауксетичный рост наблюдается у коловраток, круглый червей, личинок насекомых. У этих форм число клеток остается
постоянным (явление эвтелии). При этом рост размеров отдельных клеток нередко связан с полиплоидизацией клеточных ядер.
Пролиферационный рост известен в нескольких формах, из
которых будут рассмотрены мультипликативный н аккрециониЫЙ,
Мультипликативный рост характеризуется тем, что обе клетки, возникшие от деления некоторой Додоначальной
клетки,
снова вступают в деление (см. рис. 97,
А}. Число клеток М№ растет в геометрической прогрессии: если п — иомер деления, то
М, =2".
Этот
механизм
дает
(0
изибольший
вклад
в увеличение
массы
растущего организма.
Об этом
свидетельствует
следующая
оцеика. Если допустить, что ие пронсходит потерь клеток, все
клетки делятся с одинаковой скоростью и размер клетки не
изменяется,
то
зиготе
массой
10-3
ги
ее
потомкам
достаточио
42 последовательных делений, чтобы сформировать организм
массой 100 кг, а новорожденному
ребеику,
который
весит
3—4 кг, достаточно 4—5 актов деления, чтобы превратиться во
взрослую особь. Однако мультипликативиый
рост в чистом
внде либо не встречается в природе, либо быстро заканчивается.
У позвоночных увеличение размеров клеток путем полиплоидизации не вносит заметного вклада в процессы роста. Полиплоидия встречается здесь лишь в иекоторых органах
(например, в печени). Если принять во виимание, что полиплоидия
ведет к прекращению репродукции, то очевидно, что она тормозит потенциальный рост.
Аккрецнонный
рост
в простейшем
случае
связан
с тем,
что
после каждого последующего деления лишь одна из клеток
снова делится, тогда как другая делення прекращает. При этом
.17
заказ 645
..
257
число
клеток
растет
линейно:
если
я —
номер
деления,
то
М, = 9,
(2)
Рост большииства организмов в эмбриональный и раниий
постэмбриональный периоды болыие всего соответствует мультипликативному
росту.
Аккреционный
рост
связан
с
разделе-
иием оргаиа на камбиальную и дифференцированиую зоны, и с
постоянным переходом клеток из первой зоны во вторую, причем
сохраияютея
постоянные
соотношеиия
между
размерами
зон. Он характерен для органов, где происходит прирост или
обновление клеточиого состава в течение всей постэмбриоинальиой жизни особи (см. гл. «Физиологическая
регенерация»).
Аккреционный тип роста свойствеи таким системам, как эритроидная, слизистые покровы кишечника, дыхательные пути и др.
(клетки,
выходящие
из
зоны
размножения,
пройдя
определев-
ный путь дифференцировки, гибнут и разрушаются), а также
системам, в которых выходящие из зоиы размножения клетки
омертвевают, но сохраняются в форме рогов, зубов, раковин.
Из всех компонентов развития рост доступнее всего количественному описанию. В значительной мере это связано с тем,
что рост можио считать самым длительным в онтогенезе, относительио монотониым и лишенным разрывов процессом. Поэтому он сравнительно легко может быть представлен в виде
непрерывных функций таких фундамеитальных переменных, как
время
(возраст)
и (или)
работа
в
направлении
этом
математическое
описание
масса
(размеры).
ясно
показала,
процесса
еще
не
С другой
стороны,
что
точное
даже
равнозначно
его
объясиению. Большинство так называемых уравнений роста,
которые будут рассмотрены, создавались как чисто феноменологические
и
лишь
позже
появились
некоторые
общие
прин-
ЦИПЫ.
Процессы роста можио рассматривать в двух аспектах:
1. Как чисто скаляриые процессы увеличения массы. Такое
рассмотрение приводит, в частности, к построению уравнелий
абсолютной скоростн роста во времени.
2. Как простраиственно организованный процесс. При этом
исследуются различия в относительных скоростях роста между
частями организма, между частью и целым, между разными
направлениями внутри одного и того же зачатка. Эти процессы
также описываются рядом уравнений, в которых время обычно
не участвует.
,
.
“
Рост как скалярный процесс.
Уравиения мультипликативного роста
Лищь в очень редких случаях при исследовании роста многоклеточных животных необходимо подсчитать общее число клеток: как правило, иитерес представляет усредненный прирост
массы зачатков, состоящих нз очень большого чнсла клеток.
258
Поэтому уравнение (1) практического примеиения обызно ие
имеет, но из него заимствуется лишь приицни автокаталитического роста, т. е. размножения каждой еднницы живой массы.
Соответствующее
уравнение
в дифференциальной
форме
имеет
.
вид
".
т.
е.
скорость
форма
записи:
роста
[1
пропорциональна
массе.
Удобна
3)
и такая
‚
.
(м)
У
(3а) _
[23
`
выражающая постоянство скорости
единицы массы ткани). Интегрируя
мической форме
шт И=АЕ
или,
.
——=А\,
удельного
роста
(роста
(3), получаем в логариф.
(4)
потенцируя,
.
У-=ем.
-
(4а)
Коэффициент А называется скоростью роста. Как видно из
(4), при постоянном # в полулогарифмических координатах рост
будет выражаться прямой линией.
У большинства организмов
скорость
мультипликативного
роста в ходе развития сиижается. В связи с этим кривая скорости роста часто имеет $-образиый характер (рис. 97, А).
Основные усилия
исследователей,
разрабатывающих
теории
роста, были обращены на описание и объяснение именно втоА
ВБ
«
Хлопчатник
[=
‚
з
=
=
о!
ЗЕ
^. 280|-
о
.
а
э72
©®5
=
х
8
8 220
З
5 м0
З
8 180-
Е
$ |
>
<
80
20
аа
248380
№
18
Пога
Возраст, недели
Рис. 97. Некоторые
графики
ны и Г. А. Клевезаль,
1976);
17*
65
массы
роста. А — рост лабораторных крыс
растений
1 — З образная
рифм
Б — графики аллометрического
(из Дж.
Гексли,
корыя
(из М. В. Ми-
роста некоторых
1931):
кривая при нормальных условиях питания, 2 — рост в условиях голодания,
8 — компенсаторный рост после прекращения голодания
259
рой ветви этой кривой (период замедлеиия роста). Здесь можно
выделить по меньшей мере два иаправления, которые в некоторых точках пересекаются и во всяком случае не нсключают
одио другое:
1. Представление о росте как о саморегулнруемом процессе.
Это по преимуществу теоретическое направление вело к построению уравнения, где скорость роста рассматривалась как функция достигнутых размеров или времени.
2. Экспериментальиые поиски ингибиторов и стимуляторов
роста. Рост в этом случае рассматривается как процесс, управляемый извне.
Первое направление представлено довольно пестрым иабором математических концепций
носят явно феноменологический
указания
Одним
на
биологический
из первых
было
роста, из которых некоторые
характер, другие же содержат
смысл
рассматриваемых
предложенное
величин.
Т. Робертсоном
ИЕ, км (9 )-А(")
называемое
логистическое
уравнение
скорости
роста:
так
9
где Г, — конечная масса оргаиа или оргаийзма в целом. Долгое
время это уравиение было чисто эмпирическим; в последиее
время делаются попытки истолковать его иа более общих осиованиях. (Подробности см. в книге А. И. Зотииа, 1974.)
Уравиение аккреционного роста имеет весьма простой вид:
М
р,
(6)
8:
т. е. скорость
роста
постоянна.
Пространственная организация роста
и видовая форма
Аллометрия
мультип.,.лативного
роста,
Уравнення
(3)
масс или линейных
рического мультипликативного роста могут быть
путем исключения времени из уравнений (3, За).
Напишем,
размеров
х
ау/АЁ== оу.
Разделив
иапример,
и
у
двух
второе
|
|
иа
уравнения
частей
первое
и приравняв
ах
^>/!=А,
ах/9=:х;
получаем
(1)
х
логарифмической
шу==А
шх--п
у=ьж.
260
организма:
Ч -ь2.
или в интегральной
мах:
Константу А
роста. Очевидно,
для
разных
алломет-
выведены
и потеицированиой
В,
фор(8)
(8а)
называют коэффициентом
аллометрического
что если #>1, то и растет быстрее х и наобо-
рот.
В
логарифмических
координатах
коистатный
аллометри-
цеский рост выразится прямой линией.
Аллометрические уравнеиия были предложены Дж. Гексли
в 1924 г, и их справедливость была проверена им и другими
исследователями на обшириом материале. Линейность аялометрических соотношений выдерживается в весьма
широких
пределах (рис. 97, Б). Показательно, что она соблюдается не
только
при
какой-либо
одной,
оптимальной
абсолютной
скоро-
сти роста, но и при любых
незакономерных
ее вариациях,
вызванных, например, колебаниями внешиих условий.
Интересио, что аллометрические соотношения приложимы не
только к весовым, но и к размерным показателям. Так, х ну
в аллометрических уравиениях могут выражать, например, массы
правой
краба.
Но
щего
краба,
и левой
оии
клешней
краба,
могут обозиачать
листа
или
плода
или
массы
также
ширииу
растений.
клешни
и целого
и длину
Очевидно,
что
растуво
всех
подобных случаях при А5-=1 пропорции зачатка по мере роста
будут моиотоиио меняться. Такой иаиболее обычный тип роста
иазывают коистаитно-аиизометрическим. Постоянство Ё выдерживается обычно весьма точно иа достаточно длительных отрезках развития, так что различия порядка второго десятичного
знака являются уже устойчивыми, геиетически детерминированными расовыми или видовыми признаками.
Вот значения А для соотиошеиия продольного и поперечного прироста листьев нескольких видов растений:
ГуятасМа
АпииШиит
Апнийтит
питишапа
таиз уаг.
таз
уат.
ГАпайа 9190718
Апагасй:$ сападепя$
Майса зр.
Сашеуа
ТоШейЕ
— 0,78
— 102
— 1,07
— 1,28
— 1,43
— 1,58
Таким образом, аллометрнческий рост
— одно нз основных
средств достижения видоспецифической формы. Его биологи-.
ческий смысл можно видеть в том, что оргаиизму в ходе роста
надо
сохранять
не
геометрическое,
а физическое
подобие,
т,
е.
ие превышать определенных отношеинй между массой тела и
размерами опорных (элементы скелета) и двигательных (мышцы) органов. Поскольку © ростом тела масса возрастает в третьей степенн, а сечения костей
— лишь во второй степени, то лля
того, чтобы растущий оргаиизм ие был раздавлен собственной
тяжестью, кости должны расти в толщину непропорционально
быстро: если в уравнении (8—8а) у— ширина кости, а х— ее
длина, то А должно быть больше 1. Поэтому коэффициеиты
аллометрического роста могли подвергаться отбору и наследственио закрепились, вероятно, иаиболее выгодные из них.
Градиенты роста. Хотя значение коэффициеитов В аллометрического роста и остается постоянным для достаточно обширных
областей зародыша и отрезков развития, все же они имеют
мального
— 0,9. Это
означает,
мально-дистальном
обратный градиент
направлении. В конечностях овцы измерен
с высшей точкой в проксимальном районе.
Подобные
же
градиенты
что
описаны
рост
для
усиливается
целых
в
животных.
и
неодинаковые величины в разных отделах тела. Например, значения А вдоль конечностей членистоногих и позвоночных образуют довольно плавные градиенты.
Так, у краба, еслн принять & промежуточного сегмента конечности за 1, то для дистального района # = 1,05, а для прокснпрокси-
Иногда
то”
О
ЗВ
они весьма велнки: так, у жука-оленя А падает от 2,4 до 1,0
в передне-заднем паправлении от мандибул до торакса; иногда
малы, но заметны (задне-передний градиент роста у крабов).
зар
1 4-е
ГЛАВЛ13
а
РЕГЕНЕРАЦИЯ
Слово регенерация (от лат. герепегаНо) означает возобновленне или восстановление. В биологическом смысле регенерацией называют
восстановление
организмом
утраченных нли
поврежденных частей. Существует физиологическая и репаративная
регенерация,
а
также
целый
ряд
явлений,
в
той
или
иной мере сходных с регенеративными.
й
Физиологическая
Физиологической
новительные
точных
регенерацией
процессы,
структур
деятельности
регенерация
называют постоянные
связанные
и с гибелью
организма.
В
©
разрушеннем
клеток в ходе нормальной
разных
тканях
и
восста-
внутрикле-
органах
жизнеповреж-
даемость внутриклеточных структур и самих клеток неодинакова и зависит от многих факторов: режима функционирования,
степени специ“ чизированности, действия повреждающих факторов и т. д. Интенсивная деятельность клеткн сопровождается
разрушением ее структур, нстощением энергетических ресурсов
и т. д., которые должны восполняться активной работой внутриклеточного биосинтетического аппарата. Если в результате днф-
ференцировки клетка частнчно или полностью теряет биосинтетический аппарат (например, эрнтроцит), то она не в состояннн
восполнить
утрачнваемые
элементы
и ресурсы
и погибает.
Дру-
гая причнна гнбели клеток, восполняемых в результате физиологической
регенерации, — прямое
повреждающее
действие
внешних физических и хнмических агентов, отравление продуктами метаболизма самой клетки или других клеток. Таким образом,
существуют
1. Восстановление
262
два
уровня
физиологической
регенерации:
количества
внутриклеточных
элементов
с
помощью
биосинтетического
аппарата
— регенерация
на
моле-
кулярно-субклеточном уровне. Этот тип физиологической регенерации характерен для всех тканей и органов, но его значимость особенно велика для тканей, утративших способность к
регенерации путем клеточного размножения. Так, клетки нервной ткани (за редким исключением) восстанавливаются только
на
молекулярно-субклеточном
лению
проявляется
только
в
уровне,
ибо
некоторых
нх
способность
экспериментах
и
к де-
в
пато-
логических случаях.
2. Пролнферативная регенерация обеспечивает восполнение
численности клеток путем деления днфференцированных клеток
или
Во
клеток
многих
эмбрионального
тканях,
особенно
тица.
в
сосдиинтельной
и эпителиаль-
пой, существуют специальные камбиальные клеткн н очаги их
пролиферации: крипты в эпнтелин тонкой кишкн, костный мозг,
пролифератнвная
зона
в
эпнтелии
хрусталика
и
эпидермнсе
кожи. Названные тканн имеют чрезвычайно высокий уровень
пролиферативной физиологической регенерации. Это обусловлено тем, что эритроциты, клетки кишечного эпителия, хрусталика, кожи в результате узкой специализации утрачивают биосинтетический аппарат и способность к регенерации на молекулярно-субклеточном уровне. Эти клетки обречены на гибель
после непродолжительного функционировання. Например, среднее время жизни эритроцита теплокровного животного составляет 2—4 месяца; в течение этого времени вся популяция эритроцитов крови гибнет и замещается новой. Еще выше темп обновления у эпителия тонкой кишкн теплокровных. Продолжительность
жизни
ее
клеток
определяется
дения в ворсинке, т. е. всего двумя
дые
двое
суток
животное
временем
их
нахож-
суткамн. Иначе говоря, каж-
сбрасывает
в
просвет
кишки
весь
ста-
рый эпителий и замещает его новым. В результате регенерации
эпителия кишки клеточные потерн огромны, но непрерывно
возмещаются
благодаря
интенсивной
пролиферации клеток
крипт. Непрерывно регенерирует также сперматогенная ткань
семенника,
зоидов.
ской
связанная
Выше
с продукцией
указывалось,
регенерации
что
определяются
темп
огромного
числа
и характер
интенсивностью
спермато-
физиологичен
условиями
функционирования ткани, т. е. ее физиологическими особенностямн (отсюда название «физиологическая регенерация»). Поскольку в ходе эволюции позвоночных происходила интенсификация функций многих (видимо, всех) тканей и соответственно
совершенствовалось физнологическое обеспечение этих функций,
изменялась
и активность
их физиологической
регенерации.
Поэтому интенсивность функционирования органов и тканей
н их физиологической регенерации у теплокровных значительно
выше, чем у холоднокровных жнвотных. Например, темп обновления
кишечного
эпителия
у рыб
и амфибий
пеизмеримо
ниже,
чем у птиц н млекопитающих. Усиление механизмов фнзиологической регенерации, как „молекулярно-субклеточной, так и
263
<
пролиферативной,
скнх процессов
на фоне
у высших
общей
интенснфикации
(теплокровных)
метаболиче-
животных
— одно
из
важных проявлений их прогрессивной эволюцнн.
Репаративиая
регенерация
Репаративной регенерацией называют восстановленне части
организма
взамен
поврежденной,
искусственно
удаленной
(в редких случаях
— естественно отброшенной). Сюда же относятся случаи восстановления целого органнзма из его частн,
что наблюдается во время бесполого размножения, присущего
простейшим, губкам, кишечнополостным, плоским н кольчатым червям, мшанкам и оболочникам. Бесполым размножением
называется естественное (не связанное с удалением или внешней травмой какого-либо участка) образование новой особи на
теле старой. В болынинетве случаев возникшие путем бесполого размножения особи сохраняют морфологическую и физиологическую связь между собой, образуя колонин, Бесполое размножение сходно с регенерацией тем, что в некоторых случаях
оио связано с распадом размножающегося организма (кишечнополостные, черви и т. д.) на отдельные части, т. е, как бы с его
самокалечением.
Регенерационные процессы, которые осуществляются в ответ
на травму, охватывают у разных организмов неодинаковые по
объему участки тела и протекают несходно. На этих разлнчиях
основаны попытки классификации типов репаративной регенерацни. Наиболее хорошо известна регенерацня целого органа
из его небольшого остатка, когда новообразующая часть формируется
на
раневой
поверхности.
Классический
пример
этого
способа
— регенерация конечности хвостатых амфибий. Восстановительиые процессы локализованы в зоне раны и образуют
так называемую регеиерационную бластему, четко отграниченную
от прочих,
не вовлеченных
в регенерацию
областей.
Такой
тип регенерации носит название эниморфоза (что иногда переводится как отрастание). В других случаях (при разрезании на
частн низших животных
— гидр, Планарий) нанесенная травма
вызывает перестройку всего тела животного. Хотя и здесь наблюдается отрастание, но оно обеспечивается не только элементами раневой зоны, но и мобилизацней элементов всего оргаБазма. Такой тнп регенерации носнт название реорганизации
{морфаллаксиса). Иногда
(например,
в конечности
насекомых) регенерация осуществляется путем комбинирования эпиморфоза с морфаллаксисом.
По своим масштабам и значимости регенерационные процессы неодинаковы; они могут носнть локальный характер и не
влиять существенно на жизнедеятельность особи, но могут охватить весь инднвндуум.
Известны
целая особь
28
процессы особенно глубокой реоргаиизации, когда
возникает как бы заново: из небольшого участка
взрослой особи (целая асцидия
— Из участка жаберной корзинки взрослой асцндии), из скоплення диссоциированных клеток
(губки, кишечнополостные) и даже из одной дифференнцнрованной
клетки
взрослого
организма
(образование
растения
из
оди-
ночной соматической клетки). Некоторые авторы предлагают
отделить эти процессы от собственно регенерационных и обозначают их как процессы реституции (Г. Дриш) или «соматиче-
ского эмбриогенеза»
(Б. П. Токнн и Г. И. Короткова). Б. П. То-
кин н Г. П, Короткова относят к соматическому эмбриогенезу
те случаи, когда морфологическая ось особей возникает заново, а к регенерации
— лишь те восстановительные процессы,
при которых старая ось сохраняется.
Наконец, существует тип реакции на повреждения, нменуемый эндоморфозом (регеиерационная гипертрофия) или диффузной регенерацией, наиболее
типичный
для теплокровных
ЖИВОТНЫХ.
Клеточные источники регенерацни
Один нз нерешенных
вопросов,
касающихся
механизмов
регенерационного процесса,— вопрос о происхождении клеток,
из которых строится новообразующаяся часть тела. Регенерация пронсходит в уже сформированном организме, где процессы
дифференцировки,
ток ослаблены
клеток в этих
В современной
вается
на
три
а во многих
тканях
н процессы
делення
кле-
или прекращены. Каким образом и из каких
условиях
возникают
структуры
регенерата?
литературе (см. Л. Д. Лиознер, 1975) указыисточника
клеток
для
регенерацнн.
1. Малодифференцированные клетки, сохраннвшнеся в ходе
эмбриогенеза (стволовые, камбиальные и т. д.). Имеется в виду,
что регенерацию обеспечивают представители тех же популяций стволовых клеток, которые в ходе эмбриогенеза являются
предшественниками
клеток,
формнрующих
ткани
и органы.
Предполагается,
няется
в
виде
что небольная
резерва
известны
случаи
Однако
отчетливо
во
часть
взрослом
стволовых
организме.
регенерации
с
такой
регенерации
способ
участием
клеток
сохра-
Действительно,
резервных
клеток.
продемонстрирован
пока только у низших животных— кишечнополостных и червей.
Как уже говорилось в гл. 3, у кишечнополостных есть так называемые интерстицнальные клетки, расположенные в обоих зародышевых
листках
поблизости
от
базальной
мембраиы.
Это
резервные камбиальные элементы, которые при регенерации
скапливаются вблизи раневой поверхностн. Из них могут возникать все остальные типы клеток (например, у гидры — эпителиально-мышечные, нервные, железистые, стрекательные и др.).
У
плоских
червей
источннком
жат необласты.
Другие случан
участия
ференцированных
клеток
регенерационного
в регенерации
менее
достоверны.
материала
резервных
В
слу-
малодиф-
скелетной
муску265
латуре обнаружены так называемые сателлитные клетки, которые, как предполагают, служат источниками клеток при регенерации.
2. Де- и редифференцнровка клеток дефинитивных тканей.
Один из путей образования новых дифференцированных клеток
— это
дедифференцировка
и
последующая
редиффереици-
ровка. Этот способ хорошо продемонстрировая на примере регенерации конечности хвостатых амфибий и во многих другнх
случаях.
Как
уже
говорилось,
регенерация
конечности
идет
по
типу
эпиморфоза. На раневой поверхности образуется конусовидное скопление педнфференцированных клеток
— бластема, в которой
заново
дифферениируются
скелетные
элементы,
мышцы,
кровеносные сосуды и соединнтельная ткань. Вопросу об источниках регенерадионного материала при восстановленни коиечности
было
посвящено
много
работ,
но до снх пор
эта проблема
окоичательно не решена. Несомненно, в регенерационной бластеме происходит дедифференцировка множества клеток, которые затем участвуют в формировании новых тканей. Весьма
вероятно,
что
дедифференцировка
идет
не
до
конца
и каждый
тип клеток в ходе реднфференциации воспроизводит только
самого себя.
3. Трансдифференцнровка и метаплазия при регенерации.
Еще один путь обеспечения регенерационного процесса
— превращение одного тнпа дифференцированных клеток в другие
(трансдифференцировка).
Крайний
случай трансдифференцировки
—
метаплазия
—
состоит
В
превращении
пронзводиых
одного зародышевого листка в пронзводные другого лнстка.
Такне процессы описаны у ряда беспозвоночных животных—
кольчатых червей, немертин, кишечнополостных, асцидий. Так,
немертнна Мен
полностью восстанавливается из переднего
участка тела, лишенного энтодермы. При этом клетки кишечпика образуются из мезенхнмных элементов. Чрезвычайно сильная
метаплазня
наблюдается
при
регенерацни
и бесполом
раз-
множении таких сравнительно высокоорганизованных животных, как асцидии. Уже говорилось, что целая асцидия может
восстановиться из участка жаберной корзинки
— органа эктодермального происхождения. При бесполом размножении асцидий все органы тела могут заново возникать из так называемого эпикарда
— выроста кишечника, или из клеток мезенхимного типа.
„К метаплазии можно отнести и глубокую трансдифференцировку клеток края колокола медуз, недавно описанную швейгарскнм биологом Ф. Цмидом. Он установил, что из изолированной
поперечнополосатой
мускулатуры
может
возникать
гладкая мускулатура, стрекательные, пищеварительные и интерстициальные клетки, а при наличии контактов с энтодермой—
и нервные клетки.
Трансднфференцировкн, не выходящие за пределы одиого
566
)
зародышевого листка, довольпо широко распространены среди
позвоночных. Классический пример такой трансдифференцировки — восстановление удаленного у взрослого тритона хрусталика нз верхнего края радужной оболочки глаза. Этот процесс,
получивший названне вольфовской регенерации (по имени немецкого анатома Г. Вольфа, описавшего его в 1895 г), в последующем был детально нсследован. Было установлено, что вольфовская
регеперация
начинается
с глубокой
дедифференинров-
ки клеток края радужки, выбрасывания из них пигментных гранул, повышения содержания РНК и пробуждення способности к
митотнческим делениям и перемещенням. После того как эти
клетки образуют морфологически различимый зачаток хрусталика, в них в пормальшой последовательности синтезируются
тнпичные для хрусталика белки
— кристаллины, т. е. пронсходит истинная траисдифференцировка на молекулярном и клеточном уровнях.
.
У хвостатых амфибий и осетровых рыб удаленная сетчатка
может регенерировать из клеток пигментного эпителия и цилиарного зачатка. При этом также происходнт глубокая перестройка
клеток,
пробуждение
в
них
мнтотических
делений,
а
затем и синтеза белков, специфичных для сетчатки. По данным
О. Г. Строевой, у крыс превращение пигментного эпителия в
сетчатку возможно только в ранний эмбриональный период.
Эта способность исчезает между 16 сутками беременности и
рождением. Интересно отметить, что способность эмбрионального пигментного эпителия к дифференцировке в сетчатку является причиной тяжелой эмбриональной аномалии строения гла- за — колобомы, возникающей при задержке срастания краев.
глазной щели в ходе замыкания глазного бокала.
В последние годы явлення трансдифференцнровки отмечены
и в ходе регенерации конечности тритона и аксолотля (превращение соедннительнотканых клеток в мышечные
и мышечных —в хрящевые). Эти данные получены в опытах по пересадке в регенерирующую конечность клеток хряща нли мышц,
взятых от триплоидных илн меченных радиоактивным тимидином животных. Триплоидные илн меченные тимидином ядра в
обоих
случаях
были
обнаружены
и в хряще,
и в мышцах
реге-
нерата. Этн и подобные им опыты указывают на возможность
метаплазии в бластеме регенерирующей конечностн. Однако
степень участия этих процессов в регенерации конечности бесхвостых амфибий пока неясна.
Интерес к проблеме регенерации неизменно возрастает и,
если ранее она разрабатывалась на отдельных излюбленных
моделях, то теперь круг использованиых объектов сильно расширнлся как в гисто-анатомнческом, так и в онто-филогенетическом отношениях. В последние десятнлетия в цепитре внимания
исследователей стоят процессы регенерации у высокоорганизованных животных, главным образом млекопитающих.
` 267
Регеиерация
У млекопитающих
У млекопнтающих нет способности не только к регенерации
целого организма из его частей, но и к регенерации сложных
органов
— конечностей, глаз и т. д. Предполагается, что у высокоорганизованных животных регенерационная способность как
механйзм пассивного способа адаптации снизилась, но зато
выработались
и
усилились
активные
способы
приспособлеиия,
связанные с функцией органов движения, ориентации и с высшей нервной деятельностью. Однако имеются и противники
представления о снижении значения регенерационных явлений
у высших животных
считать
щих
(А. Н. Студитский, 1954). Этот спор нельзя
разрешенным.
(и человека)
Реакция
органов
на повреждения
и тканей
сложна
млекопитаю-
и еще далеко
не изу-
прикладная
значи-
чена. Это
обстоятельство,
а также
большая
мость этой
проблемы
медицины
(травматологии,
для
ортопедии,
транспланталогни и т. д.) стимулировали широкие исследовання
способности к регенерации у млекопнтающих и человека, Еще в
20-е годы в нашей стране А. В. Румянцевым были начаты работы по изученню восстановительных способностей клеток и тканей {п \1о
и т уЙго,
ставлений
о механизмах
новлено,
пред-
уста-
стимулирующее
действие
на
восстановительиые
В этом плане, особенно в СССР (А. Н. Студитский,
процессы.
М. А. Во-
Д.
Лиознер,
различных
современных
В настоящее время
оказывать
Л.
с помощью
легли в основу
регенерации.
можно
ронцова,
что
которые
Б.
П.
факторов
Токнн,
Л.
В.
Полежаев
и др.},
достигнуты значнтельные успехи в стимуляции регенерации мышечной и печеночной тканн, костей черепа и некоторых других
тканей и органов. Ведутся исследования по стимуляцнн регенерационных способностей сердечной мышцы. Однако этн работы сопряжены со значительнымн трудностями и пока рано делать какие-либо принципиальные выводы.
3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Фуидаментальные задачи биологии
индивидуального развития
РоЫ
&
`
ь„
Необходимо еще раз выделить фундаментальиые проблемы,
разработка которых в ближайшие 10—15 лет создаст основу
для значительного прогресса в биологии развития. Прежде всего это выяснение молекулярно-генетических механизмов разви-
тия. В настоящее
время
эта задача
решается,
а в ближайшие
годы будет решаться все более широко с использованием новейших достижений молекулярной геиетики и генной инженерии.
Генная инженерия —это комплекс методов, разработанных
в молекулярной генетике, позволяющих манипулировать с генамн. В результате этих манипуляций исследователь получает
возможность выделить в чистом внде и размножнть любой геи,
исследовать его структуру, выяснить, какне области кодируют
белок и какие участвуют в процессах регуляцни. Такие изолированные гены с установленной структурой вводят в бактериальную клетку, соматические клеткн животных и человека,
культнвируемые вне организма, и исследователь получает возможность изучать закономерности их экспрессии и структурнофункциональных взаимоотношений с другими генами и с геномом в целом. В последнее время разрабатываются подходы к
введению таких генов в развивающийся эмбрион,
а следовательно, во взрослый многоклеточный организм, т. е. открываются перспективы для генной инженерии зукариотических организмов. Сейчас ясно, что наиболее перспективен путь введения генов в яйцеклетки и ранние эмбрионы миогоклеточного
организма, когда будущий организм представлеи одной или
несколькими клетками, которые в генетическом отношенин адекватны взрослой особи. Иначе говоря, зародилось направление
генной инженерии высших организмов, которое развивается на
стыке эмбриологии н молекулярной генетики и получило иаз,
269
вание эмбриогенетики. Речь идет об эмбриогенетнческой инженерии, открывающей болышие перспективы в изучении структуры, функции и механизмов регуляции генов и генетического
аппарата в нндивидуальном развитии и во взрослом организме
животных (и человека). Уже нзвестны примеры успешиых’” попыток ввести гены вирусов в животный организм вышеописанным способом, однако реализация возможностей этого направления только начннается. Это направление обещает дать очень
многое для разработки общебнологнческой проблемы
— раскрытия принципов регулирования функций генов у эукарнот.
Проблема ролн наследственности в индивндуальном развитии ине ограничнвается молекулярно-генетическнм аспектом. Уже
говорнлось о важном значении эпигенетических (эпигеномных)
механизмов в клеточной наследственностн, раскрытие которых
необходимо
для
выяснения
прнроды
факторов
компетенции,
де-
терминации и их реализанни в внде конкретных дифференцировочных программ.
Фундаментальное значение для понимания закономерностей
индивндуального развитня имеет выяснение механизмов и роли
межклеточных, межтканевых и межсистемных взаимодействий.
Сейчас известно, что эти взанмодействия лежат в основе как
дифференцировочных, так и интегративных процессов. Иначе
говоря, межклеточные взаимодействия
— это механизмы, которые, включая молекулярно-генетнческий и клеточный уровни,
формируют следующий по сложности уровень (клеточно-ткакевый, органный и организменный)
механизмов, регулнрующих
инднвндуальное развитие. Познание межклеточных механизмов
дает ключ к поннмаиню таких процессов, как индукция, дифференцировка, морфогенез. Более того, оно открывает и путь к
пониманию природы целостности развивающейся особи
— высшего уровня механизмов индивидуального развитня. Сформулн` рованную еще в конце прошлого века проблему целостности, несмотря на ряд ценных идей и экспериментальных фактов, до
сих пор ле удалось сушествейао продвидуть виеред.
Решение всех этих и других фундаментальных задач есть
путь к главной цели биологии индивидуального развития
— создалию единой теорнн нндивидуального развития организмов.
оо
Е
7
ы
.
1
о
и
ме
°
Прикладные
задачи биологии
ииднвидуального
развития
В настоящее время в биологии индивидуального развития
создаются предпосылки, которые позволят разрешить многие
прикладные проблемы медицины и сельского хозяйства. Остановимся на некоторых важных прикладных задачах.
Неоценим
вклад
нерации
костей
ших
переломов
от
нашей
отечественной
и внутрениих
илн
органов.
врожденных
науки
в области
Сотни
людей,
дефектов
реге-
страдав-
конечностей,
из-
лечены методом Г. А. Илизарова. Эмбриологи внесли н вносят
большой вклад в разработку и совершенствование методов искусственного размножения жнвотных. В практику рыбоводства
прочно вошел «русский метод» искусственного оплодотворення
икры, методы нскусственного осеменения сельскохозяйственных
животных хранящейся в замороженном виде спермой высокопородных самцов. Искусственное осеменение в рыбоводстве и
животноводстве
— лишь первые шаги на путн создания технологии, которая позволит не только воспроизводить, но и управлять размножением животных. Это важно не только для реше1ия задач животноводства, но и для увеличення численности
диких жнвотных, особенно редких и вымирающих видов. Суть
этнх
разрабатываемых
вать
созревание
клеток
в тех
подходов
большого
случаях,
числа
когда
их
состоит
в уменин
ооцитов
для
число
в норме
стимулиро-
получения
яйце-
ограничено
(на-
пример, у млекопитающих}. Это позволяет сохранить их жизнеспособными,
оплодотворить
и получить
нз ннх потомство.
У млекопитающих решение такой задачи связано с умением
трансплантировать оплодотворенную яйцеклетку или эмбрион в
матку
той
кам.
В
той
фазе
же
самки,
любом
от которой
случае
полового
они
получены,
самка-реципиент
цикла,
когда
ее
матка
илн
другим
сам-
должна
находиться
готова
к имплантации
в
зародыша. Любая половозрелая самка может быть искусственно путем специальных гормональных воздействий переведена
в эту фазу начала беременности, но без зачатия; таких самок
называют «ложио беремениыми».
Эмбрионы,
трансплантированные в матку ложно беременных самок, способны нормально
имплантироваться и развиваться. Этот метод известен как метод трансплантации эмбрионов и основан на уменни управлять
(с помощью гормонов) половым циклом самок и манипулировать
ооцитами,
яйцеклетками
н ранними
эмбрионами
(предим-
плантационными). Этот метод уже используется в экспериментальных и племенных хозяйствах для быстрого размножения
ценных пород крупного и мелкого рогатого скота, свиней, пушных
зверей. Например,
прнем
вызвать
ные зиготы
нли
до
60
с помощью
овуляцнй
(что надежнее)
этих операций
можно
и трансплантировать
эмбрионы
на стадии
за одип
получен-
морулы
де-
сяткам самок-реципнентов любой породы. При этом в матку
одной коровы можно трансплантнровать по два эмбриона (по
одному в каждый рог), получая таким образом двойню. В рам271
‹
.
‘
‹
„
ках метода трансплантации число двоен в потомстве удается повысить до 70%. 10—20-кратное увеличение чнсленности потомства
нужной
родительской
пары
с помощью
техники
трансплан-
тацни уже реальное, но дорогое мероприятие, т. е. экономически
недостаточно рентабельио. В настоящее время этим способом
получают десятки и сотни тысяч сельскохозяйственных животных. Одна из причин низкой эффективности метода
— ограниченная жизнеспособность яйцеклеток и эмбрионов, что сопряжено с необходимостью их немедлеиной пересадки после вымывания из половых путей. Поэтому самки-реципиенты должны
быть заранее подготовлены. Эта трудность уже преодолевается,
зародыши можно культивнровать некоторое время в питательиых средах, их можно законсервировать путем глубокого замораживания в присутствии специальиых консервантов и хранить
на
протяжении
многих
месяцев.
При
этом
40—70
%
эмбрионов
сохраняет способность к дальнейшему нормальному развитию.
Метод криоконсервации позволяет существенно улучшить данный
способ
размножения:
можно
создавать
банки
эмбрионов,
перевозить их в другие хозяйства и т. д. Перевозка эмбрионов
позволяет преодолеть многие трудиости в племенной работе,
связанные с ограничениями ( и дороговизной) ввоза (или вывоза} племенных животных.
Другая проблема, решение которой таит в себе большие возможности для животноводства,— эТо создание с помощью эмбриологических манипуляций методов получения генетических
копий (клонов) животных. Животные за редким исключеннем
размножаются половым способом. В результате объединення
в зиготе мужского и женского геномов возникают новые генотилы, и даже потомство одной роднтельской пары генетическн
неоднородно. Тем самым половой процесс, обеспечнвая
необходимое для жизнеспособиости вида генетическое разнообразие,
создает трудиости в точном воспроизводстве и размножении выдающихся по своим породным качествам особей сельскохозяйственных животиых, которые создаются в результате длительной
селекционной работы. Нужно найти возможность получать потомство,
ной
которое
особи,
обеспечить
ее
было
клоном.
невозможно,
бы
точной
Половым
генетической
копией
размноженнем
клонирование
необходимы
«вегетативные»
подобспособы
размножения. У бактерий, большая часть жизненного цикла которых представлена гаплоидной фазой, обычный способ размножения
(деление}
ведет
к образованию
клонов.
У растений
наря-
ду с половым широко распространено вегетативное размножение,
что также позволяет размножить генотип одной особи. Кроме
того, половозрелое растение может быть выращено из одной
соматической клетки, благодаря чему может быть Получена
целая
популяция
растений — клон,
У животных в настоящее время не удается заставить соматическую клетку развиваться в миогоклеточный организм, позтому проблема создания генетических копий животных связана
272
с преодолением больших научных и технических трудностей.
Однако уже существует ряд методов клонирования. Так, с помощью амейотического партеиогенеза у шелкопряда получают
в массе генетически идентичных самок, а с помощью мейотического партеногенеза и аидрогенеза
— самцов. Такнм образом,
эти методы позволяют иметь генетнческие копии и одновременно:
регулировать пол, т. е. решать еще одну важную прикладнуюзадачу. У млекопитающих партеногенетическое развитие зародыщшей останавливается иа ранних стадиях, и этим путем еще не
удалось получить взрослых животиых. Причииы нх нежнзнеспособности не выяснены. Однако известно, что они связаны не сотсутствием в зародыше хромосом самца, а с тем, что яйцеклеткн,
которые
не
прошли
творения,
недоактивированы.
дотворить,
а
затем
через
стадию
Если
с помощью
же
нормального
яйцеклетку
оплодо-
мыши
микрохирургической
опло--
операции
удалить мужской пронуклеус, оставив женский, то такой зародыш, культивировавшийся некоторое время в среде, содержащей цитохалазин В, развивается до взрослого состояния. Цито-:
халазин В блокирует цитотомию, не препятствуя удвоению хромосом. В его присутствии женский пронуклеус удваивается, но.
цитотомиий не происходит, и гаплоидный зародыш преобразуется
в диплондный
— развивается гиногенетическая особь. Этим способом в 1979 г. К. Ильменси и П. Хопне впервые получили гиногенетическое
потомство
у мышей.
Как и следовало
ожндать,
в’.
потомстве были одни самки (каждая особь содержала ХХ-пары
гоносом, возникших в результате удвоения Х-хромосомы на стадии, когда под влиянием цитохалазииа В произошла диплоидизация клеток зародыша).
Поскольку однояйцевые близнецы являются точными гене-тическими копиями, ио в природе очень редки, разрабатываются подходы к их искусствеиному получению в больших количествах. Если двухклеточиый эмбрион мыши поместить в среду-`
с ферментом проназой, расщепляющим белки, оболочка размягчается, бластомеры разъединяются и способны развиваться до.
стадии бластоцисты. Хотя геиетически такие близнецовые эм-брионы идеитичиы, они отличаются по массе (числу клеток)..
Однако
до
сих
пор
еще
не удалось
получить
взрослых
мышей--
близнецов, так как такие зародыши погибают после трансплантации. Недавно в Англии с помощью этого приема впервыеудалось
получить
рогатого скота.
Но
один
из
5 пар
близнецов-ягнят
и близнецов
крупного
наиболее
перспективных
подходов
— это
клоии-
рование путем траисплантации ядер соматнческих клеток в энук-леированные
яйцеклетки.
Эта
задача
недавно
технически
реше-
на на млекопитающих (мыши). К. Ильменси и П. Хоппе транс-плантировалн ядра из внутренней клеточной массы раннего эмбриона мыши в энуклеированные яйцеклетки, получили из них
бластоцисты и трансплантнровали их в матку «приемной» матери. Подобные операцин, по-видимому, удастся осуществить и на
18
3эказ
645
сельскохозяйственных
животных,
т. е. клонировать
их.
Специа-
листы счнтают, что эта задача будет решена в ближайшем
бу-
дущем.
.
.
Существуют важные медицинские аспекты работы с яйцеклетками и эмбрионами. Один из Них — оказание помощи женщинам
при
некоторых
формах
бесплодия
(непроходимость
труб}. Внервые в Англии, а затем и в других странах успешно
проведены операции по извлечению из янчника женщины ооцитов, их выращнванию
тацин
в матку
нормальных
г.
ун),
во всем
Эти
оплодотворению
н трансплан-
операции
завершилнсь
трансплантации
яйцеклеток,
рождением
детей,
Благодаря
1978
в пробирке,
матери.
методу
(когда
в Англии
мире
родилась
появились
первая
на свет
начиная
девочка
150 вполне
с
Лесли
Бро-
здоровых
де-
тей, К концу 1983 г. ожидается рождение еще по крайней мере
200 детей, прошедшнх стадию раннего развития вне материн-
ского
оргавизма.
стала
обычной
Эта техника
клинической
за короткий
процедурой,
срок из уникальной
хотя
не
каждая
опе-
рация завершастся успешно.
Культивирование
впервые
открыло
яйцеклеток
и
перспективу
эмбрионов
Исследования
вне
организма
малоизвестного
предимплантационного периода раннего развитня человека. Вви-.
ду того что в естественных условиях информацию об этом периоде
развития
получить
трудно,
недостаточно
изучено
и
дей-
ствие лекарственных соединеннй и других факторов на состояние зародыша в предимплантационный период. Культивирование
же
позволяет
разрабатывать
бесплодия,
восполнить
этот
контрацептивные
связанные
с функцией
пробел,
более
эффективно
средства,
выяснять
яйцеводов,
и т. д.
причнны
Культивирование
ранних
зародышей
открыло
также
возможность раннего определения (пока с целью отбора для
трансплантации} эмбрионов нужного пола. В этом направлении
достигнуты
уже
некоторые
успехи
на
сельскохозяйственных
животных. Оказалось, что если на стадии бластоцисты от трофобласта отделить небольшое число клеток, то это пе влияет
на последующее развитие эмбриона. Удаленные же клетки некоторое время можно культивировать в питательных средах,
затем из них готовят препараты метафазных пластинок и по
хромосомам определяют пол эмбриона. Все это время эмбрионы можно сохранять жизнеспособными {например, путем криоконсервации)
пужны
и
после
определения
для трансплантации.
пола
отбирать
те,
которые
Этот подход будет иметь большое
практическое значение в животноводстве.
Манипулированне эмбрионами открывает большие возможпости и для решения другнх медицинских, и медико-биологическнх проблем (например, в онкологии, тератологии, в лечении
наследственных заболеваний). Так, представляют интерес опыты
с
мышей
274
ипъекциями
(получение
тератокарцицомных
«инъекционных
клеток
химер»),
в
бластоцисты
проведенные
в ла-
°
боратории
американской
исследовательницы
Б.
Минц.
Оказа-
лось, что в некоторых случаях тератокарцнномные клетки, введенные в бластоцисту, принимают участие в дифференцировке
нормальных
тканей
— «нормализуются»
в
ходе
развитня.
Не-
смотря на то что эти интересные результаты еще не всегда поддаются объясненню, можно ожидать, что это направление работ откроет возможностн диагностнки некоторых видов рака
путем
введеиия
малигнизированных
клеток
в
бластоцисты
Н
последующего анализа потомства этнх клеток в органах. п тканях взрослого организма. Подобный биологический тест мог бы
позволить отсортировать клетки, полисетью утративщие способность к нормальному
развитию,
от тех, функция
которых
еще может быть восстановлена. В этом плане развивающийся
эмбрион
— наиболее
адекватная
клетки,
эмбриональной
а мехаиизмы
система
для
проверки
регуляции,
потепций
создающие
для
нее максимально благоприятиые условия, способствовали бы
нормализации нарущеннй, возникшнх в результате малигнизации. Одиако
эти возможности,
если
оии реализуемы,
могут
быть.
нспользованы нескоро.
Есть основания предполагать, что с помощью методов эмбриогеиетической ииженерии можио будет решить и задачу
терапии
генов.
В
настоящее
время
в
генофонде
уже зарегистрировано свыше 2000 дефектных
продолжают накапливаться и служат причиной
болезней.
Эти
болезни
не поддаются
человечества
генов, которые
наследственных
кардинальному
излечению,
н дефектные гены в неизменном виде передаются потомству.
Современные медицинские средства способны лишь облегчить
страдаиия больиых, охватывая весьма ограничеиный ряд таких
болезией (например, случаи, когда из-за дефекта в гене в оргаинзме отсутствует какой-либо гормон или другой продукт. который может быть восполнен введеиием извне). Однако негативные последствия от присутствия в геноме дефектных генов преодолеть таким путем в большиистве случаев невозможно. Такозы многочисленные тенвые мутадии, которые проявляются в
эмбриогенезе и приводят к иарушениям развитня органов и
тканей.
Теоретически, исходя из современных представлений, избавиться от дефектного гена можно лишь путем его замены нормальным геном, что уже реализуется с помощью генетической
трансформации на микроорганизмах. В настоящее время ноказано, что у животных генетическая трансформация, по-видимому, будет осуществляться путем введения нормальных генов в
нх яйцеклетки
(зиготы). Ожидается, что уже в ближайшее
время этим способом удастся заменять дефектные гены у животных, которые также имеют наследственные болезни. Будет
ли такая же возможность когда-либо реализована в медицинской генетике, сказать трудно, поскольку это всегда связаио с
решением
не
только
научно-техпических,
но
и
морально-этичсе-
ских проблем.
18+
`.
275.
Таким образом, современная эмбриология открывает новые
возможности для решеиия прикладных задач, ио осуществление этих возможиостей зависит от прогресса фундаментальных
исследований, которые проводятся в лабораториях.
*
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Аптер М. Кибернетика
и развитие. М, 1970,
Астауров Б. Л. Партеногенез, андрогенез и полиплоидия. М., 1977.
Баглай Е. Б. Формирование представлений о причинах индивидуального
развития. М., 1979.
Белоусов Л. В. Введение в общую эмбриологию. М., 1980.
Бляхер Л. Я. Аналитическая и экспериментальная эмбриология.—В кн
История
биологии с начала ХХ века до наших дней. М., 1975.
° Бодемер
Ч. Современная
эмбриология.
М.,
1971.
Гайсинович А. Е. К. Ф. Вольф и учение о развитии организмов. М., 1961.
ция
Газарян К. Г. Тарантул
и экспрессия. М., 1983.
В.
Гердон
функции
Дж.
Ганзбуре
Дьюкар
Регуляция
А.
9.
С.
3. Геном
генов
Оплодотворение
Клеточные
эукариот.
у
в развитии
рыб
взаимодействия
Молекулярная
и
организа-
животных.
проблема
в развитии
М.,
1977.
полиспермии.
М.,
животных.
Зотин А. И. Термодинамический подход к проблемам
ктарения. М., 1974.
Зуссман М. Биология развития. М., 1977.
М.,
развития,
1978.
роста
и
Иберт Дж. Взаимодействующие системы в развитии. М., 1968.
Игнатьева Г. М. Ранний эмбриогенез рыб и амфибий. М., 1979.
Иммуногенез
и клеточная
дифференцировка.
М.,
1978.
Кафиани К. А, Костомарова А. А. Информационные макромолекулы в раннем
развитии. М., 1978.
Конюхов Б. В. Генетика развития позвоночных. М., 1980.
Межклеточные взаимодействия. М., 1980.
Мещеряков В. Н. и Белоусов Л. В. Прострапственная организация
ния. Итоги
науки и техники. Сер. Морфология
человека
и животных.
пология, 1978, т. 8.
д Мицкевич М. С. Гормональная регуляция в оитогенезе
1978.
Мина М. В. и Клевезаль Г. А. Рост животных. М., 1976.
Нейфах А. А. и Тимофеева М. Я. Молекулярная
вития. М., 1977.
Нейфах А. А. и Тимофеева
биологии развития. 'М., 1978.
Николис Г. и Пригожин И.
М.
1979.
Объекты
биологии
Происхождение
мекоторых
групп
М.
Я.
Проблема
Самооргапизация
развития/Тод
половых
беспозвоночных.
Л.,
1968.
клеток
Антро-
животных.
М.,
биология процессов раз-
регуляции
в молекулярной
в неравновесных
ред. Г. А. Детлаф.
и развитие
дробле-
М.,
системах.
1976.
в онтогенезе
позвоночных
и
Страница отсутствует
Страница отсутствует
Нуссбаум М. 44
Ныюкуп П. 23, 165
Тойвонен С. 23, 168
Токин Б. П. 15, 965, 268
Том
Пандер Х. 9
Полежаев Л. В. 268
Попов В. В. 15
Ратке М. 9
Раттер В. 232
Ру В. 10—13, 16, 17,
Уоддингтон К. 253
Уотсон Г. 20, 27
Фабриций Д. 7
Фельген Р. 21
Филатов Д. П. 14, 233
Фишер
Э. 19
Фохт В. 124, 125
184
Сакс Ю. 98
Саксен Л. 23, 233
Санжель Ф. 190
Сваммердам Я. ?
Светлов
Р. 953
Тьюринг А. 254
НП.
Г.
1$
Стертеваит
А.
18
Соин С. Г. 127
Френч
П. 251
Хадорн
К,
219,
Хоппе П. 273
Страсбургер Э. 16
Строева О, Г. 267
Струнников В. А. 92
Студитский А. Н. 268
я
у
Г
220
Чайльд Ч. 249—251
Чермак К. 17
Шмид
Тарковский В. 221
Татум Е. 20
Тидеман Х, 168, 232
Тимофеез-Ресовский Н. В. 19
^
Тихомиров А. А. 92
Ф. 266
Шмидт Г. А. 15
ШпеманГ, 13, 14,
ре
Эвери
О. 21
156,
161,
163,
167,
.
ПРЕДМЕТНЫЙ
Акразиевые
грибы
234
Акросома 55, 83
Акросомная реакция 83—85
Активация яйцеклетки 81
Аляантоидиая ножка [38
Аллантоис
129,
Амакрины
195
134,
}
135
Амелобласты 172
Амнион 129
Амниотнические оболочки
Амплификация генов 62
Амфибластула 113
134,
135
Андрогамоны 83
Аидрогенез 91, 93, 94
Андрогены 182
Ангиобласты 183
Антигея Н—У 181
Лпикальный гребаиок
Археоциты
Аутоподий
Белки,
188, 189
49
189
защитные 25
каталитические
195
.
202
211
44—51,
225
Гормои-рецепторный
комплекс
Градненты физнологические
Губы бластопора 117, 121
Детерминация
Висцеральный листок мезодермы 182
Ворсинки вторичные 138
— первичные 138
249—251
134
152—168
Днакинез 70
Димипуция хроматина
Диплонема 54
Дискобластула 113
210
Диссипативные структуры
Дифференцировка
ДНК
253—255
204—296
— вторичная структура 24, 27
—
первичная
ДНК-полимераза
120—122
238
Дедифференцировка 224
Деламинация 116
Делепия созревания 70
Дерматом 174—190
Десцеметов эпителий 197
182
Внсцеральный скелет 171, 199
Вителлогенез 58, 63, 64, 113
Внезародышевая мезодерма 132,
Вольфовы каналы 179
— типы 115—118
Геном 29, 37
Гемобласт 183
Гемоглобни 39, 185
194—198
Граафов пузырек 67
95
Бластула 96, 112, 113
Бластуляция 112, 113
Боковая пластинка 124,
.-
Горизонтальные клетки 195
87, 120—122
Гаструляция у амфибий
26
Гоносомы
Гоноциты
Бластоцель 112, [13
Бластоциста 136
Гаметогеиез 43—81
Гастроцель 117
Гаструла 115, 120
171, 193
Гистоны
131
Гонадотропные гормоны 70
Бластоциста 196, 127
Бластомеры 96—-106, 135
Бластопор
Гипофиз
Глазной бокал 194
— пузырь 194
Головная книзка 134
— складка 132
Гомейозисные мутации
— структурные 25
Биполяры
Ген-оператор 86
Ген-регулятор 36
Генетический код 29
Гензеновский узелок 130,
Генотий 216, 2[8
Гепатоциты 173
Гетерохроматин 215, 216
Гиногамоны 83
Гнногенез 91, 93, 95
Гипобласт 129
Гипоталамус 193
Глаз, развитие
функцин
—
—
УКАЗАТЕЛЬ
32
структура
24, 27
Дозовая компенсация генов 215
Дорсальная губа бластопора 121,
Дробление 96—114
—
—
—
—
{61
анархическое 104
билатеральное 104
голобластическое 100
дискоидальное 100—12:
281
—
—
—
—
—
меробластическое 99
поверхностное 99—100
раднальное 101-102
спиральное 102—104
синхронное 108—111
Жаберные
—
Желток
—
—
карманы
щелн
Комплементарная
Конечности,
Кортиев
170
170,
171
отложение 63, 64, 67
распределение в яйцеклетке
79, 80, 97, 98
Желточная оболочка 78
— пробка 121
Желточные вены 183
Желточный
мешок
127,
132,
136,
185
Закладка
мезодермы
телобластическая 118
|
— энтероцельная 119
Закон Дриша 13, 157—159
Зародышевого сходства закоп 9
Зародышевые листки 129, 134
Зародышевый щиток 199, 138
— узелок 135, 136
Зигонема 53
Зигоподий 189
Знгота 81, 271
Зобная железа 171
Зубной зачаток 171, 172, 232
Избирательная
сортировка
229—281
Изгибы головного мозга 192
клеток
Изофермепты 206
Имагинальные диски 219, 220
Иммиграция мультиполярная 115
— униполярная 115
Имплантация 139
Мивагинация
117,
Индукторы
166—168
Индукция
121,
122
.
пеовичная
последователь-
ность 27
Контактная ингибиция 229
Контактная ориентировка 188,
ь
13, 161—165
Индукции вторичные 197, 200, 231—
234
кишечноИнтерстициальные
клетки
полостных 49, 265
развитие
орган
188,
198
Кортикальная
реакция
Кортикальный
слой
83—87
78, 80
Край обрастания 129
Кристаллины 197, 222
Кровеносные сосуды, развитие
Кровяные островки 132, 183
` Лактоген 249
«Ламповые щетки» 35, 36
Легкое, дифференцировка 172,
Лептонема 753
Лимфоциты 186—188
Малигнизация
189
189
183
173
3
225
Медиаторы 217
Медуллобласты
199
Мезодерма
122
Межклеточные взаимодействия
тантные 234—236
— контактные 227—933
115,
— целомическая
Мезодермальный
Мезонефрос 178
дис-
105
индуктор
173,
174
— трубка 122, 191—193,
Нервный гребень 171, 199, 200
— желобок 123
Нефрогенная мезепхима 180
198
Мейоз 51—55, 75
Меланоциты 199, 223
Метанефрос 178
Метаморфоз 243
Метаплазия 266
Микропиле 78
Мниобласты 176
Миокард: 182
Миотом 175
Миотубы 177
Мозговые пузыри 192
Морула 105. 113, 135, 271
Морфаллаксис
Морфогенез
264
11, 270
Мюллеровы каналы 181
— клетки 195
Интроны 30, 39—40
Информацнонная
Информационные
Информосома 41
Кавитация
Карман
емкость генома
макромолекулы
118
Ратке
171,
Невропор
Невроцель
123
123
Негистоновые белки 43
Нейробласты 193
Нейроглия 194
193
Каузально-аналитический подход
Кейлоны 246
Клоны клеточные 218, 223
Кодои 29, 41
инициаторный
Кожа, развитие 189—191
Колобома 267
Компетенция 153, 197
282
31
24
41
11
Нейруляция
122—124
Необласты 48
Нервная пластинка
Нефростом
Нефротом
179
176
122
Суклеопротеиды 26
Нуклеосома 26, 42
Нутриментарный тип питания
Оболочка
оплодотворения
Оболочки
яйцеклетки
Процессинг 40
Проэритробласты
Пуффы
65
86
вторичные
78
— нервичные 73
— третичные 78, 79
Обонятельные плакоды 199
Обратная транскрипция 34
Овуляция 75
Онкогенные вирусы 34
Оогенез +46, 51, 67—61, 240
Оогонии
46
Оперон
36
,
Ооцит 57—75
Оплодотворение 89—95
Пангенезиса глпотеза 15
Парахордалии 176
Паращитовидные железы 17!
Паристальный листок мезодермы
Партеногенез 81, 91—95
Пахинема
182
54
Пенетрантность 19
Первичная бороздка 130
— полоска 130
Перибласт 126, 127
Перибластула 113
Перивителлиновое пространство 86
Печень, дифференцировка 173, 226
Иигментный
Пиноцитоз
эпителий
67,
195
68
Илазматические клетки 139—141
Плазмобласты 187
Повторяющиеся гены 37
Поджелудочная железа, дифференцировка 173, 174
Полисомы 42
Полиспермия 87, 88, 107
Половая цитоплазма 46
Половые железы, развитие 180
Полярная лопасть
—
плазма
Регенерация репаративная 264, 265
— физвологическая 262-264
Регуляции эмбриональные
[2, 158—
161
Релизинг-гормон 237
Репликативная вилка 38
Репликация
-32, 34
Репликон 309
Репрессор 36
Ретикулоцит 186
Ретровирусы 34
Рецентор 237, 238, 246
РНК-полимераза 32
Рост 256—262
аккреционный 257, 260
аллометрический 269—282
зуксетнчный 257
257,
мультгипликативный
258—260
РЕ!
Орган слуха, развитие 198, 199
Ортохромный эритробласт 186
185
хромосом 216
105
105
Поляризация яйцеклетки 80, 81
Полярные тельца 72
модификации
Иосттраяскрипционные
РНК 40
Правила дробления Гертвига — Сакса — 98
Презумптивных зачатков карты
124—126, 131
Преформизм 6—12
Прехордальная пластинка 195, 176
Прогестерон 70, 237, 242
Пролактин 242
Пронефрос 178
Пронуклеусы 72
Протамин 26
— пролиферационный 257
Рост, градиенты
261
— уравнения 258—260
Сегрегация ооплазматическая 88—91
Сердже, развитие 182, 183
Сероза, серозная оболочка 129
Сертоли клетки 56, 57
Серый
сери 90, 155
Сетчатка 195-198
Синаптонемальный
Сингамия 87
Склера 197
Склеротом
175,
комплекс
354
176
Слуховая улитка 198
Слуховой пузырек 198
Слуховые косточки 171
— плакоды 198
Соматомедин 245
Соматотропин 244
Сомит
128, 131, 174, 255
Сперматида
55, 56
Сперматогенез 51—53
Сперматозонд 7, 8, 51, 55—57,
ЭТ, 240, 2506
Сперматогонии 46, 50—52
Сперматоциты
87—
51—55
Слермногенез 55—57
Спермолизины 84
Сисйсер 38, 39, 40
Сплайсинг 40
Стерробластула 113
Стилоподий
189
Стомодеум
171
Тератомы 225, 226
Тестостерон 241
283
.
243
Тотипотентность
Эквифинальность
Экдизон 244
Экзиотропин 244
ядер 210, 212
Трабекулы 176
Трансдетерминация 219, 220
Трансдифференцировка 224
Транскрипция 32
Транслядия 32
Тромбопоэтин 245
Трофобласт 135
Трофоциты
65
Туловищные
складки
Эмалевые органы
Эмбриокарцинома
Эндокард 182
Эндоморфоз
Энтобласт
Феногенетика 19
Фенотип 216, 218
Эпиболия
226
Фибробласты
188, 228
Халазы
клетки
66—69,
79
Хемотаксие 82
Химеры (генетические) 221
Хондрогенез 177
Хондроциты
Хорда
177
123, 128, 198, 200
Хорион 138
Хромосома
— прокариот 29, 35
—
Хрусталик
эукариот
194—196
Целобластула
Целом
118,
Цистрон
30
23
112, 113
179, 182
Цитотомия
108,
110,
Щитовидная
железа
172
225, 226
265
129
117, 120, 121
Эпигенез 7—12
Эпигенотип клетки 218, 213
Эпиморфоз 264, 266
Фолликул 66, 182
Фолликулярные
184
Экзон 30, 39
133
Фетопротеин
155,
Экспрессивность 19
Эктодерма 115
Эктосомы 46, 47
111, 273
171
250
Эпифиз
193
Эпоофорон 179
Эритропоэтин 184, 245
Эритроциты 184
Эстроген 242
Эукариоты 29, 37
Эухроматин 215
‚ -Ювенильный
гормон 244
Яйцеклетка 76—81
Яйцеклетки алецитальные 80
— гомолецитальные 98
изолецитальные 98
мезолецитальные 80
олиголецитальные 80
плазмолецитальные 80
полилецитальные 80
телолецитальные 80, 98
РЕРЕРЕРЕЕ
Тироксин
центролецитальные
98
°
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
о
о
Глава
1. Истоки и
него
развития
Глава
2.
уе
уве
основные этапы становления
.
.
`
.
`
.
‚
-
Молекулярно-генетические
развития,
,
Белки
-
организация
ата
р
.
индивидуального
(о:
и
.
Спермиогенез
Оогенез
Источники
развитие
первичных
Сперматогенез
Мей.
.
.
гоноцитов
половых
.
.
аппа-
.
.
„.
о.
ева
и
.
ии
и
ий
в эмбрногенезе
клеток.
.
ЗО
‚ДЕ
ЗОО
и
а
ООО
РОКОКО
.
а
органелл
и `макромолеку. а,
Созревание ооцита
Овуляция.
.
Структурная
.
генетичес кого
.
Глава 8. Нредзародышевое развитие (гаметогенез)
Общая характеристика
.
.
Первичные половые клетки (гоноциты)
.
Возникновение
(.
(о
и функционирование
ринципы организации и функционирования ‘тенов
Экспрессия генов у эукариот
.
.
.
с
к
ьа
Миграция
Индивидуа зь.
‹
.
.
Структурная
.
биологии, |
`
-
биологин
ее
Нуклеиновые кислоты
.
основы
о
.
,
.
.
.
на
#
капливаемых
В
ооците
ИК
.
организация и физиологические
.
-
особенности ‘яйцеклетки
Глава 4, Оплодотворение и партеногенез.
.
Дистантные взаимодействия между яйцеклеткой и сперматозоилом
Контактные взаимодействия сперматозоида с поверхностью оопула
Сингамия. Поведение мужского и женского ядер в яйше
.
.
,
Проблема
полиспермии
,
Перемещения
компонентов
Генетическое
(хромосомное)
Е
яйца ‘после оплодотворения
Ооплазматическая сегрегация
(ее
Партеногенез, гиногенез, андрогенез
.
кл
определение пола
Глава 5. Дробление и формирование
Общая характеристика дробления
Пространственная
бластул.
.
.
организация и морфология
\
^
.
ИА
..
де
ен
дробления
285
Закономерности дробления олиголенитальных яйцеклеток
`
`
;
Ооплазматическая сегрегация в ходе дробления
.
Активация репликации и особенности клеточных делений при дробдении .
.
.
:
Особенности клеточных делений 'в период дробления .
+
м
Сиихоониое и асиихрониое дробление ,
.
.
`
‚
Бластуляция
Активация
.
.
.
и функционирование
генов в `пернод. дробления
.
Глава 6. Гаструляция,
ейруляция,. образование провизорных органов
Способы гаструляции У зародышей с голобластическим типомм дробления .
о
.
.
Способы закладки мезодермы у разных груш : животных .
Гаструляция у амфибий.
.
.
.
.
.-
Нейруляция у зародышей амфибий.
.
Карты презумптивных зачатков амфибий’
Раннсе
развитие костистых
рыб
.
.
.
.
*
=
й
дк...
я
,
о.
Общие черты развития амниот.
.
(о
со
х
Раннее развитие птии.
.
.
ИИ
Раннее развитие высших млеконитающих ОА
Имплантация.
.
.
.
Молекулярные и тепетические аспекты‘ раннего развития (т
Глава
7. Детерминация,
цессы
в раннем
Основные
эмбриональная
развитии
понятия
.
.
регуляция
.
и индукциониые
.
.
Явления
и
регуляций
мозаичные
яйца
.
в нормальном развитии
ИА
и
.
ОА
Первичная эмбриональная индукция у амфибий.
Первичная индукция в других классах хордовых.
тенции эмбриснальной ткани
.
.
я
Эксперименты по выявлению. эмбриональных регулящий
Регуляционные
про-
.
.
Понятие
.
.
компе.
Возиикновение индукционных свойств в ходе развития
ИА
Региональность индуктора и индуцируемой нервиой системы
.
.
Механизмы индукции
,.
.
.
.
| `
.
.
=
ь
«
.
`
Глава 8. Органогенезы и цитодифференцировка
Развитие
производных
эитодермы
и
‚
.
связанных
с
.
НИМИ
закладок
Развитие производных
мезодермы
Раззитие производных эктодермы
.
.
.
хх
з
Вторичные индукции при органогенезах “ .
сет
Клеточные процессы, лежащие в основе формирования органов
Мутации и хромосомные аномалии, затрагивающие органогенезы
в
.
Флава 9. Механизмы клеточной дифференцировки
.
.
.
Молекулярно- генетический уровень деятельностн
механизмов клеточиой дифференцировкн
.
.
.
Случая изменений структуры тевома в ходе индивидуального развития
Функциональные
подходы
к оценке
генетических
потенций
дифферен-
цирующихся клеток
.
.
.
Дифференциальная активность генов
— осиова. клеточной. дифферениировкн
.
,
.
Геиотий н формирование фенотипа ‘дифференцирующейся клетки
.
Клеточный уровень проявления механизмов дифференцировки
.
‚.
Стабильность дифферснцированного состояния клетки
о
Флаза
10.
Межклеточиые
Контактные
285
взаимодействия
межклеточные
взаимодействия
её.
.
.
.
.
с.
-
Дистантные межклеточные взаимодействия
‚
.
’.
Гормоны
(уе
м
Глава
11.
Проблемы
целостности
.
.
.
-
развития
Теории физиологических граднентов и позиционной информации
Конценции морфогенетических полей и тополого-геометрические модели морфогенеза
.
Модели диссипативных структур и самоорганизации морфогенеза
Глава
12. Рот
.
Тниы
ростовых
Рост
как
.
ош
процессов
скалярный
.
13.
Регеверация
Физиологическая
процесс,
Репаративная
.
Уравнения
.
.
регенерация
регенерация
мультипликативного
‚о
Клеточные источники регенерации
„о
уз
Регенерация у млекопитающих
ру
а
Рекомендуемая
задачи
ы
+
›-
=
.
.
биологии
биологии
литература
Именной
указатель
Предметный
указатель
роста
ВОИ
Е.
Прикладные
‚
дея
И
нтк
Заключенне‘
‚
.
._
Фундаментальные задачи
ба
ЗЫ
Пространственная организация роста и видовая форма
Глава
`
в
‘индивидуального
индивидуального.
он
о.
„о
развития
развития
ен
се
ее
а
,
а
ин
а м
нь
и
и к
—.—
.
ь
.
а."
234
236
