Для членистоногих характерен способ гаструляции

Эмбриология

Эмбриология человека – это направление науки, занимающееся изучением развития зародыша, то есть организма на ранних стадиях развития до рождения. Знания в области эмбриологии человека необходимы всем врачам, особенно работающим в направлении педиатрии и акушерства.

Знания эмбриологии оказывают помощь при диагностике нарушений в системе мать-плод, выявлении болезней детей после рождения, а также выявлении причин уродств.

На сегодняшний день знания в сфере эмбриологии применяют для выявления и ликвидации причин бесплодия, разработки противозачаточных препаратов, трансплантации фетальных органов. Приобрели актуальность проблемы трансплантации зародыша в матку, экстракорпорального оплодотворения и культивирования яйцеклеток.

Эмбриология изучает несколько стадий развития зародыша:

• оплодотворение с дальнейшим образованием зиготы;
• дробление и образование бластоцисты;
• гаструляцию – процесс образования зародышевых листов и осевых органов;
• органогенез и гистогенез внезародышевых и зародышевых органов;
• системогенез.

Внутриутробное развитие делится на три основных периода:

• начальный – первая неделя;
• зародышевый – вторая-восьмая недели;
• плодный – начинается с девятой недели и завершается рождением ребенка.

В среднем внутриутробное развитие человека продолжается 280 суток.

Эмбриология: стадия оплодотворения и образования зиготы

Оплодотворение – процесс слияния мужских и женских половых клеток, в результате которого восстанавливается диплоидный набор хромосом и возникает новая клетка – оплодотворенная яйцеклетка (зигота). Для возможности оплодотворения концентрация в эякуляте сперматозоидов должна соответствовать 20-200 млн/мл, а их общее количество – 150 млн/мл.

Процесс оплодотворения состоит из трех фаз:

• дистантного взаимодействия и сближения гамет;
• контактного взаимодействия с активацией яйцеклетки;
• проникновения сперматозоида в яйцеклетку с последующей сингамией (слиянием).

Дистантное взаимодействие обеспечивает хемотаксис — совокупность специфических факторов, отвечающих за повышение вероятности встречи мужских и женских половых клеток. В этом процессе важную роль играют вырабатываемые половыми клетками химические вещества.

Сразу после эякуляции происходит процесс капацитации – сперматозоиды под воздействием секрета женских половых путей приобретают оплодотворяющую способность. На механизм капацитации большое влияние оказывают гормональные факторы (например, прогестерон), активизирующие секрецию маточных труб.

Оплодотворение происходит в маточных трубах, ему предшествует осеменение, обусловленное хемотаксисом.

При контактном взаимодействии сперматозоиды приближаются к яйцеклетке, а затем вступают в контакт с ее оболочкой.

Далее происходит процесс проникновения головки и хвоста спермия в овоплазму. На периферии овоплазмы образуется оболочка оплодотворения.

В организме женщины в течение 12 часов после сближения мужского и женского пронуклеусов образуется одноклеточный зародыш – зигота.

Эмбриология: стадия дробления и образования бластоцисты

Дробление – это последовательный процесс деления зиготы без роста бластомеров. У человека дробление полное, асинхронное и неравномерное.

После первого дробления в организме женщины образуются два бластомера. Один из бластомеров обладает более крупными размерами и темной окраской, второй – светлый и более мелкий.

Из крупного бластомера происходит образование зародыша и большинства провизорных органов: плодной части плаценты и соединительной ткани хориона, желточного мешка, амниона, аллантоиса. Из второго бластомера развивается трофобласт.

Образование бластулы

Мелкие клетки в процессе дробления делятся быстрее крупных и обрастают их снаружи. Таким образом, образуется морула – скопление клеток. Внутри нее расположены крупные клетки, названные эмбриобластом, а снаружи мелкие клетки, названные трофобластом.

В ходе деления клеток морула увеличивается в размерах, клетками зародыша начинает секретироваться жидкость и накапливаться под трофобластом.

В дальнейшем объем жидкости увеличивается, образуется полость внутри зародыша, наполненная такой жидкостью, эмбриобласт оттесняется к периферии и прилипает к трофобласту. Образуется бластоциста.

Трофобласт образует выросты – ворсинки, вследствие чего поверхность бластулы неровная. Трофобласт – это первый провизорный орган, образующийся у зародыша. В дальнейшем трофобласт войдет в состав плаценты. Посредством трофобласта происходит имплантация зародыша в слизистую оболочку матки.

Эмбриология: стадия гаструляции

В результате перемещения клеток после образования бластулы образуется гаструла – двуслойный зародыш. Процесс образования гаструлы назван гаструляцией.

В процессе гаструляции происходит интенсивное перемещение клеток – будущие зачатки тканей перемещаются в соответствии с планом структурной организации будущего полноценного организма.

На стадии гаструляции зародыш состоит из зародышевых листков — разделенных пластов клеток. Наружный слой – эктодерма, внутренний – энтодерма. У позвоночных животных образуется третий слой (средний) – мезодерма.

Из эктодермы развиваются:

• эпителий кожи;
• нервная система;
• эмаль зубов;
• органы чувств.

Из энтодермы развиваются:

• эпителий легких;
• пищеварительные железы;
• эпителий средней кишки.

Из мезодермы развиваются:

• кровеносная система;
• соединительная и мышечная ткани;
• половые железы;
• почки и др.

Выделяют несколько способов гаструляции:

• инвагинация – осуществляется путем втягивания в бластоцель стенки бластулы;
• деляминация – в эпителиальный пласт эктодермы преобразуются клетки, располагающиеся снаружи, а оставшиеся формируют энтодерму. Деляминация характерна для кишечнополостных;
• эпиболия – обрастание клетками при неполном дроблении внутренней массы желтка или обрастание клеток другими быстро делящимися клетками;
• иммиграция – миграция внутрь бластоцеля части клеток стенки бластулы;
• инволюция – вворачивание наружного пласта клеток, увеличивающего в размерах, внутрь зародыша.

Эмбриология: стадия гистогенеза и органогенеза внезародышевых и зародышевых органов

Органогенез – совокупность процессов, приводящих к формированию зачатков органов и их последующей дифференциации в процессе эмбрионального развития.

В органогенезе выделяют:

• нейруляцию – процесс образования нейрулы. В нейруле закладывается мезодерма, состоящая, в свою очередь, из зародышевых листков и осевого комплекса органов – хорды, нервной трубки и кишки. Клетки комплекса органов влияют друг на друга. Такое влияние носит название эмбриональной индукции.
• гистогенез – ряд процессов, обеспечивающих образование и восстановление тканей в ходе онтогенеза.

На сегодняшний день эмбриология стала одним из важнейших направлений науки. В медицине ее применение не ограничивается областью гистологии и анатомии. Эмбриология имеет важное значение в развитии профилактической медицины, направленной на разработку и тестирование новых медицинских препаратов, борьбу с наследственными заболеваниями. Эмбриология имеет большие перспективы, связанные с развитием генетики и ряда других наук.

Также эмбриология тесно связана с ЭКО, так как эмбриологический период является одним из важнейших этапов программы экстракорпорального оплодотворения.

Клиническая эмбриология изучает причины нарушений эмбрионального развития, механизмы развития уродств, а также способы влияния на эмбриогенез.

Разработки в области ЭКО стали возможными благодаря использованию высокотехнологической медицины и развитию клинической эмбриологии. Исход экстракорпорального оплодотворения в большой степени зависит от знаний и опыта специалиста-эмбриолога.

Источник

Гаструляция книдарий: ключ к пониманию филогенеза или хаос вторичных модификаций?

Данные по эмбриональному развитию книдарий, относящихся к низшим многоклеточным животным, часто используются для решения вопросов, связанных с происхождением и ранней эволюцией Metazoa, а также с основными закономерностями эволюции онтогенеза. Особое внимание уделяется гаструляции – морфогенетическому процессу, в ходе которого клетки раннего эмбриона дифференцируются на зародышевые листки и формируется первичный план строения. В статье проведен сравнительный анализ гаструляции различных книдарий. Мы показывали, что для гаструляционных морфогенезов книдарий характерна высокая степень межгрупповой, внутригрупповой и индивидуальной изменчивости. Мы считаем, что способ гаструляции у книдарий определяется не столько эволюционной историей рассматриваемого вида, сколько эволюционно пластичными адаптивными признаками, такими, как размер яйцеклетки и содержание в ней желтка, число клеток на стадии бластулы или морулы, наличие фототрофных симбионтов, экология личинки. Поскольку онтогенез книдарий обладает высокой эволюционной пластичностью, его изучение должно способствовать лучшему пониманию фундаментальных закономерностей эволюции процессов развития.

У многоклеточных животных (Metazoa) во время эмбрионального развития происходит дифференцировка зародышевых листков: экто- и эндодермы у «низших», «двухслойных» животных, или экто-, эндо- и мезодермы у «высших», трёхслойных животных. Зародышевые листки дифференцируются в ходе гаструляции — процесса, во время которого также закладывается первичный план строения организма. Считается, что изучение гаструляции «низших» Metazoa является ключом к пониманию происхождения и ранней эволюции животных, и особенно закономерностей эволюции их онтогенеза. Достаточно вспомнить теории гастреи Э. Геккеля и фагоцителлы И.И. Мечникова, в которых морфология эмбриона на стадии гаструлы рассматривается как рекапитуляция (воспроизведение) одного из самых ранних этапов эволюционного становления Metazoa. Данные по эмбриональному развитию «низших» Metazoa широко используются в настоящее время для подтверждения или опровержения филогенетических построений и макроэволюционных гипотез. Неформальная группа «низших Metazoa» объединяет типы Cnidaria (стрекающие или книдарии), Porifera (губки), Placozoa и Ctenophora (гребневики). Предполагается, что книдарии являются сестринской группой по отношению к билатерально-симетричным животным (Bilateria).

Как типичные представители низших Metazoa, книдарии обладают простым планом строения, который принято считать эволюционно примитивным (рис. 1). Они двухслойны: их тело состоит из экто- и эндодермы. Книдарии имеют единственную орально-аборальную ось тела, кишечную полость, открывающуюся наружу только одним (ротовым) отверстием. К числу признаков, характерных для типа Cnidaria, можно отнести также разнообразие способов бесполого размножения, высокую способность к регенерации, а также к тканевым и клеточным трансдифференцировкам (способность взрослой региональной стволовой клетки дифференцироваться в клетки другого органа и/или другого зародышевого листка). В настоящее время в типе Cnidaria выделяют пять классов: Anthozoa, Scyphozoa, Staurozoa, Hydrozoa и Cubozoa (рис. 2). Их филогенетические взаимоотношения остаются спорными.

Несмотря на прогресс в изучении развития книдарий современными методами (в том числе методами молекулярной генетики и биоинформатики), наши знания об их эмбриональном развитии, к сожалению, часто остаются на уровне конца XIX века. Могут ли имеющиеся у нас данные по раннему развитию книдарий прояснить спорные моменты их эволюции и филогении? В статье «Гаструляция книдарий: ключ к пониманию филогенеза или хаос вторичных модификаций?» авторы отвечают на этот вопрос, анализируют накопленные к настоящему моменту сведения об эмбриональном развитии, и в первую очередь, о гаструляции различных представителей типа Cnidaria.

У книдарий существует четкая преемственность между орально-аборальной полярностью взрослого животного и полярностью яйцеклетки. Оральный полюс полипа соответствует анимальному полюсу яйца, на котором происходит отделение полярных телец, расположен женский пронуклеус и закладывается первая борозда дробления. У видов, гаструляция которых морфологически поляризована, этот полюс также является полюсом формирования эндодермы. У активно плавающей личинки планулы этот полюс становится задним концом. Из заднего конца планулы в ходе метаморфоза формируется оральный полюс полипа.

Первичный план строения Cnidaria формируется при помощи широкого спектра различающихся путей развития. Эти пути эквифинальны, так как у абсолютного большинства книдарий они приводят к одному и тому же итогу: формированию двухслойной личинки планулы (или паренхимулы, а затем планулы).

Изучение эмбрионального развития, и особенно гаструляции Cnidaria имеет очень длинную историю. Фактически, классификация типов гаструляции и первые описания многих гаструляционных морфогенезов, сделанные в XIX веке, были основаны на изучении эмбриогенеза книдарий (Metschnikoff, 1886). В тот же период данные по развитию книдарий и других низших Metazoa (губок) начинают использоваться для построения теорий происхождения многоклеточности и онтогенеза животных (Metschnikoff, 1886; Haeckel, 1874).

Одна из самых удачных классификаций типов гаструляции (гаструляционных морфогенезов) была предложена О.М. Ивановой-Казас (1975, с. 50). Эта классификация подчёркивает тесную связь типов гаструляции с морфологией бластулы, которая, в свою очередь, зависит от особенностей дробления. В статье приводится её упрощённый вариант (рис. 3).

Итак, если в результате дробления получается целобластула (рис. 3, а), гаструляция может осуществляться за счёт первичной (клеточной) деламинации (рис. 3, б), униполярной иммиграции клеток (рис. 3, в), мультиполярной иммиграции клеток (рис. 3, г) и инвагинации (рис. 3, д). Если в результате дробления получается морула (плотная группа клеток) (рис. 3, е), гаструляция может осуществляться за счёт вторичной (морульной) деламинации (рис. 3, ж). Если в ходе дробления получается бластула, состоящая из клеток, резко различающихся по размеру (амфибластула, рис. 3, з), то гаструляция скорее всего будет осуществляться за счёт эпиболии (рис. 3и). Существует также довольно редкий вариант гаструляции – изгибание плакулы (рис. 3, к, л). Если целобластула по каким-то причинам имеет плоскую (дисковидную) форму, то ее можно называть плакулой (рис. 3, к), а гаструляция представляет собой последовательное преобразование этого диска в чашу и сферу с отверстием – бластопором (рис. 3, л). Интересно, что у книдарий обнаружены практически все варианты гаструляционных морфогенезов, приведенные на этом рисунке. При таком разнообразии уместно задаться вопросом, существует ли строгая связь между типом гаструляции и филогенетическим положением тех книдарий, для которых он характерен. Попробуем выяснить так ли это, рассмотрев особенности гаструляционных морфогенезов у представителей разных таксонов книдарий. В статье рассматриваются гаструляция 4-х классов книдарий — Anthozoa, Scyphozoa, Staurozoa и Hydrozoa (информации по раннему развитию Cubozoa в литературе отсутствует). Однако здесь мы остановимся (в качестве примера) на анализе данных по гаструляции Anthozoa и Hydrozoa,

Гаструляция у Anthozoa
В классе Anthozoa эмбриогенез лучше всего изучен у подкласса Hexacorallia. За последние два десятилетия было подробно изучено развитие модельных видов: актинии Nematostella vectensis и склерактинии Acropora millepora . Развитие немодельных склерактиний сейчас очень активно изучает эмбриолог Нами Окубо (Токийский Университет). Наш анализ развития этой группы в значительной степени опирается на её данные (Okubo et al., 2013). Обобщив всю имеющуюся в литературе информацию, мы выделили пять основных вариантов путей развития Hexacorallia (рис. 4, а-д):

Насколько жестко тот или иной путь развития связан с таксономическим положением вида? Самое необычное развитие, при котором формируется плакула (вариант 5), наблюдается только у некоторых родов склерактиний. Однако при более внимательном анализе их развития выясняется, что эмбрион на прегаструляционной стадии далеко не всегда может быть с полным основанием описан как плакула: очень часто полость бластоцеля бывает хорошо выражена. Полностью соответствует варианту 5 развитие представителей лишь нескольких родов, например, рода Acropora . У других родов склерактиний рот формируется непосредственно из отверстия бластопора, а клетки архентерона (гастрального впячивания) не деэпителизуются.

Судя по всему, эмбрионы разных видов Hexacorallia можно выстроить в ряд постепенных переходов – от целобастулы до плакулы. Так, эмбрион актинии Nematostella приобретает форму изогнутой плакулы или чаши несколько раз на протяжении стадии «пульсирующей бластулы». Мы предполагаем, что уплощенная или чашеобразная форма ранних эмбрионов актиний и склерактиний может быть временной, как у Nematostella , и эмбрионы принимают ее несколько раз до начала гаструляции. Насколько это предположение справедливо, можно будет сказать только после более детального исследования эмбриогенеза представителей этих кораллов методом. Если оно справедливо, то вариант развития 3 может быть полностью сведен к варианту 1.

Таким образом, у проанализированных таксонов Hexacorallia внутригрупповое разнообразие путей развития сопоставимо с межгрупповым. Значительная часть этого разнообразия связана с накоплением в яйцеклетках желтка, затрудняющего морфогенетические движения, а также с необходимостью транспортировки симбионтов в клетки эндодермы. При этом разнообразие самих гаструляционных морфогенезов невелико.

Гаструляция у Hydrozoa
По данными молекулярной филогении, Hydrozoa – самая молодая группа книдарий. Именно в процессе изучения этой группы были открыты все основные гаструляционные морфогенезы, кроме инвагинации. В работе, посвященной эмбриональному развитию книдарий, Мечников (Metschnikoff, 1886) предложил разделять гаструляционные морфогенезы на гипотропные (т.е. униполярные, поляризованные) и мультиполярные (аполярные) по отношению к орально-аборальной оси книдарий. К поляризованным морфогенезам относятся униполярная иммиграция, инвагинация и эпиболия, а к мультиполярным – первичная (клеточная) деламинация, вторичная (морульная) деламинация, смешанная деламинация (комбинация первичной и вторичной деламинации) и мультиполярная иммиграция (см. рис. 3). Нужно подчеркнуть, что Мечников не рассматривал эти морфогенезы как дискретные варианты («Некоторые из этих способов нельзя резко разграничить, так как они связаны переходами»).

Для многих гидроидов характерна стадия морулы (рис. 3е; 5а, в, ж, з). Морфология морулы у разных видов заметно различается. Иногда морула представляет собой рыхлый агрегат клеток (рис. 5а). В этом случае гаструляция осуществляется за счет своеобразной формы вторичной деламинации. Для стадии гаструлы тогда характерны неправильная форма эмбриона, а также высокий уровень морфологической и морфогенетической изменчивости (рис. 5, д), который резко снижается при переходе к стадии паренхимулы (рис. 5м). Морула может быть плотной, и тогда вторичная деламинация, не связана с существенным изменением формы эмбриона вплоть до стадии паренхимулы (рис. 5в, з). Из паренхимулы, как правило, формируется личинка — планула, у которой эпителизована не только эктодерма (как у паренхимулы), но и эндодерма (рис. 5н).

Морула также может формироваться в процессе первичной деламинации. Так протекает развитие у гидроидов, которые формируют бластулу со слабо выраженным бластоцелем (рис. 5, б). Благодаря ориентации митотических веретен перпендикулярно поверхности эмбриона дочерние клетки отшнуровываются в полость бластоцеля (рис. 5, е, ж). В результате получается плотная морула (рис. 5з). Окончательное обособление эктодермы от эндодермы осуществляется за счет вторичной деламинации.

У других гидроидов первичная деламинация начинается на относительно поздней стадии. В этом случае успевает сформироваться бластула с хорошо выраженной полостью (рис. 5, г, и), которая постепенно также превращается в плотную морулу (рис. 5, з).

Если в ходе дробления получается бластула, гаструляция может происходить за счет униполярной или мультиполярной иммиграции (рис. 5, к, л).

Униполярная иммиграция — очень распространенный морфогенез. Он связан с униполярным формированием колбовидных клеток, которые постепенно выселяются в бластоцель (рис. 5, к). Этот процесс приводит к формированию паренхимулы (рис. 5, м). Мультиполярная иммиграция, напротив, описана для очень небольшого числа видов гидроидов.

Инвагинационный мофогенез не найден до сих пор ни у одного гидроида. Скорее всего, отсутствие инвагинации среди гаструляционных морфогенезов можно считать признаком, характерным для класса Hydrozoa.

Итак, гаструляционные морфогенезы Hydrozoa очень разнообразны. Еще в XIX веке предпринимались попытки найти закономерности, объясняющие их распространение среди представителей этого класса. Мечников обратил внимание на связь способа гастуляции с экологией эмбриональных стадий. Судя по всему, эмбрионы, ведущие подвижный образ жизни (становящиеся личинками на стадии бластулы), формируют эндодерму с помощью униполярной иммиграции. С другой стороны, эмбрионы, развивающиеся до стадии планулы в материнском организме или лежащие на дне используют мультиполярные морфогенезы (Metschnikoff, 1886). При внимательном анализе большего числа видов обнаруживается, что представители близких родов могут использовать совершенно разные способы гаструляции. Учитывая, что уже описаны виды гидроидов с индивидуально изменчивой гаструляцией, можно сделать вывод, что в классе Hydrozoa разнообразие гаструляционных морфогенезов связано скорее с экологией эмбрионального развития, чем с таксономическим положением вида, причем внутригрупповое разнообразие не уступает межгрупповому.

Заключение
Наш анализ гаструляции Cnidaria показал, что не существует дискретных, четко различающихся путей развития. Мы увидели, что разные варианты гаструляционных морфогенезов распределены по классам и отрядам книдарий в значительной степени мозаично; четкой приуроченности к тем или иным таксонам, как правило, не наблюдается. Скорее следует говорить о существовании непрерывной изменчивости способов развития.

Судя по всему, способ гаструляции у книдарий часто менялся в ходе эволюции. Он подвержен значительной внутригрупповой изменчивости, порой не уступающей межгрупповой. Возможно, способ гаструляции книдарий определяется не столько эволюционной историей рассматриваемого вида и его таксономической принадлежностью, сколько эволюционно пластичными адаптивными признаками, такими как размер яйцеклетки и содержание в ней желтка, число клеток бластулы, наличие фототрофных симбионтов, экология личинки. Более того, ход гаструляции подвержен внутривидовой (индивидуальной) изменчивости. Из этого следует, что гаструляционные морфогенезы книдарий могут иметь лишь весьма ограниченное применение при решении частных вопросов филогенетики. С другой стороны, сравнительное изучение онтогенеза низших Metazoa проливает свет на общие закономерности морфогенетических процессов и их эволюции, что крайне важно для понимания ранних этапов становления животного царства.

Источник