Ярыгин В.Н., Васильева В.И., Волков И.Н., Синельщикова В.В. Биология. Книга 1
Подождите немного. Документ загружается.
301
на стадии 16 сомитов
У человеческих эмбрионов женского пола овогонии размножаются наиболее
интенсивно между 2-м и 5-м месяцами внутриутробного периода развития, когда их
число достигает примерно 7 млн. К 7-му месяцу многие овогонии погибают, а
сохранившиеся входят в профазу первого деления мейоза. Для части яйцеклеток
мейоз завершается в момент наступления полового созревания, а для части —
непосредственно перед менопаузой.
Специфика и зн
ачение химического состава цитоплазмы яйцеклетки.
Зрелая яйцеклетка, как правило, бывает крупнее овогонии и тем более крупнее
любых других соматических клеток. В ходе овогенеза в цитоплазме яйцеклетки
резервируется большое количество веществ, необходимых для ее созревания и
обеспечения раннего эмбриогенеза. Функциональная роль запасенных веществ
различна.
Во-первых, это компоненты, необходимые для процессов репликации,
транскрипции и трансляци
и, такие, как соответствующие ферменты, рибосомы,
мРНК, тРНК и их предшественники.
Во-вторых, это набор специфических регуляторных веществ, которые
обеспечивают координированное функционирование всех запасенных компонентов.
Некоторые из них, будучи в овоците уже к моменту оплодотворения, начинают
действовать только в фазе гаструляции. К названным веществам относятся фактор
дезинтеграции ядерной оболочки (с разрушения ядер
ной оболочки начинается
прометафаза 1-го мейотического деления); фактор, вызывающий конденсацию
хромосом; фактор, преобразующий ядро сперматозоида в пронуклеус и
активирующий в нем синтез ДНК перед дроблением; фактор, ответственный за
цитотомию во время дробления; фактор, ответственный за блок мейоза на стадии
метафазы II (у многих позвоночных снятие этого блока происходит только в
результате оплодотворения).
В-третьих, это же
лток, в состав которого входят белки, фосфолипиды,
нейтральные жиры, минеральные соли. Желток представляет собой запас
питательных веществ и энергетических ресурсов, необходимых для обеспечения
эмбрионального периода. Многие вещества, вырабатываемые печенью, попадают в
овогонии в период их роста через фо
лликулярные клетки яичника. Это требует от
самки больших энергетических затрат.
Благодаря описанным особенностям химического состава цитоплазмы
яйцеклетки зародыш на протяжении периода дробления в ряде случаев не
использует для развития генетическую информацию ядер зиготы и бластомеров.
Специфический химический состав и закономерное распределение веществ в
цитоплазме яйцеклетки имеют большое значение для нач
альных фаз эмбриогенеза.
Запасенные питательные и энергетические вещества обеспечивают эмбриональное
развитие без дополнительного поступления их извне.
Размер яиц и его роль в эволюции. Типы яйцеклеток. В процессе развития
выявляется закономерность, заключающаяся в том, что чем длиннее эмбриональный
период, тем больше желтка должно быть накоплено в яйцеклетке.
302
Продолжительность эмбрионального периода зависит от стадии, на которой
зародыш переходит к самостоятельному существованию во внешней среде. Если
постэмбриональное развитие идет прямым путем, т.е. без личинки и метаморфоза,
то желтка в яйцеклетке должно быть больше. По количеству желтка яйцеклетки
хордовых делят на алецитальные, олиго-, мезо- и полилецитальные, т.е. с ничтожно
малым, малым, средним и большим количеством желтка (от греч. лецитос —
желток).
У ланцетника, представителя низших хордовых, яйце
клетка
олиголецитальная. У большинства позвоночных в яйцеклетках содержится
значительное количество желтка. Среди низших позвоночных (Anamnia) наиболее
крупные яйца у миксин (кл. Круглоротые), у акул и химер (кл. Хрящевые рыбы) и у
безногих амфибий. У осетровых рыб, а также остальных ам
фибий яйцеклетки
мезолецитальные, т.е. имеют среднее количество желтка. У высших позвоночных
(Amniota), таких, как пресмыкающиеся, птицы и яйцекладущие млекопитающие,—
полилецитальные, т.е. в яйцеклетке очень много желтка. Эмбриональное развитие у
них протекает особенно долго.
Эта закономерность нарушена у сумчатых и плацентарных млекопитающих,
которые имеют олиго- и алецитальные яйцеклетки соответственно. У сумч
атых
эмбрион выходит из яйцевых оболочек и матки при незавершенном органогенезе,
переносится в сумку, где и продолжает развитие. У плацентарных и человека
зародыш выходит из яйцевых оболочек еще раньше, в стадии бластоцисты, но затем
переходит к внутриутробному существованию, где и завершает все основные
периоды развития, подгота
вливающие его к появлению на свет. Уменьшение
количества желтка в яйцеклетках млекопитающих можно назвать вторичным,
поскольку их предки, освоившие наземную среду, имели, как и все амниоты,
полилецитальные яйца.
Полярность яйцеклеток. При малом количестве желтка в яйцеклетке он
обычно распределен в цитоплазме равномерно и ядро располагается примерно в
центре. Такие яйцеклет
ки называют изолецитальными (от греч. изос —равный). У
большинства позвоночных желтка много, и он распределен в цитоплазме
яйцеклетки неравномерно. Это анизолециталъные клетки. Основная масса желтка
скапливается у одного из полюсов клетки — вегетативного полюса. Такие
яйцеклетки называют телолецйтальными (от греч. телос — конец).
Противоположный полюс, к которому оттесняется свободная от желтка активная
цитоплазма, называют анималъным. Если же
лток все же погружен в цитоплазму и
не обособлен от нее в виде отдельной фракции, как у осетровых и земноводных,
яйцеклетки называют умеренно телолецитальными. Если желток полностью
отделен от цитоплазмы, как у амниот, то это резко телолецитальные яйцеклетки.
Изложенные особенности размеров и полярности яйцеклеток хордовых
схематич
но сгруппированы в табл. 7.1.
Распределение желтка имеет решающее значение для всех последующих
процессов эмбриогенеза, так как определяет будущую пространственную
организацию зародыша. Вместе с тем необходимо отметить, что распределение
желтка — это как бы внешнее проявление более тонких процессов поляризации
303
яйцеклеток, осуществляющихся, по-видимому, в кортикальном слое и прилежащих
к нему цитоскелетных структурах.
Таблица 7.1. Типы яйцеклеток, встречающиеся у хордовых
Представители
типа Хордовые
В зависимости от
количества желтка
В зависимости от
распределения желтка
Ланцетник
Лягушка
Птица
Плацентарные
млекопитающие
олиголецитальная
мезолецитальная
полилецитальная
алецитальная
изолецитальная
умеренно телолецитальная
резко телолецитальная
олецитальная изолецитальная
Кортикальный слой — это поверхностный слой цитоплазмы яйца вместе с
плазматической мембраной. В нем находятся микрофиламенты и кортикальные
гранулы. Кортикальный слой играет важную роль в кортикальной реакции при
оплодотворении.
Полярность яйцеклеток намечается еще на стадии накопления желтка в
овоцитах во время их быстрого роста и закрепляется при выделении полярных телец
именно на анимальном полюсе. Внутреннюю разнокач
ественность участков яйца
называют овоплазматической сегрегацией.
Лицевые оболочки. Различают первичную оболочку, образуемую самой
яйцевой клеткой, вторичную оболочку, являющуюся продуктом деятельности
фолликулярных клеток, и третичныеоболочки, которыми яйцо окружается во время
прохождения по яйцеводу.
Первичная оболочка, иногда называемая желточной, имеется у яйцеклеток
всех животных. У позвоночных, в том числе млекопитаю
щих и человека, первичная
оболочка входит в состав плотной оболочки, образуя ее внутреннюю часть.
Внешняя часть плотной оболочки продуцируется фолликулярными клетками и
является вторичной оболочкой. Плотная оболочка изнутри пронизана
микроворсинками яйцеклетки, а снаружи — микроворсинками фолликулярных
клеток, отчего при большом увеличении она выглядит исчерченной и названа
лучистой оболочкой (corona radiata). За свои опт
ические свойства у млекопитающих
она получила название блестящей оболочки (zona pellucida). Таким образом, эта
оболочка совмещает в себе первичную и вторичную оболочки.
Третичные оболочки хорошо развиты у хрящевых рыб и амфибий, но
особенную сложность они приобретают у наземных позвоночных —
пресмыкающихся, птиц и низших млекопитающих. Образуясь из секретов желез
яйцевода, эти оболочки не имеют клеточного строения. У всех позвоноч
ных они
выполняют функции защиты зародыша от механических повреждений и действия
вредных биотических факторов, таких, как бактериальные, грибковые и
протозойные. Кроме того, у наземных позвоночных появляются принципиально
новые функции запаса воды и питательных веществ для обеспечения нужд
зародыша. У пресмыкающихся скорлуповая оболочка действует как насос, за
бирая
воду из почвы и воздуха. У птиц запас воды находится в белковой оболочке.
304
Поглощение и испарение воды регулируется порами в скорлуповой оболочке.
Скорлупа содержит множество минеральных солей, необходимых для развития
скелета зародыша.
7.4. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ И ПАРТЕНОГЕНЕЗ
Оплодотворение — это процесс слияния половых клет
ок. Образующаяся в
результате оплодотворения диплоидная клетка — зигота — представляет собой
начальный этап развития нового организма.
Процесс оплодотворения складывается из трех последовательных фаз: а)
сближения гамет; б) активации яйцеклетки; в) слияния гамет, или сингамии.
1. Сближение сперматозоида с яйцеклеткой обеспечивается совокупностью
неспецифических факторов, повышаю
щих вероятность их встречи и
взаимодействия. К ним относят скоординированность наступления готовности к
оплодотворению у самца и самки, поведение самцов и самок, обеспечивающее
совокупление и осеменение, избыточную продукцию сперматозоидов, крупные
размеры яйцеклетки, а также вырабатываемые яйцеклетками и сперматозоидами
химические вещества, способствующие сближению и взаимодействию половых
клеток. Эти вещества, называемые гамонами (гормоны гамет), с одной с
тороны,
активируют движение сперматозоидов, а с другой — их склеивание. В особой
структуре сперматозоида — акросоме —локализуются протеолитические ферменты.
У млекопитающих большое значение имеет пребывание сперматозоидов в половых
путях самки, в результате чего мужские половые клетки приобретают
оплодотворяющую способность (капацитация), т.е. способность к акросомной
реакции.
В момент контакта сп
ерматозоида с оболочкой яйцеклетки происходит
акросомная реакция, во время которой под действием протеолитических ферментов
акросомы яйцевые оболочки растворяются. Далее плазматические мембраны
яйцеклетки и сперматозоида сливаются и через образующийся вследствие этого
цитоплазматический мостик цитоплазмы обеих гамет объединяются. Затем в
цитоплазму яйца переходят ядро и центриоль сперматозоида, а мембрана
сперматозоида встраивается в мембрану яйцеклетки. Хво
стовая часть сперматозоида
у большинства животных тоже входит в яйцо, но потом отделяется и рассасывается,
не играя какой-либо роли в дальнейшем развитии.
2. В результате контакта сперматозоида с яйцеклеткой происходит ее
активация. Она заключается в сложных структурных и физико-химических
изменениях. Благодаря тому что участок мембраны сперматозоида проницаем для
ионов на
трия, последние начинают поступать внутрь яйца, изменяя мембранный
потенциал клетки. Затем в виде волны, распространяющейся из точки
соприкосновения гамет, происходит увеличение содержания ионов кальция, вслед за
чем также волной растворяются кортикальные гранулы. Выделяемые при этом
специфические ферменты способствуют отслойке желточной оболочки; она
затвердевает, это оболочка оплодотворения. Все описанные процессы предст
авляют
собой так называемую кортикальную реакцию. Одним из значений кортикальной
305
реакции является предотвращение полиспермии, т.е. проникновения в яйцеклетку
более одного сперматозоида. У млекопитающих кортикальная реакция не вызывает
образования оболочки оплодотворения, но суть ее та же.
У таких животных, как морской еж, костистые рыбы и земноводные, все
изменения цитоплазмы сопровождаются видимыми морфологическими
перестройками. Эти явления получили название расслоения или сегрегации плазмы.
Значени
е ее для дальнейшего эмбрионального развития будет рассмотрено ниже.
Активация яйцеклетки завершается началом синтеза белка на трансляционном
уровне, поскольку мРНК, тРНК, рибосомы и энергия были запасены еще в
овогенезе. Активация яйцеклетки может начаться и протекать до конца без ядра
сперматозоида и без ядра яйцеклетки, что доказано опытами по энуклеации зиготы.
3. Я
йцеклетка в момент встречи со сперматозоидом обычно находится на
одной из стадий мейоза, заблокированной с помощью специфического фактора. У
большинства позвоночных этот блок осуществляется на стадии метафазы II; у
многих беспозвоночных, а также у трех видов млекопитающих (лошади, собаки и
лисицы) блок происходит на стадии диакинеза. В большинстве случаев блок мейоза
снимает
ся после активации яйцеклетки вследствие оплодотворения. В то время как
в яйцеклетке завершается мейоз, ядро сперматозоида, проникшее в нее,
видоизменяется. Оно принимает вид интерфазного, а затем профазного ядра. За это
время удваивается ДНК и мужской пронуклеус получает количество
наследственного материала, соответствующего п2с, т.е. содержит гаплоидный набор
редуплицированных хромосом.
Ядро яйцеклетки, закончившее мейоз, превращается в женский пронуклеус,
также приобретая п2с. Оба пронуклеуса проделывают сложные перемещения, зат
ем
сближаются и сливаются (синкарион), образуя общую метафазную пластинку. Это,
собственно, и есть момент окончательного слияния гамет — сингамия. Первое
митотическое деление зиготы приводит к образованию двух клеток зародыша
(бластомеров) с набором хромосом 2n2c в ка
ждом.
Партеногенез (от греч. партеноз — девственница) — развитие без
оплодотворения. В случае естественного партеногенеза развитие идет на основе
цитоплазмы и пронуклеуса яйцеклетки. Особи, формирующиеся из яйцеклетки,
имеют либо гаплоидный, либо диплоидный набор хромосом, так как чаще всего в
начале дробления срабатывает один из механизмов удвоения числа хромосом. В
одних случаях в ходе мейоз
а женской половой клетки выпадает стадия редукции
числа хромосом и яйцеклетка получается с диплоидным пронуклеусом. В других
случаях диплоидизация происходит во время первого деления дробления, при
котором не происходит цитотомии.
Естественный партеногенез —явление редкое и, как правило, не бывает
единственным способом размножения вида. Он либо чередуется с нормальным
половым размножением, либо встреч
ается у отдельных рас. Естественный
партеногенез обнаружен у летних поколений некоторых ракообразных и
коловраток, у пчел, ос, рада чешуекрылых. Среди позвоночных
партеногенетическое размножение описано у трех рас скальной ящерицы Армении,
306
состоящих из одних самок. 40% яиц индеек, отложенных в отсутствие самца, могут
начать развиваться, однако это развитие редко доходит до конца, чаще
останавливается из-за возникающих аномалий. У других видов позвоночных
естественное партеногенетическое размножение неизвестно.
Искусственный партеногенез возможен, по-видимому, у всех животных.
Разработка методов партеногенетического развития — важная проблема в научном
и прикладном отношениях. Большой вклад в эту пробл
ему внесли отечественные
исследователи А. А. Тихомиров, Б. Л. Астауров, В. А. Струнников. Обнаружено, что
активация яйцеклетки сперматозоидом не является специфической. В качестве
активирующих могут выступать многие физические и химические факторы. На
тутовом шелкопряде было показано, что с помощью искусственного партеногенеза
можно регулировать соотношение мужского и женского пола в популяции, получая
большой экономический эффект.
Ест
ественный партеногенез чаще всего случается при незавершенном
оплодотворении, т.е. в тех случаях, когда имела место активация яйцеклетки, но
ядро сперматозоида не участвовало в оплодотворении. В активированных яйцах
используется информация только женского пронуклеуса. Такой вид партеногенеза
называют гиногенезом. При искусственном партеногенез
е можно удалить женский
пронуклеус, и тогда развитие осуществится только за счет мужских пронуклеусов.
Это андрогенез. В специальных опытах на морских ежах было установлено, что
потомки наследуют либо только признаки матери при гиногенезе, либо только
признаки отца — при андрогенезе. Это указывает на то, что наследственные
свойства особи определяются в основном ядром, а не цитоплазмо
й.
7.5. ЭМБРИОН
АЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ
7.5.1. Дробление
Сущность стадии дробления. Дробление — это ряд последовательных
митотических делений зиготы и далее бластомеров, заканчивающихся образованием
многоклеточного зародыша — бластулы. Первое деление дробления начинается
после объединения наследственного материала пронуклеусов и образования общей
метафазной пластинки. Возникающие при дроблении клетки называют
бластомерами (от греч. бласте—росток, зачаток). Особенностью митотических
делений дробления является то, что с кажды
м делением клетки становятся все
мельче и мельче, пока не достигнут обычного для соматических клеток
соотношения объемов ядра и цитоплазмы. У морского ежа, например, для этого
требуется шесть делений и зародыш состоит из 64 клеток. Между очередными
делениями не происходит роста клеток, но обязательно синтезируется ДНК.
Все предшественники ДНК и необходимые ферм
енты накоплены в процессе
овогенеза. В результате митотические циклы укорочены и деления следуют друг за
другом значительно быстрее, чем в обычных соматических клетках. Сначала
307
бластомеры прилегают друг к другу, образуя скопление клеток, называемое
морулой. Затем между клетками образуется полость — бластоцель, заполненная
жидкостью. Клетки оттесняются к периферии, образуя стенку бластулы —
бластодерму. Общий размер зародыша к концу дробления на стадии бластулы не
превышает размера зиготы.
Главным результатом периода дробления является превращение зиготы в
многоклеточный односменный зародыш.
Морфология дробления. Как правило, бласто
меры располагаются в строгом
порядке друг относительно друга и полярной оси яйца. Порядок, или способ,
дробления зависит от количества, плотности и характера распределения желтка в
яйце. По правилам Сакса — Гертвига клеточное ядро стремится расположиться в
центре свободной от желтка цитоплазмы, а веретено клеточного деления — в
направлении наибольшей пр
отяженности этой зоны.
В олиго- и мезолецитальных яйцах дробление полное, или голобластическое.
Такой тип дробления встречается у миног, некоторых рыб, всех амфибий, а также у
сумчатых и плацентарных млекопитающих. При полном дроблении плоскость
первого деления соответствует плоскости двусторонней симметрии. Плоскость
второго деления проходит перпендикулярно плоскости первого. Обе борозды
первых двух делений меридианные, т.е. начинаются на анимальном по
люсе и
распространяются к вегетативному полюсу. Яйцевая клетка оказывается
разделенной на четыре более или менее равных по размеру бластомера. Плоскость
третьего деления проходит перпендикулярно первым двум в широтном
направлении. После этого в мезолецитальных яйцах на стадии восьми бластомеров
проявляется неравномерность дробления. На анимальном полюсе четы
ре более
мелких бластомера — микромеры, на вегетативном — четыре более крупных —
макромеры. Затем деление опять идет в меридианных плоскостях, а потом опять в
широтных.
В полилецитальных яйцеклетках костистых рыб, пресмыкающихся, птиц, а
также однопроходных млекопитающих дробление частичное, или мероб-
ластическое, т.е. охватывает только свободную от желтка цитоплазму. Она
располаг
ается в виде тонкого диска на анимальном полюсе, поэтому такой тип
дробления называют дискоидальным.
При характеристике типа дробления учитывают также взаимное расположение
и скорость деления бластомеров. Если бластомеры располагаются рядами друг над
другом по радиусам, дробление называют радиальным. Оно типично для хордовых и
иглокожих. В природе встречаются и другие вари
анты пространственного
расположения бластомеров при дроблении, что определяет такие его типы, как
спиральное у моллюсков, билатеральное у аскариды, анархичное у медузы.
Замечена зависимость между распределением желтка и степенью
синхронности деления анимальных и вегетативных бластомеров. В
олиголецитальных яйцах иглокожих дробление почти синхронное, в
мезолецитальных яйцевых клетках синхронность нарушена после третьего деления,
так как вегетативные бластомеры из-за большого ко
личества желтка делятся
308
медленнее. У форм с частичным дроблением деления с самого начала асинхронны и
бластомеры, занимающие центральное положение, делятся быстрее.
Рис. 7.2. Дробление у хордовых животных с разным типом яйцеклетки.
А — ланцетник; Б — лягушка; В — птица; Г — млекопитающее:
I—два бластомера, II—четыре бластомера, III—восемь бластомеров, IV—морула, V—
бластула;
1—борозды дробления, 2—бластомеры, 3— бластодерма, 4—бластоиель, 5—
эпибласт, 6— гипобласт, 7—эмбриобласт, 8—трофобласт; размеры зародышей на
рисунке не отражают истинных соотношений размеров
309
Рис. 7.2. Продолжение
К концу дробления образуется бластула. Тип бластулы зависит от типа
дробления, а значит, от типа яйцеклетки. Некоторые типы дробления и бластул
представлены на рис. 7.2 и схеме 7.1. Более подробное описание дробления у
млекопитающих и человека см. разд. 7.6.1.
Особенности молекулярно-генетических и биохимических процессов при
310
дроблении. Как было отмечено выше, митотические циклы в периоде дробления
сильно укорочены, особенно в самом начале.
Например, весь цикл деления в яйцах морского ежа длится 30—40 мин при
продолжительности S-фазы всего 15 мин.
GI- и 02-периоды практически
отсутствуют, так как в цитоплазме яйцевой клетки создан необходимый запас всех
веществ, и тем больший, чем она крупнее. Перед каждым делением происходит
синтез ДНК и гистонов.
Скорость продвижения репликационной вилки по ДНК в ходе дробления
обычная. Вместе с тем в ДНК бластомеров наблюдается больше точек инициации,
чем в соматических клетках. Синтез ДНК идет во всех репликонах одновременно,
синхронно. Поэтому время репликации ДНК в ядре совпадает с временем удвоения
одного, притом укороченного, репликона. Показано, что при удалении из зиготы
ядра дробление происходит и зародыш доходит в своем развитии почти до стадии
бластулы. Дальней
шее развитие прекращается.
В начале дробления другие виды ядерной активности, например
транскрипция, практически отсутствуют. В разных типах яиц транскрипция генов и
синтез РНК начинаются на разных стадиях. В тех случаях, когда в цитоплазме много
различных веществ, как, например, у земноводных, транскрипция активируется не
сразу. Си
нтез РНК у них начинается на стадии ранней бластулы. Напротив, у
млекопитающих синтез РНК уже начинается на стадии двух бластомеров.
В периоде дробления образуются РНК и белки, аналогичные синтезируемым в
процессе овогенеза. В основном это гистоны, белки клеточных мембран и
ферменты, необходимые для деления клеток. Названные белки используются сразу
же наравне с белками, запасенными ранее в цитоплазме яйцеклеток. Наряду с этим в
период дробления возможен синтез белков, которых не было ранее. В пользу этого
свидетельствуют данные о наличии региональных различий в синтезе РНК и бе
лков
между бластомерами. Иногда эти РНК и белки начинают действовать на более
поздних стадиях.
Важную роль в дроблении играет деление цитоплазмы — цитотомия. Она
имеет особое морфогенетическое зн
ачение, так как определяет тип дробления. В
процессе цитотомии сначала образуется перетяжка с помощью сократимого кольца
из микрофиламентов. Сборка этого кольца проходит под непосредственным