РАЗВИТИЕ ЭПИДЕРМИСА И ОРГАНОВ, В ОБРАЗОВАНИИ КОТОРЫХ ОН УЧАСТВУЕТ

Большая часть эктодермы, остающейся на поверхности зароды­ша после нейруляции, развивается в эпидермис кожи. Но мы уже знаем, что и различные другие структуры являются дери­ватами эктодермы. Она участвует в формировании глаза, так как из нее развиваются хрусталик и роговица. Большое число других органов и частей органов развиваются в связи с дифференциацией эпидермиса: перья, чешуи, потовые и сальные же­лезы, млечные железы у млекопитающих.

Эпидермис раннего эмбриона птиц и млекопитающих снача­ла состоит из одного слоя клеток. У куриного зародыша он, диф­ференцируясь взаимозависимо с подлежащей соединительной тканью, на 7-й день развития становится двухслойным. Лишь на поздних стадиях развития птиц и млекопитающих возникает внутренний листок, состоящий из ряда слоев размножающихся клеток, — так называемый мальпигиев слой эпидермиса. У ку­риного зародыша на 17-й день эпидермис становится многослой­ным. В теснейшей взаимозависимости дифференцируются эпите­лий и соединительно-тканная часть кожи — дерма. Вместе они и составляют кожу как орган. Соединительно-тканная часть кожи развивается из мезенхимы, являющейся производной мезодер-мального пласта зародыша (дерматом), и нервного гребня. Нерв­ный гребень в начале своего появления после смыкания нервной пластинки в медуллярную трубку представляет массу клеток, лежащих на месте бывшего смыкания краев медуллярной пла­стинки. Этот клеточный материал, мигрируя от места происхож­дения в латеральном и вентральном направлениях, у разных позвоночных участвует в образовании многих структур (жабр, частей лицевого скелета и т. д.). Висцеральный скелет, напри­мер, полностью развивается из клеточного материала нервного гребня.

У амфибий эпителий ранних эмбрионов двухслойный. Наруж­ный листок называется перидермой, а внутренний — сенсорным, потому что он принимает участие в образовании некоторых орга­нов чувств.

Начальные этапы развития многих структур — производных эпидермиса — сходны в том отношении, что сначала образуются локальные утолщения эпидермального эпителия. Эти пластинко-образные утолщения называются плакодами. В соответствующих местах возникают парные плакоды, производными которых явля­ются обонятельные мешки, черепные нервы, слуховые пузырьки и др. Из плакод, находящихся в соседстве со слуховыми, раз­виваются органы чувств боковой линии. У рыб боковая линия тянется вдоль всего тела, однако вся она образована плакодами, возникающими в области развития органа слуха.

Зачатком обонятельной выстилки органа обоняния служит пе­редняя, впоследствии обособляющаяся часть нервной пластинки.

Согласно данным Н. Джакобсона

 

(1966), индуцирующее влия­ние на эктодерму, подготовляющее детерминацию линзовой за­кладки, осуществляется не только глазным зачатком, но и энто­дермой, и презумптивной сердечной мезодермой.

Столь подробное изложение опытов, касающихся развития хрусталика, важно потому, что, как увидим в гл. XI, упоминав­шиеся интересные данные классических работ Г. Ш^емана и В. Льюиса послужили толчком для создания в 30-х годах Г. Шпеманом теории индивидуального развития, главенствовав­шей в эмбриологических исследованиях более двух десятилетий. Другие добавочные структуры глаза — сосудистая оболочка, склера, или, иначе, белочная оболочка, и роговица — обеспечи­вают его функцию.

Наружные оболочки глаза (сосудистая и склера) образуются из мезенхимы, окружающей развивающийся глазной бокал. Внут­ренний слой клеток мезенхимы развивается в сеть кровеносных сосудов, окружающих пигментный эпителий. Это и есть закладка сосудистой оболочки. Наружная масса мезенхимных клеток — источник формирования склеры — преобразуется в фиброзную капсулу, играющую защитную роль и служащую местом прикреп­ления мышц глаза.

У птиц и рептилий капсула становится хрящевой и даже кост­ной, у других позвоночных она остается фиброзной.

Сосудистая и белочная оболочки вначале прилегают друг к другу по всей поверхности глазного яблока. Впоследствии между ними, в передней части, возникает пространство — передняя ка­мера глаза. Склера становится в этом месте прозрачной и уча­ствует в образовании роговицы- (cornea). Соответствующий же участок сосудистой, оболочки идет на построение наружного со-единительне-тканного слоя радужной оболочки и покрывающей хрусталик зародыша сосудистой оболочки.

Как уже сказано, роговица развивается из эпидермального эпителия и мезенхимы. Эпителий и соединительная ткань буду­щей роговицы в ходе развития глаза становятся прозрачными. Покрывающий глаз эпителий пигментирован.

Многочисленными экспериментами Г. Шпемана (1901) и О. Мангольда (1931) доказано, что превращение участка кожи в роговицу зависит- от причинных» влияний, идущих от хруста­лика и всего глазного бокала. Если удалить глазное яблоко до образования роговицы, то она не развивается. Зависимость рого­вицы от всех остальных частей глаза сохраняется все время. Если удалить глаз у личинки амфибий или у взрослого живот­ного, то роговица вскоре теряет прозрачность и постепенно при­обретает структуру кожи.

У различных позвоночных неодинаковое строение различных добавочных структур глаза. У двухмесячного зародыша человека по верхнему и нижнему краям роговицы возникают две складки кожи. Это будущие верхнее и нижнее веки. На третьем месяце эти складки, разрастаясь, временно срастаются. Полость между веками и роговицей глаза называется конъюнктивальным меш­ком.

Если удалить зачаток глаза

 

(глазной пузырь или начинаю­щий формироваться глазной бокал) и предотвратить контакт глаз­ного пузыря с эпидермисом, то, как правило, линза не возникает. Эксперименты такого рода сами по себе еще не убеждают пол­ностью в «индукционной» способности глазного пузыря. Во-пер­вых, эти эксперименты грубые, так как резко нарушают нор­мальное состояние клеточных масс в зародыше. Во-вторых, дело осложняется тем, что не всегда достигается положительный ре­зультат в таких опытах. К тому же у некоторых амфибий (Rana esculenta, Xenopus laevis и др.) обнаружена некоторая степень «независимого» развития хрусталика, когда предварительно уда­лялся презумптивный материал глаза на стадии нейрулы. Раз­витие в этих случаях никогда не бывает нормальным, но нередко формируются довольно типичные линзы с соответствующими ци-топлазматическими преобразованиями клеток в волокнистые структуры. Однако эти вселяющие сомнение факты требуют осо­бого анализа и не опровергают основных данных о влиянии глазного пузыря на эпидермис, из которого возникает хрусталик.

Демонстративные результаты дают опыты, в которых уда­лялся презумптивный эпидермис линзы и на его место переса­живался эпидермис, взятый с какой-либо другой части зародыша, например с головы или брюха. Эпидермис побуждался в этих опытах к развитию линзы.

Наконец, убедителен и третий тип экспериментов. Если вы­резать глазной пузырь и трансплантировать его под эпидермис в другой части тела зародыша, то иногда эпидермис развивает­ся в линзу.

Считается, что для индукции хрусталика необходим непосред­ственный контакт эпидермиса с глазным пузырем: Мэк Кийен в 1951 г. показал, что помещение между глазным пузырем и эпи­дермисом тонкого листочка целлофана (в опытах на курином зародыше) предотвращает индукционное действие глазного пу­зыря. Однако тот же исследователь в опытах 1958 г. (также на курином зародыше) доказал, что частичное экранирование эпи­дермиса от глазного пузыря тонкой полоской агара не предот­вращает полноценного развития хрусталика. Если индуцирующий агент химической природы, то он должен был в этих опытах или проходить через агар, или обойти вокруг него.

Химическая природа индуцирующего действия глазного пузы­ря пока неясна. Есть предположения, отчасти подтверждаемые экспериментами, что когда глазной пузырь приходит в контакт с эпидермисом, он содержит большое количество, РНК, а пре-зумптивный хрусталиковыи эпидермис имеет мало нуклеиновых кислот. После контакта глазного пузыря с эпидермисом появ­ляется большое количество РНК и в эпидермисе. Может быть, молекулы нуклеиновых кислот проходят от клеток глазного пу­зыря в клетки презумптивной линзы. Однако если бы это и ока­залось так (что не удается пока доказать), нелегко дать хими­ческую интерпретацию индукционной роли глазного пузыря в образовании линзы.

Некоторые исследователи (например, Б. И. Балинский, 1961) предполагают, что индукционное воздействие на презумптивный линзовый эпителий исходит не только из глазного пузыря, но и из головной мезодермы, и делают попытку объяснить причины обнаруженных многими авторами отклонений в результатах опы­тов по индукции хрусталика глазным бокалом.

У амфибий и костистых рыб только внутренний листок

 

эпи­дермиса принимает участие в утолщении; это утолщение отде­ляется от эпидермиса в виде очень плотной массы клеток, ко­торые, перегруппировываясь, образуют хрусталик. При любом типе формирования хрусталиков в них происходят сложные ци­тологические преобразования. Клетки внутренней стороны пу­зырька будущей линзы удлиняются.и постепенно преобразуются в длинные волокна. Ядра клеток дегенерируют, цитоплазма де­лается плотной и прозрачной. Волокна располагаются не беспо­рядочно, а в строго закономерном направлении; при этом и формируется сферическое, или эллипсоидное, преломляющее свет тело линзы. Но часть линзового эпителия таким образом не из­меняется и покрывает измененную часть. Возникает точка роста линзы — место соединения неизменного эпителия с массой волокон линзы. Это, фигурально выражаясь, мастерская линзооб-разования. В этом месте эпителиальные клетки непрерывно пре­вращаются в волокна, линза растет.

На примере развития глаза экспериментальные эмбриологи еще в начале нашего столетия убедились, что в ходе органогене­за происходит взаимозависимость развивающихся клеток, тка­ней, частей органов. Эта взаимозависимость, однако, такого рода, что тем или иным клеточным и тканевым компонентам принад­лежит «ведущая» роль. Они, образно говоря, индуцируют раз­витие соседнего клеточного материала (см. гл. XI). Этот факт, имеющий большое принципиальное значение, был установлен Г. Шпеманом и В. Льюисом еще в 1901 г. В. 1904 г. было обна­ружено, что между развитием глазной чаши и развитием линзы существует тесная связь: глазной пузырь индуцирует развитие из прилежащего к нему эктодермального эпителия хрусталика. От глазной чаши, вершина которой контактирует с эпидермисом, как бы исходит какое-то «организующее» влияние — стимул пре­образования клеток эпидермиса в хрусталик. Огромным количе­ством экспериментов большого числа исследователей, в частно­сти советских ученых, было доказано, что любые эпидерм альные клетки при определенных условиях побуждаются к формирова­нию линзы или линзоподобных образований. Доказательства пра­вильности этого положения получены разными эксперименталь­ными способами

Сначала очень широкое отверстие глаза

 

постепенно сильно сужается, но так, что это сужение происходит неодинаково по всей окружности. На вентральном крае глазного бокала отвер­стие остается более открытым. Здесь образуется желобок, дости­гающий глазного стебелька (fissura chrioidea). По желобку в заднюю камеру глаза входят кровеносные сосуды и мезенхим-ные клетки, которые затем и окажутся в стекловидном теле. Впоследствии края сосудистой щели зарастают. У человеческого зародыша это происходит уже на седьмой неделе.

Задняя (большая) часть внутреннего слоя бокала дифференцируется в зрительную часть сетчатки (pars optica retinae), а пе­редняя (меньшая) часть — в радужную и ресничную части. Рес­ничная часть оболочки вместе с прилегающей в этом месте пиг­ментной оболочкой образует концентрические складки, в которые врастает клеточный материал мезодермального происхождения. Так возникает ресничное тело (corpus ciliaris), в котором раз­виваются ресничные мышцы. К ресничному телу с помощью во­локонец— ресничной круговой пленки—прикрепляется хруста­лик. Из радужной части сетчатки при участии сигментной и сосу­дистой оболочек возникает радужная оболочка (iris). Клеточные элементы сетчатки дифференцируются и в нервные волокна, из которых развивается зрительный нерв; он заполняет просвет глаз­ного стебелька. Из клеточного материала мезодермального про­исхождения, врастающего в сосудистую щель глазного стебелька, развиваются кровеносные сосуды, питающие сетчатку.

Глазной бокал не составляет еще глаза. Для нормальной функ­ции зрения должны развиваться добавочные важные структуры. Это прежде всего хрусталик (линза), благодаря которому вхо­дящие в глаз лучи света преломляются. Линза развивается из эктодермального эпителия, который в месте контакта с эктодер­мой наружного участка глазного пузыря утолщается, а клеточ­ные элементы претерпевают специфическую дифференцировку, они становятся призматическими и превращаются впоследствии в хру-сталиковые волокна. Клеточная масса будущего хрусталика от-шнуровывается, превращаясь постепенно по своей структуре и физическим свойствам в хрусталик.

У разных групп позвоночных развитие хрусталика и отде­ление его от эпидермиса варьирует. У птиц и млекопитающих возникают утолщения всего эпидермального слоя (в месте кон­такта с глазным пузырем). Из складывающихся утолщений обра­зуются на короткое время открытые кнаружи карманы; эти утол­щения впоследствии и превращаются в пузырек — формирующую­ся линзу.

РАЗВИТИЕ ГЛАЗА

Развитию органа зрения позвоночных посвящено необозримое ко­личество работ. Глаза амфибий — излюбленный объект в экспе­риментальной эмбриологии. В СССР многочисленные исследова ния проведены Д. П. Филатовым, В. В. Поповым, Т. В. Лопа-шовым, В. А. Голиченковым, Д. В. Поповым,  Г. Г. Квинихидзе и др. Если миновать детали развития этого сложного органа и почти не касаться гистогенетических процессов, изучаемых обыч­но в гистологии, развитие глаза представляется в следующем виде.

Как уже было сказано, первоначальные закладки глаз воз­никают в виде глазных пузырей — выпячиваний стенок промежу­точного мозга (рис. 77,5). Размер глазных пузырей относительно остальной части prosencephalon у разных позвоночных сильно варьирует. Так, по данным Б. И. Балинского (1958), у различ­ных видов лягушек глазные пузыри составляют от 10 до 50 % всего переднего мозга (включая и промежуточный). У костистых рыб, рептилий и птиц возникают зачатки глаз значительно боль­шего размера по сравнению с глазными пузырями амфибий. У зародышей млекопитающих они небольшие. По мере развития глазные пузыри все более обособляются от мозга и остаются соединенными с ним тонкими глазными стебельками.

Увеличиваясь, глазной пузырь приходит в непосредственный контакт с эктодермой и одновременно в нем начинают происхо­дить сложные морфологические изменения. Наружная поверх­ность глазного пузыря уплощается, а затем инвагирует внутрь, так что глазной пузырь превращается в конце концов в двух­слойную чашу — глазной бокал. Инвагинированная стенка бокала значительно толще, чем наружная. Внутренний слой клеток глаз­ного бокала — это закладка сетчатки (retina), наружный слой — закладка пигментной оболочки (stratum pigmenti или tapetum nigrum). Край глазной чаши впоследствии превращается в край зрачка. Полость глазной чаши — это будущая задняя камера глаза, заполняющаяся стекловидным телом, которое развивается из внутреннего листка глазного бокала, т. е. оно эктодермального происхождения. Однако в формировании стекловидного тела при­нимают участие и клеточные элементы мезодермального проис­хождения, врастающие через сосудистую щель.

РАЗВИТИЕ СПИННОГО МОЗГА И ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Спинной мозг развивается так, что клетки его стенок, размно­жаясь, дифференцируются в двух направлениях—одни в ней-роглию (поддерживающие клетки), а другие —в нервные. Под­держивающие клетки, располагающиеся вокруг нервного канала и в толще боковых стенок, образуют отростки, которые как бы поддерживают, скрепляют нервные клетки. Клеточные тела нейробластов образуют серое вещество спинного мозга, а нерв­ные волокна и их миелиновые оболочки — белове-вещество.

Часть отростков выходит из спинного мозга. Это — брюшные корешки спинно-мозговых нервов. Вследствие разрастания брюш­ных и спинных частей серого вещества возникают передние и задние рога спинного мозга. В связи с развитием конечностей вместе с отхождением нервов конечностей в спинном мозге раз­виваются шейное и поясничное утолщения. В книге даются лишь общие сведения о развитии периферической нервной системы. Двигательные нервные волокна нервной трубки выходят сег-ментно расположенными пучками и дают начало двигательным корешкам спинно-мозговых нервов. Позднее после образования ганглиозной пластинки дифференцируются в сегментные спинно­мозговые узлы с двумя отростками: одни отростки растут по направлению к спинному мозгу и прорастают в него — это бу­дущие чувствительные корешки спинно-мозговых нервов, другие отростки растут в брюшном направлении и соединяются с во­локнами двигательных корешков в спинно-мозговые нервы. Эти смешанные нервы отделяют от себя задние ветви, которые иннер-вируют спинную мускулатуру двигательными волокнами и кожу спины — чувствительными волокнами. Затем спинно-мозговые нервы продолжаются в виде передних ветвей, иннервирующих брюшную мускулатуру (двигательные нервы) и кожу (чувстви­тельные нервы).

От передних ветвей вырастают висцеральные ветви (с дви­гательными и чувствительными волокнами). Власледствии в кон­цевых частях этих ветвей из нервных клеток закладываются по обеим сторонам нисходящей аорты два ствола симпатической нервной системы.

Развивающиеся головные нервы при описании можно объеди­нить в три группы: 1) чувствующие нервы, из которых упомянем обонятельный, слуховой и глазную ветвь тройничного нерва; 2) двигательные нервы — это нервы глазодвигательных мышц и подъязычный; 3) смешанные нервы, формирующиеся из двига­тельных волокон головного мозга и чувствительных нервных во­локон, так называемых головных узлов, возникающих за счет ганглиозных валиков, образующихся впереди заднего мозгового пузыря. К этой группе нервов относится тройничный и лицевой, языкоглоточный и блуждающий.

Дорсальная часть

нервной трубки вытягивается сильнее, чем вентральная вследствие чего задний конец труб­ки выносится за бластопор. Затем происходит изгибание трубки на некотором расстоянии от бластопора. Вершина образующегося изгиба становится зачатком хвоста (рис. 76). Участок, лежащий между вершиной зачатка хвоста и бластопором, дифференцирует­ся как мышцы хвостовой области.

У разных животных, в зависимости от степени сложности нерв­ной системы, имеются значительные анатомические и гистологиче­ские особенности, а также особенности в топографии различных участков центральной нервной системы позвоночных.

У низших позвоночных, например у акуловых рыб, форма дефинитивного мозга мало отличается от мозга их зародышей. У высших позвоночных, в особенности у человека, развивающийся мозг ранних зародышей по своей морфологии мало отличается от мозга взрослых рыб или амфибий, но дефинитивный мозг, особенно по клеточной и тканевой структуре, резко отличается от мозга низших представителей позвоночных. Прогрессивная эволюция организмов не обязательно сопровождалась усложне­нием в устройстве всех органов. Так, в некотором отношении глаза у птиц или некоторых насекомых более совершенны, чем глаза млекопитающих. Что касается эволюции головного мозга, то у человека он достиг поразительного совершенства, и, грубо говоря, бывший и дальнейший большой прогресс в его струк­туре и функциях не коррелирован со сравнительно медленными и менее радикальными преобразованиями других органов, напри­мер кишечного тракта.

НЕЙРУЛЯЦИЯ. РАЗВИТИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Следующая за гаструляцией стадия в развитии позвоночных — нейруляция. Зародыш на этой стадии называют нейрулой. Мате­риал презумптивной нервной системы у позвоночных животных — это обширный пласт клеток, покрывающий хорду и сомиты. По краям нервной пластинки образуются два нервных, или медул­лярных, валика — утолщения пластов клеток презумптивной нервной системы . Эти утолщения возникают сначала на переднем конце зародыша, а затем постепенно появляются в средней или задней частях его. Впоследствии валики становятся все более высокими, сближаются сначала в срединной части, а затем и в задней; наконец, смыкаются своими гребнями, образуя нервную, или медуллярную, трубку. Эта трубка, развивающаяся в спинной мозг, приблизительно одинакового диаметра на всем протяжении. Передний отдел нервной трубки образуется позд­нее, также путем смыкания валиков, которые, однако, здесь бо­лее высокие, поэтому головной отдел медуллярной трубки ока­зывается более расширенным. Из него развиваются передний и средний мозговые пузыри. В передней части нервной трубки полость ее шире, чем в задней. .

Позднее головной отдел| медуллярной трубки превра­щается в головной мозг. По­лость задней части нервной трубки превращается в канал спинного мозга.

Важно отметить, что часть клеток не включается ни в нервную трубку, ни в эпидермис. Они распо­ложены в виде полоски по всей длине нервной трубки. Образуется нервный гребень, или ганглиозная пластинка. После того как нерв­ная трубка отделяется от эпидермиса, эта полоска располагается между нервной трубкой и покрывающим ее эпителием, но впо­следствии она разделяется на правую и левую половины, которые залегают дорсолатерально по отношению к нервной трубке. Пе­редний участок презумптивного головного мозга довольно долго не закрывается. Отверстие на переднем конце нервной трубки называется нейропором (или невропором). Задний отдел нервной пластинки при замыкании в трубку прикрывает своим сводом бластопор. Он находится теперь на заднем конце дна медулляр­ной трубки и становится нервно-кишечным каналом. (У некото­рых позвоночных, в частности у хвостатых амфибий, нервно-ки­шечный канал не возникает.) В области шеи и туловища нервная трубка дифференцируется в спинной мозг, а передняя часть нервной трубки превращается в головной мозг. Передний уча­сток нервной пластинки у всех позвоночных и в особенности у человека значительно шире, и с самого начала формирования нервной трубки диаметр ее неодинаков в разных участках. Зна­чительно более расширен передний, головной участок, и стенки трубки здесь толще, чем в задней части. Дорсальный и вен­тральный участки стенки медуллярной трубки более тонкие, чем разрастающиеся боковые участки. Канал нервной трубки пре­вращается в центральный спинно-мозговой канал развившегося мозга.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНОВ КАК ПРОИЗВОДНЫХ ЗАРОДЫШЕВЫХ ПЛАСТОВ

Органогенез — предмет исследования эмбриологии, гистологии, анатомии, физиологии и других наук, так как он является сово­купностью процессов изменения формы, тканевого строения, воз­никновения и изменения биохимических и физиологических яв­лений и т. д. Эмбриология должна изучать процессы, сопровож­дающие развитие того или иного органа в их совокупности и при разных способах репродукции. Однако это пока идеал, к ко­торому стремятся. На самом деле развитие органов изучается в разных аспектах и подчас очень односторонне, в отрыве морфо­логии от физиологии. Невозможно сообщить в книге необозримое количество данных о развитии всех органов животных. В даль­нейшем будут даны только отдельные примеры. Выбор их не произволен: он диктуется или особой важностью этих органов для жизни организмов, или возможностью на развитии данного органа познакомиться с общими закономерностями формообра­зования, вскрытыми эмбриологией, или, наконец, большей изу­ченностью развития некоторых органов излюбленных эмбриоло­гами объектов. К сожалению, состояние эмбриологии не позво­ляет дать какой бы то ни было сравнительный очерк органогенеза •беспозвоночных и позвоночных животных. Потребности меди­цины и ветеринарии обусловили большее внимание к органоге­незу позвоночных и особенно млекопитающих. Вот почему в книге дается описание органогенеза именно позвоночных животных. При изучении органогенеза надо учесть, что классификация органов по их генезису (производные эктодермы, энтодермы и мезодермы) вполне оправдана эмбриологическими данными и теорией зародышевых пластов в том смысле, что возникновение зачатка (закладки) органа связано с локальными изменениями определенных участков того или иного зародышевого пласта. Однако в большинстве случаев органы позвоночных — производ-•ные двух или всех трех зародышевых пластов (например, яичник, кишечная трубка, орган слуха, нос и т. д.), при этом подчас невозможно выделить какой-либо главенствующий клеточный ма­териал, от которого зависел бы механизм развития органа. По­этому классификация органов на эктодерм альные, энтодерм аль-ные и мезодермальные столь же доступна сомнениям, критике, ограничениям, как и теория зародышевых пластов, на которой эта классификация основана.

Нельзя придавать этой классификации тот смысл, будто кле­точный материал первоначальной закладки органа приобретает какие-то особые гистотипические и «органные» свойства. Это неверно, во-первых, потому, что развитие органа, по крайней мере вначале, не есть автономный процесс, оно происходит при тесней­шем взаимодействии составляющих зачаток клеток и взаимодей­ствии различных зачатков. Во-вторых, при бесполом" размноже­нии и экспериментальном соматическом эмбриогенезе развитие органов той же структуры и с теми же функциями может про­исходить существенно по-иному, в результате иных гистогенети-ческих, анатомических и физиологических процессов.

процессы деления клеток

 

Продполагают, что некото­рые из этих веществ, вырабатываясь уже на ранних стадиях раз­вития, играют роль своеобразных внутриклеточных гормонов, регулирующих процессы деления клеток; затем они приобретаюг функции гормонов, играющих роль в движении клеток, и, наконец, становятся медиаторами нервной системы. Удалось обнаружить. синтез медиаторов на очень ранних стадиях развития. Так, яйце­клетки вьюна синтезируют серотонин уже на 12 мин после опло­дотворения. Синтез ацетилхолина, серотонина и адреналина обна­ружен в яйцеклетках морских ежей, он резко усиливается сразу после оплодотворения, за 1,5—4 ч до первого клеточного деления, и значит, за 10—15 сут до начала формирования нервной системы. (Г. А. Бузников, 1968). Предполагают, что «до нервный» синтез медиаторов — универсальное явление. Эти вещества играют важ­ную роль в регуляции процессов деления клеток.

К изложенным представлениям о значении физических явле­ний и амебоидного движения в морфогенетических процессах Т. Густафсон в 1966—1969 гг. внес существенно новое, именно-в связи с представлениями о медиаторах. Изучая влияние на про­цессы развития морского ежа многих фармакологических веществ, блокирующих нервногуморальную трансмиссию (1968), он обна­ружил функционирование примитивного нейросекреторного меха­низма, в котором большая роль принадлежит серотонину. Благо­даря псевдоподиальной активности на стадии гаструляции из вершины архентерона, а позже из эктодермальных ресничных шнуров мигрируют клетки, которые можно назвать «первичными нейронами»; в них локализованы медиаторы нервной системы. Эти клетки играют роль в нервной трансмиссии и стимулируют морфогенетическое движение, активируя группы эктодермальных клеток. Густафсон предположил, что серотонин служит веществом, обеспечивающим гаструляционные передвижения клеточных плас­тов. Серотонин нейтрализует влияние различных веществ, способ­ных остановить гаструляцию.

Исследования влияния нейрофармакологических веществ не­сомненно интересны.

Почему в результате дробления формируется

 

не компактная масса клеток, а полый шар (бластула)? По Густафсону, это под­дается объяснению в терминах механики и геометрии. Примем во* внимание радиальный план дробления яйца ежа, а также то, что-клетки очень сильно прилипают к гиалиновой мембране, имеющей­ся на наружной поверхности бластулы. Гиалиновый слой (мембрана) достаточно хорошо-изучен. Он может быть отделен'от клеток. Этот слой необходим для развития; гаструляция у морских ежей может блокироваться, если. нарушить целостность гиалинового слоя.

Как видно из схемы, внешний и внутренний объемы бластулы по мере делений клеток по геометрическим причинам должны возра­стать.

Дальнейшие изменения формы, все более локальные, не зави­сят от делений клеток. Например, ко времени инвагинации проис­ходят различные утолщения стенки и ее кривизны. Сферическая^. форма преобразуется так, что становится треугольной. Если кон­такт между клетками будет возрастать, а контакт их с мембра­ной останется константным, то слой клеток будет неизбежно ис­кривляться. Если контакт с мембраной уменьшается, то образу­ется слой столбчатых клеток.

Однако вскоре в развитии зародыша вступают в силу новые-факторы не меньшего значения. Это — «псевдоподиальная актив­ность» клеток, возможность активных перемещений клеток. На стадии поздней бластулы происходит миграция первичных мезен­химных клеток в бластоцель . В области вегетатив» ного полюса связь между клетками и с гиалиновой мембраной-ослабляется, клетки приобретают амебоидную подвижность и про­тискиваются в бластоцель. Это сопровождается энергичными пуль­сациями клеток на их внутренней поверхности (естественно, что на внешней стороне, где они связаны с мембраной, пульсаторные движения исключены). Псевдоподиальная активность первичных мезенхимных клеток усиливается, энергично образуются длинные псевдоподии, которые как бы «выстреливаются» клетками в блас­тоцель . Концы псевдоподий контактируют со стенкой бластулы. Сокращение псевдоподий вызывает «подтягивание», переме­щение клеток. Если же не произошло контакта концов псевдоподий со стенками, то они втяги­ваются в клетку. Клетки рассеиваются в нижней половине бластулы. Т. Гу-стафсон делает предполо­жения об особенностях со­стояния разных участков стенки бластулы, о свое­образии контактов меж­ду клетками и в связи с этим о неодинаковых возможностях слипания концов псевдоподий с разными, клетка­ми. Для понимания образования первичной мезенхимы оказыва­ются ненужными старые представления о хемотаксисе клеток.

Густафсон дает объяснение и процессам инвагинации и обра­зования вторичной мезенхимы. При первой фазе инвагинации от­мечается энергичное «кипение», и «вспузыривание» клеток, подоб­ное тому, что обнаружено и для клеток первичной мезенхимы. Это опять-таки связано с ослаблением контактов между клетками, но связь с гиалиновой мембраной при этом остается. По чисто меха­ническим и геометрическим причинам должна происходить инваги­нация. Если концы пласта фиксированы, клетки имеют тенденцию к округлению и контакт их друг с другом уменьшается, то слой должен изменяться так, как это и происходит в начале инва­гинации. Продвижению пласта способствует «выстреливание» псевдоподий клетками вершины инвагинирующей области. Концы псевдоподий слипаются с клетками эктодермы, и это содействует «подтягиванию» первичной кишки. Клетки на вершине конуса, наконец, теряют связь между собой и с гиалиновой мембраной и внедряются в бластоцель, образуя вторичную мезенхиму. Есть указания на то,- что вещества, связанные с функционированием нервной системы, играют важную роль в морфогенетических про­цессах уже на ранних стадиях развития организмов. Утверждают, что синтез медиаторов нервной системы происходит уже на ран­них стадиях развития зародышей, задолго до возникновения нерв­ной-системы. Медиаторы нервной системы —это низкомолекуляр­ные физиологически активные вещества — ацетилхолин, серотонин, адреналин и др., — благодаря которым осуществляется передача нервных влияний от клетки к клетке.

ГИПОТЕЗА Т. ГУСТАФСОНА

 

Работы Т. Густафсона и его коллег могут служить примером пло­дотворных поисков связи между биохимией и морфологией раз­вития. Густафсон справедливо утверждает, что в эмбриологии

почти нет гипотез и фактических данных о причинных зависимос­тях между биохимическими изменениями (например, в синтезе -нуклеиновых кислот и белков), с одной стороны, и морфологичес­кими изменениями — с другой. Необходимо искать «мосты». В фи­зиологии стандартной практикой является объяснение процессов в терминах физических наук, например объяснение биения сердца и циркуляции крови на основе гидродинамики. В эмбриологии также требуется изучение электрических, гидростатических и иных внутриклеточных и межклеточных сил. Это поможет найти недо­стающие звенья связи между химическими и морфологическими -процессами.

Густафсон пытался объяснить морфологию развития морского •ежа, в частности процессов гаструляции, с использованием в ос­новном двух групп закономерно наблюдаемых явлений: по-первых, степени слипания, степени контактов между клетками и, во-вто­рых, амебоидной подвижности клеток.

Используя метод цейтраферной микрокиносъемки, он изучил такие явления, которые не были известны эмбриологии. В зре­лом, еще не дробящемся яйце имеются три зоны с определенным значением: клетки анимального полушария — это бу­дущая эктодерма (3-я зона): клетки вегетативного полушария — это клетки первичной мезенхимы (1-я зона) и, наконец, клетки, находящиеся между названными зонами, — это энтомезодерма (2-я зона). За первые 10 ч (приблизительно после десятого дроб­ления) образуется сферическая однослойная бластула, состоящая лримерно из 1000 клеток.

В эмбриологической литературе не раз

 

дискутировался воп­рос — являются ли морфогенетические движения, наблюдаемые в ходе гаструляции, функцией зародыша в целом или к моменту перехода от бластулы к гаструле происходит уже такая дифферен-цировка частей зародыша, что эти части способны к автомати­ческим, не зависящим от целого преобразованиям. Однако столь резкое противопоставление целого его частядо и соответственно противопоставление предполагаемых двух групп факторов может быть несколько метафизично и заслуживает внимания лишь в по­рядке рабочей гипотезы, дающей возможность экспериментиро­вать для получения ориентировочных данных.

Эксперименты в таком направлении оказались очень полезны­ми, так как результаты их хотя и не объясняют процессы гастру­ляции, но ставят ряд новых неожиданных проблем, что уже зна­менует прогресс знаний. Если поместить зародыши амфибий в подщелоченную воду (рН 9,6 или 9,8), то они распадаются на не связанные между собой клетки. Масса диссоциированных таким образом клеток приготовлялась из эктодермы, энтодермы и мезо­дермы со стадии гаструлы, из эпидермиса и нервной пластинки со стадии нейрулы и т. п. Массы клеток смешивались в различ­ных комбинациях и помещались в растворы с нормальным для них рН (8,0). Клетки начинали соединяться в агрегаты соответственно их свойствам (рис. 68). Эктодермальные клетки и клетки нервной пластинки со стадии нейрулы оказывались на поверхности комоч­ков, а мезодерм альные клетки и клетки энтодермы, находивши­еся в общей массе с клетками эпидермиса, имели явную тенден­цию расположиться внутри комочков. При комбинации диссоции­рованных клеток всех трех зародышевых пластов эктодерм альные клетки концентрировались на поверхности и мезодермальные клетки оказывались между эктодермальными и энтодермальными клетками.

Эти и подобные им факты следует взять на учет при анализе процессов гаструляции. П. П. Иванов и другие исследователи обращали внимание на то, что на стадии поздней бластулы ам­фибий клетки в разных частях зародыша неодинаковы по своим физиологическим потребностям: эктодермальные клетки «требу­ют» „одних условий, а клетки, омываемые внутренней средой—• жидкостью бластоцеля, проявляют свою физиологическую актив­ность при иной среде.

Каковы бы ни были физико-химические особенности- клеток, побуждающие их к определенным типам взаимосвязи (будь то особенности клеточных мембран, своеобразие слипания клеток или иммунохимические свойства типа антиген — антитело), эти особенности несомненно играют роль в морфогенетических движе­ниях клеток и клеточных масс. В дальнейшем эти вопросы будут дополнительно рассмотрены в гл. XV.

Поведение клеточных элементов и частей эмбриона не авто­номно: 1) намечающаяся клеточная дифференцировка в разных частях зародыша есть результат развития зародыша в целом; 2) в дальнейшем развитии поведение зародышевых пластов и разных участков зародыша, как увидим в гл. XI, определяется не только приобретенными морфогенетическими потенциями частей, но и взаимным влиянием частей. К тому же не следует переоценивать результаты указанных опытов, так как в лучшем случае их ре­зультаты лишь отдаленно напоминают действительные процессы нормального развития — формирование соответствующих пластов клеток, полостей и т. д. В гл. XI о детерминации будут сообщены многие факты якобы независимого развития частей зародыша в условиях эксплантации и дан анализ этих фактов.

Одной из биологических особенностей клеток

 

является их способность к амебоидным движениям и фагоцитозу. Эти две черты — отражение древнейших свойств клеточных существ. Б. П. Токин в 1955 г. в связи с проблемой иммунитета зародышей предполагал, что следует придавать значение важному обстоя­тельству: потенциально всем жизнедеятельным клеткам любых тканей, принадлежащих организмам любой степени сложности, свойственны фагоцитарная способность и амебоидная подвиж­ность (см. гл. XV). Эта способность находится под «арестом» ин­теграции тканей благодаря взаимным влияниям клеток и, веро­ятно, еще неизвестным факторам биологической и физико-хими­ческой природы. Взаимное влияние клеток имеется уже на са­мых ранних стадиях развития зародыша в эпителиального типа пластах, как и в любом скоплении клеток. В случае нарушения состояния интеграции и освобождения их от обычных корреляций клетки начинают проявлять способность к амебоидному движению и к фагоцитарным реакциям.

Впервые Гольтфретером показано, что если зародыши амфибий на стадии бластулы, гаструлы или нейрулы дезинтегрировать (до­биться химическими способами диссоциации зародыша на отдельные клетки и группы их), то проявляется фагоцитарная актив­ность одиночных клеток.

Таким образом, способность клеток зародыша к амебоидной подвижности является прочно установленным экспериментами фактом. Это помогает объяснять поведение одиночных клеток и их групп, наблюдаемое в ходе гаструляции, происходящей по типу униполярной и мультиполярной иммиграции. Одним из моментов морфогенетических движений при гаструляции у морского ежа яв­ляется активное перемещение клеток внутрь бластоцеля. Несом­ненно, и при смешанных типах гаструляции, например у амфибий, способность к амебоидным движениям клеток играет важную роль. Несколько искусственно сближать явления фагоцитоза с про­цессами обволакивания анимальными бластомерами вегетатив­ных, наблюдающихся при гаструляции, которая происходит по типу эпиболии, хотя не исключена возможность того, что эти процессы имеют общую морфофизиологическую основу в жизни клеток.

электронно-микроскопические снимки заро­дышей амфибий

Эти мысли очень подкупают своей ясностью. Однако Б. Балин-ский в 1961 г., изучая электронно-микроскопические снимки заро­дышей амфибий, не обнаружил ни coat, ни вообще каких-либо мембран, помимо известных оболочек яйца амфибий. Грустно от­казываться от оригинальной гипотезы Гольтфретера. Может быть, в этом нет надобности, так как и Балинский утверждает, что ди­стальные концы клеток очень прочно соединены между собой бла­годаря каким-то «цементирующим» субстанциям, являющимся экскрецией самих клеток. Координирующим механизмом морфо-генетических движении могут быть, вероятно, и другие клеточные структуры, например нитевидные отростки клеток. Таким обра­зом, их поведение в районе дорсальной губы бластопора можно объяснить исходя из предположений Гольтфретера, но заменив слишком прямолинейные представления о coat как пленке и о ме­ханизме движения более физиологической теорией.

Для анализа процессов гаструляции, как и других морфо-генетических движений клеток и клеточных масс, следует все больше привлекать многочисленные цитологические данные о раз­ных типах связей между клетками, обнаруживаемых химически­ми и электронно-микроскопическими исследованиями. Одним из инициаторов изучения взаимодействия между клетками является английский исследователь М. Эберкромби, а также Дж. Картис.

Характер сцепления между клетками, разная степень слипа­ния, структура межклеточных пространств и другие факторы игра­ют, по-видимому, огромную роль во всех явлениях формообразо­вания, в том числе и в процессах гаструляции. Связи между клетками могут быть разнообразными: выросты мембран клеток, выпускание псевдоподий, ундулирующие мембраны (пластинча­тые выросты, способные волнообразно колебаться) и т. п.

Между клетками даже таких плотных тканей, как эпителии, никогда не бывает полного контакта, всегда существует между их мембранами пространство (60 нм и более). Большие простран­ства между клетками (до долей мк) наблюдаются в мезенхим-ных тканях. Пространства между клетками — не пустота, они за­полнены веществами — продуктами жизнедеятельности клеток. Старые представления о клетках как стабильных кирпичиках и тканях как стабильных сооружениях из иих следует целиком оставить. Клетки могут скользить своими поверхностями, они никогда не бывают в покое, если они живы, и стабильность сооружений — тканей и органов — объясняется не тем, что клетки находятся в мертвом, неподвижном состоянии, а иными надкле-точными закономерностями. В этом отношении возможна анало­гия архитектоники живых существ с физическим состоянием твер­дых тел, «твердость» которых отнюдь не объясняется неподвиж­ностью молекул. Последние находятся всегда в движении. Но архитектоника пластов клеток может сильно меняться при нор­мальных процессах формообразования, и клетки, освобожденные из общих связей, могут проявлять скрытые до того потенции.

ПРАВИЛА О. ГЕРТВИГА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

К АНАЛИЗУ РАЗВИТИЯ АМФИБИЙ, РЫБ, ПТИЦ И НАСЕКОМЫХ

Уже упоминалось о большом значении, которое придает эмбрио­логия правилам О. Гертвига для понимания причин разных типов дробления яиц.

Первое правило Гертвига: ядро занимает центр активной протоплазмы (полностью или почти полностью свободной от желтка). В алецитальных и изолецитальных яйцах ядро располо­жено ближе к центру а у телолецитальных оно рас­полагается эксцентрично, в анимальном полушарии.

Второе правило Гертвига: веретено деления ядра располага­ется в направлении наибольшей протяженности чистой протоплаз­мы

Ярким примером правильности этих утверждений служит характер дробления телолецитальных яиц амфибий. Ядро у них, как уже сказано, расположено в анимальном полушарии. Наи­большая протяженность чистой протоплазмы параллельно эквато­риальной плоскости . В этом направлении и окажется веретено первого деления ядра. Кариокинетический процесс связан с передвижением различных составных частей клетки, ее хромосом, частей цитоплазмы, корти­кального слоя. Классическая описатель­ная гистология и цитология, так много давшие биологии с - их методиками фиксации и окрашивания клеток, при­вивают, однако, изучающему клетки, тка­ни и развитие организма совершенно не соответствующее действительности представление о клетках, как о чем-то неподвижном. Мы неоднократно будем убеждаться в том, что такое представле­ние о клетках необоснованно.

Различного рода закономерным дви­жениям составных частей ядра и цитоплазмы могут мешать зерна и пластинки желтка. Если желток. расположен очень компактно, то процесс дробления в определен­ном участке яйца может подавляться.

Первая борозда дробления у яиц амфибий определяется ука­занным направлением веретена деления ядра (параллельно эква­ториальной плоскости, иначе — перпендикулярно к анимально-вегетативной оси яйца). Поэтому дробление произойдет в плоскости одного из меридианов яйца

Близкие к этому представлению мысли высказал

 

в 1941 г. А. Р. Мур в связи с анализом формы клеток при нейруляции

  Предполагают, что неодинаковая интенсивность поглощения воды различными клетками поздней бластулы может быть причи­ной морфогенетических движений. Наблюдения показывают, од­нако, что эти различия невелики.

  Предполагают, что во внутренней цитоплазме клеток форми­руются параллельно расположенные волоконца, в связи с чем: клетки удлиняются, а это имеет значение при впячивании энто­дермы при гаструляции. Действительно, при гаструляции, напри­мер амфибий, инвагинирующие клетки оказываются длинными,. бутылкообразными. Однако неизвестно еще, почему клет­ки удлиняются и почему они принимают бутылковидную форму. Это явление, кажущееся причиной, нуждается в цитологическом и физико-химическом объяснении.

  Интересную гипотезу предложил И. Гольтфретер в 1943— 1944 г. для объяснения причин «втягивания» клеток в районе дорсальной губы бластопора при гаструляции у амфибий. Соглас^ но его наблюдениям у яиц амфибий, помимо студенистой и жел­точной оболочек, имеется еще тончайшая пленка, видимая в све­товой микроскоп, если на пленке адсорбируется краситель. Пленка эта — coat (от англ. coat,— одежда) покрывает клетки анимального полушария . Таким образом, дистальные концы клеток как бы прикреплены к coat, а большая, проксимальная часть клеток свободна от нее. В результате большой комплекс клеток как бы связан. Эластичная, растяжимая пленка — основ­ная структура, соединяющая поверхностно лежащие клетки в еди­ное целое и поддерживающая совокупность клеток, как «спаян­ную» массу.

При гаструляции отмечаются энергичные амебообразные дви­жения клеток в области дорсальной губы бластопора, но изолиро­ванными эти движения быть не могут, так как дистальные концы всех клеток связаны с их общей «одеждой». Сила натяжения и сократимость пленки противодействуют амебоидному движению и зависящему от него впячиванию клеток. Если клетка не отде­ляется от coat, то она, вытягиваясь, превращается в бутылкооб­разную  и даже нитевидную. Пленка заставляет клет­ки вести коллективный образ жизни. Как слагаемое их совмест­ных действий, при регулируемом влиянии coat происходит неиз­бежное впячивание групп клеток внутрь.

Логично предположение Гольтфретера и о том, что некоторые участки coat в ходе гаструляции окажутся внутри зародыша, coat будет препятствовать слипанию клеток и тем самым играть фор­мообразовательную роль при развитии просвета кишечника, нерв­ной трубки и почечных канальцев.

Агенты, уменьшающие силу натяжения поверхностной пленки или совершенно удаляющие ее (лишение Са, растворы с рН выше 9,6 или ниже 4,4 и др.), обусловливают экзогаструляцию. Так, по данным Гольтфретера, лимоннокислый натрий растворяет coat у амфибий, и происходит экзогаструляция.

ПРИЧИНЫ ГАСТРУЛЯЦИИ

Тщетно искать одни и те же причины морфогенетических движе­ний ' при гаструляциях разного типа, например при образовании деляминационной и инвагинационной гаструл. Однако не исклю­чено наличие и общих черт у кажущихся совершенно различных явлений.

Имеются исследования процессов гаструляции, осуществленные многими авторами. К сожалению, за единичными исключениями, все исследования проведены в основном на двух объектах — яйцах морских ежей и, в меньшей мере, на зародышах амфибий. Это означает, что экспериментальная эмбриология далеко не исчер­пала разнообразие явлений гаструляции при разных ее типах и •еще не в состоянии формулировать общие закономерности. По этой причине можно дать лишь иллюстрации подчас довольно про­тиворечивых фактов и гипотез, касающихся гаструляции.

1.   Причиной гаструляции некоторые эмбриологи считают не­равномерный рост в разных областях зародыша, точнее—неоди­наковые темпы деления клеток в разных частях зародыша. В слу­чае типичной эпиболической гаструлы, вероятно, следует прини­мать во внимание эту гипотезу, так как одной из причин обраста­ния анимальными бластомерами вегетативных несомненно явля­ется факт сильно замедленных темпов деления вегетативных блас-томеров. Также и при анализе механизма смешанных типов гаст­руляции, например у амфибий, одним из факторов гаструляции является, вероятно, неравномерный «рост». Однако эта давняя в эмбриологии гипотеза совершенно бессильна объяснить многие явления. Например, может и не быть делений клеток, а процессы гаструляции происходят. Из-за этого не следует вообще отказы­ваться от мысли о значении митотического градиента во время гаструляции, иллюстрацией чему служат наблюдения И. Агреля митотического градиента у зародыша морского ежа (Psammechi-nus tniliaris) 8—22-часового возраста (подсчитывались митозы в эктодерме, первичной мезенхиме, энтодерме и во вторичной ме­зенхиме) .

У 10-часовых зародышей обнаружено уменьшение числа мито­зов по направлению от анимального полюса бластулы к ве­гетативному. Через новые 3 ч в экваториальной области зародыша митозов оказывается меньше, чем у полюсов. Это распределение со­храняется до конца гаструляции. Автор считает, что инвагинация (энтодермальное впячивание) связана с локальным усилением митотической активности в области бластопора. Образование же первичной и вторичной мезенхимы зависит не от размножения клеток, а от миграции их.

2.  Л. Румблер в 1902 г. предложил объяснить гаструляцик? чисто механическим путем: клетки впячивающейся части изменя­ют форму, становятся «клиновидными», обращенные в полость бластулы концы клетки становятся более широкими, а концы, об­ращенные к внешней среде, суживаются. Вследствие этого и в ре­зультате давлений клеток друг на друга происходит втягивание данного участка пласта клегок внутрь. Изменение формы клеток обусловлено разницей в поверхностном натяжении с той и другой; стороны клеток.