Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Витебская ордена «Знак Почета» государственная академия ветеринарной медицины

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО общей эмбриологии

Витебск - 2001

Автор: Фотий Дмитриевич Гуков, кандидат ветеринарных наук,

доцент, заведующий курсом гистологии кафедры

патологической анатомии и гистологии

Витебской ордена «Знак Почета» государственной

академии ветеринарной медицины

Рецензенты: профессор кафедры анатомии ВГАВМ,

доктор ветеринарных наук Л.П. Ковшикова,

профессор кафедры физиологии ВГАВМ,

доктор биологических наук Ю.И. Никитин.

Одобрен методической комиссией факультета ветеринарной медицины

( протокол № 6 от 27 июня 2001 года)

Курс лекций предназначен для самостоятельной работы студентов факультета ветеринарной медицины. Может быть полезным аспирантам и сотрудникам, работающим в области морфологии, физиологии и биотехники размножения животных.

ЛЕКЦИЯ № 1. «Введение в общую эмбриологию. Строение и биологические свойства сперматозоидов»

Без глубоких знаний основ общей эмбриологии в современных условиях нельзя на высоком уровне вести селекционную работу, обеспечивать воспроизводство стада, совершенствовать приемы биотехники размножения, выяснять причинно-следственные связи в патогенезе незаразных болезней животных.

Размножение у сельскохозяйственных и домашних животных-объектов внимания и приложения профессиональных усилий врачей ветеринарной медицины - половое, посредством взаимной ассимиляции мужских и женских половых клеток - гамет (gamete, gametes - жена, муж), значительно отличающихся по своим морфологическим и некоторым биологическим свойствам. Такой способ размножения называется анизогамным (anisos - неравный).

Половые клетки выступают в роли носителей наследственной информации отцовского и материнского организмов. Объединение в одном новом организме двух разных начал обеспечивает потомкам более широкие возможности для приспособления к меняющимся факторам внешней среды, т.е. повышает их жизненность.

Исходя из этого главного условия развития жизни, вытекает, что более устойчивыми к неблагоприятным и стрессовым факторам среды, способными противостоять болезнетворным микроорганизмам, наиболее отзывчивыми к улучшению технологических параметров содержания повышением своей продуктивности будут особи, полученные путем гибридизации. В то же время близкородственное разведение животных может привести к их изнеживанию и проявлению многих рецессивных признаков.

Весь период жизни каждой отдельной особи из царства животных от ее возникновения и до самой смерти принято обозначать термином онтогенез (ontos - существо, genesis - развитие). Он, в свою очередь, слагается из прогенеза (pro - до, перед, раньше), эмбриогенеза (embryon - зародыш) и постнатального (post - после, natalis - связанное с рождением) развития.

Прогенез представляет собой совокупность стадий развития и формирования половых клеток у самцов и самок.

Эмбриогенез - это зародышевый этап развития особи. Включает цепь сложных взаимосвязанных превращений, приводящих к появлению многоклеточных организмов, способных существовать во внешней среде.

Постнатальный онтогенез составляет у домашних животных самый продолжительный отрезок жизни, в течение которого они растут, достигают возраста половой и физической зрелости, расцвета своих продуктивных свойств, а затем стареют и умирают.

В задачу курса общей эмбриологии для студентов факультета ветеринарной медицины входит изучение строения, биологических свойств и развития половых клеток и наиболее ранних этапов эмбриогенеза представителей некоторых классов животных из типа хордовых, так как к последнему относятся основные объекты нашей хозяйственной и лечебной деятельности.

Строение, биологические свойства и развитие половых клеток

Половые клетки самцов открыты в числе первых в семенной жидкости человека в 1677 году видным голландским микроскопистом А. Ван Левенгуком. Было выяснено, что они представляют собой мелкие подвижные структуры, напоминающие по принципу строения сами макроорганизмы, отчего им и было присвоено название сперматозоиды, т.е. существа спермы, подобные животным.

Яйцеклетки у самок млекопитающих морфологически выявлены значительно позднее, в 1828 году, крупнейшим русским гистологом и эмбриологом К.М. Бэром. Это округлые, неподвижные клетки с определенным запасом желтка.

При выраженных различиях в строении и физиологических свойствах половые клетки самцов и самок обладают рядом общих признаков:

1. Яйцеклетки и сперматозоиды являются носителями строго определенной наследственной информации об отцовском и материнском организмах.

2. Хроматин ядер зрелых половых клеток заключает в себе гаплоидный набор хромосом.

3. Зрелые половые клетки не способны к делению.

4. Сперматозоиды и яйцеклетки у животных с внутренним оплодотворением не выносят воздействия факторов внешней среды, в которой они погибают практически сразу.

5. Даже в благоприятной среде половых путей самки переживаемость гамет обоих типов и сохранение ими оплодотворяющей способности составляет, как правило, 10-30 часов.

6. Мужские и женские гаметы проявляют высокую способность сохранять свои жизненные свойства лишь в условиях низкой температуры, на чем основаны технологии искусственного осеменения и трансплантации зародышей.

Строение и биологические свойства сперматозоидов

Половые клетки самцов - это жгутиковые клетки, имеющие своеобразную бичевидную форму, с последовательным размещением основных органелл, что позволяет выделить в каждой из них головку, шейку, тело (связующий отдел) и хвостик.

Головка сперматозоида является самой существенной и объемной его частью. У животных с внешним оплодотворением она симметрична, имеет правильную форму (например, у щук - шаровидная). У животных с внутренним оплодотворением форма головки асимметричная, что обеспечивает вращение спермия вокруг продольной оси и прямолинейное поступательное его движение. Так, у сперматозоидов петуха она пиявкообразная, у самца полевой мыши - серповидная, а у представителей сельскохозяйственных млекопитающих головка имеет грушевидную форму, но с уплощенной поверхностью одного края, что в целом придает ей вид ковша.

Многие неблагоприятные воздействия, например, кислая среда при воспалительных процессах в половых путях самки, могут вызвать набухание головки, что приводит к утере способности сперматозоидов к вращению, а следовательно, и к прекращению поступательного прямолинейного движения.

Большая часть головки у сперматозоидов занята ядром, а самая передняя образует головной чехлик с акросомой (acros - верхний, крайний, soma - тело). В акросоме видоизмененный пластинчатой комплекс накапливает ферменты (гиалуронидаза, протеазы), с помощью которых сперматозоиды проходят через вторичные оболочки яйцеклеток к оволемме, чтобы обеспечить оплодотворение. При этом разрушаются межклеточные связи, формируемые гиалуроновой кислотой в лучистом венце, а также гликопротеиды основного вещества прозрачной оболочки.

Позади ядра, в шейке клетки, расположены одна за другой две центриоли центросомы - проксимальная и дистальная. Проксимальная центриоль лежит в цитоплазме свободно, при оплодотворении она вносится в яйцеклетку для образования клеточного центра зиготы. Дистальная связана с осевой нитью, представляющей собой специальную органеллу сперматозоида - сократительный аппарат, которая вырастает из этой центриоли на стадии его формирования.

Состоит осевая нить, как и любая ресничка или жгутик, из 9 периферических дублетов тубулиновых микротрубочек, соединенных короткими динеиновыми мостиками (ручками), и центрального, микротрубочки которого связываются длинными радиальными нитями с определенными периферическими дублетами, что формирует только одну плоскость сокращения самой осевой нити. Это, в свою очередь, обеспечивает биение хвостика тоже в одной только плоскости.

В области тела сперматозоида вокруг осевой нити выстраиваются в виде спирально закрученной цепочки митохондрии (спиральная нить), богатые АТФ. Здесь же скапливаются значительные запасы гликогена. Таким образом формируется энергетический центр половой клетки самца.

В области хвостика цитоплазма быстро убывает, так что в его конечной части осевая нить одета только плазмолеммой.

Величина мужских гамет у представителей разных классов и видов животных колеблется в широких пределах. При этом не удается выявить какой-либо коррелятивной закономерности ее средних показателей с размерами и массой тела самих самцов:

Человек - 53 мкм; крыса - 189 мкм;

бык - 57 мкм; петух - 170 мкм;

жеребец - 47 мкм; воробей - 200 мкм;

хряк - 49 мкм; лягушка - 100 мкм;

баран - 57 мкм; тритон - 300 мкм;

морская крокодил - 20 мкм.

свинка - 100 мкм.

Учитывая то обстоятельство, что для организма самки сперматозоиды выступают в роли генетически чужеродных клеток, они подвергаются массированной атаке со стороны ее защитных клеточных и гуморальных факторов, а поэтому вынуждены еще в канале придатка семенника приобретать дополнительную липопротеиновую оболочку за счет секретов эпителиоцитов для маскировки своих антигенов. Здесь же в плазмолемме сперматозоидов создается устойчивый отрицательный ионный потенциал, что обеспечивает их взаимное отталкивание и свободное продвижение вперед против слабого встречного тока жидкости (реотаксис), образующейся за счет усиления секреторной активности генитальных желез самки в эстральную фазу полового цикла.

Скорость движения сперматозоидов составляет 2-5 мм в минуту. Такая скорость позволяет им в течение 6-9 часов достигать передней трети яйцеводов, где и осуществляется оплодотворение.

Для успешности оплодотворения необходимо, чтобы до яйцеклетки дошло, как минимум, несколько десятков тысяч мужских гамет. В пути их большая часть погибает. Поэтому природа проявляет в основном вопросе продолжения жизни необычайную щедрость при общей своей рациональности и скупости. При естественном осеменении во влагалище (коровы, овцы, козы) или в матку (кобылы, свиньи) вводится огромнейшее количество сперматозоидов. Их в одном эякуляте спермы насчитывается:

Мужчины - 300-500 млн., хряк - 40-50 млрд.,

бык - 4-14 млрд., баран - 2-4 млрд.,

жеребец - 3-15 млрд., петух - 0,3-0,4 млрд.

Губительный эффект на сперматозоиды оказывают высокая температура, ультрафиолетовое облучение, кислая среда, соли тяжелых металлов. Неблагоприятное влияние проявляется при воздействии радиационного излучения, алкоголя, никотина, наркотических веществ, антибиотиков и других сильнодействующих лекарственных препаратов. Влияние всех перечисленных факторов надо учитывать при организации процессов воспроизводства, равно как и сроки переживаемости сперматозоидов в половых путях самок:

Крольчих - 8-12 часов, кур - 30-40 дней,

коров - 25-30 часов, женщин - 5-8 дней.

овец - 30-36 часов.

ЛЕКЦИЯ №2. «Строение, биологические свойства и классификация яйцеклеток. Гаметогенез»

Строение, биологические свойства и классификация яйцеклеток

Яйцеклетки (овоциты, ovum - яйцо) - неподвижные, округлой формы клетки, накапливающие в цитоплазме у представителей разных классов животных различное количество питательных веществ углеводной, белковой и липидной природы, получающих общее название желтка. Суммарный запас трофических желтковых включений в яйце самок определяется особенностями морфологической организации определенных классов животных, длительностью и условиями эмбрионального развития, наличием или отсутствием личиночного метаморфоза.

Самые мелкие размеры свойственны яйцеклеткам самок наиболее примитивно организованных классов животных (ланцетники), живущих в водной среде, и представителям самых совершенных форм организации, составляющих класс млекопитающих, перешедших к внутриутробному характеру зародышевого развития. Размер яйцеклеток у ланцетника равен приблизительно 100 мкм, у самок сельскохозяйственных животных при наличии у них сложно устроенных вторичных оболочек - 120-140 мкм, т.е. практически одинаковый.

Однако даже при такой малой величине клеток их ядерно-плазменное отношение сдвинуто в десятки тысяч раз в пользу цитоплазмы.

Особенно крупные яйцеклетки обнаруживаются у представителей классов рептилий и птиц, что определяется их наземным развитием в условиях суши.

Относительно мелкое, округлой формы, с хорошо выраженным ядрышком и мелкозернистым хроматином ядро по-разному смещено к какому-либо краю клетки из-за сильного развития эндоплазматической сети и пластинчатого комплекса, обеспечивающих накопление желтка.

Типичное краевое положение ядра характерно для яйцеклеток с большими запасами желтка (птицы), незначительное смещение от центра - для маложелтковых яйцеклеток ланцетников и млекопитающих.

Свободные рибосомы обнаруживаются в цитоплазме клеток в небольшом количестве, в умеренном - митохондрии. Для зрелых яйцеклеток характерно отсутствие центросомы, которую они теряют на стадии созревания в процессе второго деления мейоза.

В периферической зоне цитоплазмы яйцеклеток накапливаются специфические для них кортикальные гранулы, содержащие гликозаминогликаны, участвующие в формировании оболочки оплодотворения.

Одной из главных особенностей строения яйцеклеток является формирование у них в процессе овогенеза вторичных, а у птиц и третичных оболочек. Плазмолемма яйцеклеток представляет собой их первичную оболочку, называемую оволеммой. На стадии роста за счет вспомогательных фолликулярных клеток яичников и собственно овоцита образуются вторичные оболочки: неклеточная блестящая (прозрачная) и клеточная - лучистый венец.

Ближайшая к оволемме прозрачная оболочка состоит из гликозаминогликанов и белков. Она выполняет защитную функцию, обеспечивает доставку к овоциту питательных веществ, необходимых для осуществления процессов ее жизнедеятельности и формирования желтка; играет важную роль в иммунных взаимодействиях со сперматозоидами и защите яйца от возможного попадания чужеродных антигенов из крови, омывающей фолликулы. Для активизации обменных процессов овоцит и фолликулярные клетки лучистого венца выпячивают в блестящую оболочку, навстречу друг к другу, микроворсинки.

Лучистый венец формируется у растущих (вторичных) фолликулов за счет размножения и роста поддерживающих фолликулярных клеток, входящих в состав примордиальных фолликулов. Вследствие гормональной активизации первичные, функционально неактивные вспомогательные клетки делятся митотически, увеличиваются в размерах, меняя свою форму от плоской до кубической и призматической. Высокие призматические клетки, плотно одевая овоцит, формируют вокруг него своеобразную корону из радиально расположенных и самих тел клеток, и их удлиненных ядер.

У яиц птиц вторичные оболочки выражены слабо, но зато у них получают особенно сильное развитие третичные оболочки, отсутствующие у млекопитающих. Третичные оболочки формируются за счет активной функции желез разных отделов яйцевода, наслаивающих последовательно свои секреты на уже оплодотворенную яйцеклетку при ее медленном перемещении в клоаку. В результате образуются белковая, наружная и внутренняя подскорлуповые, скорлуповая и надскорлуповая оболочки, выполняющие защитные и трофические функции при развитии птичьих эмбрионов в достаточно экстремальных для них условиях суши.

Классификация яйцеклеток

Зрелые яйцеклетки разных классов хордовых животных классифицируют по двум основным признакам - количеству накопленных желтковых включений и характеру распределения желтка в их цитоплазме.

По количеству желтка различают маложелтковые олиголецитальные (oligos - мало, lecithos - желток), среднежелтковые мезолецитальные (mesos - средний) и многожелтковые полилецитальные (poly - много) яйцеклетки.

Олиголецитальные клетки свойственны представителям примитивных хордовых животных (ланцетник), развитие которых проходит в водной среде с личиночной стадией и поэтому не требует большого запаса питательных веществ (первичные маложелтковые клетки). Малое количество желтка накапливают и яйцеклетки самок млекопитающих в силу перехода на внутриутробное развитие зародышей (вторичные маложелтковые клетки).

В связи с усложнением организации и удлинением сроков развития увеличивается количество желтка в яйцеклетках рыб и тем более амфибий (мезолецитальный тип со средним накоплением его).

Переход к развитию зародышей в условиях суши требует накопления значительных запасов желтковых включений в цитоплазме клеток для того, чтобы его хватило на весь период эмбрионального развития (яйца рептилий и птиц).

У олиголецитальных овоцитов желтковые включения распределены по цитоплазме относительно равномерно, что дает основание именовать такие яйцеклетки изолецитальными (isos - равный).

У мезо- и полилецитальных клеток желток будет смещаться в нижнюю часть цитоплазмы, отодвигая свободные органеллы и ядро к верхнему полюсу. Таким образом формируются умеренно и резко телолецитальные яйцеклетки (thelos - конец, край), в которых четко выделяются вегетативный (заполненный желтком) и анимальный (animalis - животное) полюс, обеспечивающий после оплодотворения развитие новой особи животных определенного вида и класса.

Гаметогенез

Гаметогенез - это совокупность стадийных процессов, обеспечивающих размножение, полную дифференцировку и созревание половых клеток самцов и самок. Следовательно, он слагается из процессов сперматогенеза, протекающих в мужском и овогенеза - в женском организмах.

Сперматогенез включает четыре стадии (периода) развития, овогенез - три. Первые три стадии для гамет обоих типов подобны и слагаются из стадий размножения, роста и созревания. Чтобы приобрести своеобразную бичевидную форму и сформировать аппарат движения, сперматозоиды проходят дополнительную четвертую стадию - стадию формирования.

Еще в эмбриональный период развития животных в закладку их половых желез мигрируют дифференцирующиеся в энтодерме стенок желточного мешка первичные (стволовые) половые клетки - гаметогонии (gonao - порождаю).

На стадии размножения сперматогонии и овогонии многократно делятся митозом.

На стадии роста вышедшие из цикла деления клетки растут, увеличивают массу своей цитоплазмы и готовятся к стадии созревания.

Сущность созревания половых клеток заключается в утрате ими одного набора хромосом (гаплоидные клетки) вследствие двух делений мейоза.

Процессы сперматогенеза активизируются у самцов при достижении ими возраста половой зрелости, продолжаясь потом с разной степенью интенсивности в течение всей жизни. Протекают они от первой до последней стадии в стенках извитых семенных канальцев семенников. Полный цикл формирования зрелых сперматозоидов у хряка составляет 39-40, у барана - 47-48, у быка - 62-63, у мужчины - 68 дней.

При овогенезе стадию размножения первичные половые клетки проходят еще в эмбриональный период развития самой особи, так что рождаются самки уже с определенным запасом овоцитов I порядка (100-200 тысяч в каждом яичнике).

Стадия роста у них самая продолжительная, в силу чего одна группа клеток ее завершает к наступлению возраста половой зрелости, другая, самая многочисленная их группа - поочередно, с циклической периодичностью в 21-28 дней, в течение репродуктивного периода жизни самки, а третья так и не заканчивает эту стадию из-за необратимых возрастных изменений в органах половой сферы.

Стадия созревания половых клеток самок осуществляется уже в яйцеводах, куда они попадают вследствие разрыва пузырчатых фолликулов яичников. Процесс выноса закончивших стадию роста овоцитов из яичников и попадания их в яйцеводы носит название овуляции. В практике воспроизводства особенно ответственным и решающим для успешности оплодотворения является фактор установления времени овуляции по ряду клинических признаков и поведенческих реакций животных.

Сперматогенез

Стенки извитых семенных канальцев, обеспечивающих сперматогенез, имеют сложное строение, так как кроме последовательно расположенных генераций сперматозоидов, составляющих в совокупности многослойный кубический сперматогенный эпителий, в них выражены вспомогательные поддерживающие клетки (сустентоциты, клетки Сертоли), сильно развитая базальная мембрана, собственный соединительнотканный слой из плотной волокнистой ткани, а также нечетко очерченный ряд миодных клеток.

Вспомогательные клетки и слои участвуют в формировании гематотестикулярного барьера, защищая развивающиеся гаметы от повреждающего воздействия различных неблагоприятных факторов и веществ, образуют для них надежную опору и выполняют трофические функции.

Особенно важны в этом отношении поддерживающие клетки - клетки Сертоли. Они представляют собой однослойный призматический эпителий, каждая клетка которого вытянута на всю толщину стенки канальца. Их расширенные основания плотно прилегают к базальной мембране, а верхушки с множеством разветвленных отростков, соприкасающихся с отростками соседних клеток (сертолиев синцитий), выходят на внутреннюю поверхность стенки канальцев, ограничивая их просветы. Цитоплазма этих клеток содержит много трофических включений, особенно липидов, а поэтому плохо окрашивается и слабо выявляется при световой микроскопии гистопрепаратов.

Сустентоциты для развивающихся половых клеток являются опорой, защитой и их «няньками-кормилицами». Особенно тесные взаимодействия создаются между клетками Сертоли и сперматидами, которые внедряются в глубокие ниши между отростками цитоплазмы. Уже сформированные сперматозоиды какое-то время еще находятся в этих цитоплазматических нишах, так что их головки глубоко упрятаны в них, а хвостики свободно свешиваются в просветы канальцев.

Сперматогонии составляют самый крайний клеточный ряд стенки извитых канальцев. Это относительно мелкие, с диплоидным набором хромосом и конденсированным, густо окрашенным хроматином клетки. Представляя собой стволовые клетки, сперматогонии многократно (4-14 туров) делятся. При этом одна из образующихся дочерних клеток выталкивается в следующий ряд и вступает в дифференцировку, другая остается в крайнем ряду, поддерживая на определенном уровне пул стволовых клеток. На этом же уровне выявляются крупные, угловато-овальной формы, с бледно окрашенным хроматином ядра сустентоцитов.

Следующий, второй, ряд занимают клетки, вступившие в стадию роста - сперматоциты первого порядка. Они крупнее сперматогониев, а их ядерный хроматин находится в деконденсированном, разрыхленном состоянии, так как эти клетки, готовясь к мейозу, удваивают ДНК хромосом, синтезируют РНК, структурные, ферментные и тубулиновые белки (первая интерфаза мейоза).

Закончив стадию роста, сперматоциты I порядка вступают в стадию созревания и делятся мейозом. При первом, редукционном делении, образуются сперматоциты II порядка - короткоживущие гаплоидные клетки с удвоенными хромосомами. Они сразу же входят во второе (эквационное) деление мейоза, превращаясь в сперматиды - мелкие, с гаплоидным набором одиночных хромосом клетки, расположенные в несколько рядов у внутренего края стенок семенных канальцев. Вследствие такой короткой второй интерфазы мейоза вторичные сперматоциты крайне редко, лишь в некоторых участках канальцев, обнаруживаются при микроскопировании гистологических препаратов семенников.

Мейотическое деление сперматоцитов обеспечивает разделение гетерохромосом между двумя полноценными клетками, поэтому одна половина сперматозоидов будет наделена Х-хромосомой, другая - У-хромосомой, что при оплодотворении предоставляет равные возможности для формирования особей как мужского (ХУ), так и женского (ХХ) пола.

На стадии формирования ядро у каждой из сперматид занимает краевое положение, определяя головной конец будущего сперматозоида. В этот же полюс передвигаются структуры аппарата Гольджи, формирующие в дальнейшем акросому. Центриоли клеточного центра выстраиваются одна за другой позади ядра. Из дистальной центриоли постепенно вырастает осевая нить, вокруг начального участка которой спирально закручиваются перемещающиеся сюда митохондрии. Продолжая расти, осевая нить увлекает за собой цитоплазму с плазмолеммой, вследствие чего формируется хвостик сперматозоида. Сперматозоид, таким образом, приобретает дефинитивную форму.

Овогенез

В стадию размножения мигрировавшие в зачаток яичника первичные половые клетки - овогонии внедряются в тяжи разрастающихся в виде пфлюгеровских мешков поддерживающих клеток. Овогонии в них начинают усиленно делиться, а означенные мешки распадаться на более мелкие клеточные комплексы - яйценосные шары. Последние, в свою очередь, рассыпаются на фолликулы (folliculus - пузырек) - небольшие округлые тельца, центральное место в которых занимает половая клетка. Она теперь называется овоцитом I порядка. Овоцит окружен вначале только одним слоем плоских фолликулярных клеток.

Обменные процессы в самих овоцитах и в фолликулярных клетках таких фолликулов сильно заторможены. Это функционально неактивные, покоящиеся фолликулы. Их принято обозначать первичными, или примордиальными (primordium - начало, первоначало).

Между фолликулами в виде небольших скоплений в прослойках рыхлой соединительной ткани размещаются интерстициальные клетки с эндокринной функцией.

К возрасту половой зрелости значительно повышается гормонопродуцирующая функция аденоцитов гипофиза и интерстициальных эндокриноцитов яичников, вследствие чего часть овоцитов I порядка пробуждается и начинает расти. Они последовательно проходят стадию малого роста (превителлогенез), в которой клетки синтезируют структурные, ферментные белки, липиды, углеводы и накапливают небольшие количества желтка за счет собственных органелл, и стадию большого роста (вителлогенез). Стадия большого роста длится долго по времени, характеризуется усилением активности вспомогательных фолликулярных клеток и вовлечением в процессы накопления желтка овоцитами многих органных систем самки, в первую очередь печени.

Фолликулярные клетки в стадии большого роста размножаются, растут до кубической и призматической формы и образуют вначале вокруг овоцита I порядка один слой высоких клеток - лучистый венец, затем формируют совместно с овоцитом блестящую оболочку, а в дальнейшем - многорядный зернистый слой, вокруг которого оформляется базальная мембрана и соединительнотканная покрышка - тека фолликула.

В теку включаются теперь и интерстициальные эндокриноциты. Глубокие слои теки образованы рыхлой соединительной тканью, в которой развиваются кровеносные сосуды, питающие фолликул. Внешние слои покрышки сформированы плотной соединительной тканью, выполняющей опорную и защитную функции.

Развивающиеся описанным способом фолликулы перешли во вторую форму своего существования, а поэтому называются вторичными. При этом вначале различаем вторичные фолликулы с однослойным поддерживающим эпителием (лучистый венец), а затем - с многослойным (лучистый венец и зернистый слой). По своей функциональной сущности все вторичные фолликулы являются растущими. В конечном итоге они достигают такого морфофункционального уровня своей организации, при котором можно обеспечить быструю передачу овоцитам необходимых трофических веществ и наладить активный синтез (клетки зернистого слоя) эстрогенных гормонов.

Продуцируемые эстрогенные гормоны вначале накапливаются в форме капель фолликулярной жидкости между клетками зернистого слоя. В последующем отдельные капли сливаются в большие вакуоли, образующие несколько полостей, и, наконец, формируется одна большая полость, наполненная фолликулярной жидкостью, которая оттесняет клетки зернистого слоя к одному краю фолликула. Так в фолликуле появляется яйценосный холмик, на котором удерживается овоцит I порядка, полностью завершивший стадию роста, иногда вступивший уже и в профазу мейоза.

Все разновидности фолликулов, накапливающих фолликулярную жидкость, гормоны из которой крайним рядом клеток зернистого слоя передаются в кровь, называются третичными, или пузырчатыми.

Стенки самого зрелого из них выпячиваются наружу вместе с внешней оболочкой яичника. Плотная соединительная ткань теки и прилегающих к ней участков белочной оболочки под влиянием эстрогенных гормонов разрыхляется, а давление скапливающейся внутри фолликулов жидкости возрастает, отчего такие фолликулы, именуемые Граафовыми пузырьками, лопаются. В результате овоцит I порядка отрывается от яйценосного холмика, выносится током жидкости в брюшную полость, где он улавливается воронкой яйцевода.

На месте лопнувшего (овулировавшего) фолликула путем врастания соединительной ткани с кровеносными сосудами и трансформации оставшихся клеток зернистого слоя в лютеиноциты (лютеин - желтый пигмент) развивается желтое тело, которое вырабатывает уже другой гормон - прогестерон, обеспечивающий в дальнейшем регуляцию процессов беременности. Сам же овоцит I порядка, попав в яйцевод, вступает в стадию созревания и дважды делится мейозом.

Деления мейозом будущих яйцеклеток значительно отличаются от деления сперматоцитов. При первом делении из овоцита I порядка образуется одна крупная клетка, сохраняющая запас желтка - овоцит II порядка, и очень мелкая клеточка с минимальным количеством цитоплазмы - первое полярное, или направительное тельце (полоцит). При втором делении мейоза опять наблюдается неравноценное распределение цитоплазмы между дочерними клетками: большая ее часть с желточными включениями остается за зрелым овоцитом, незначительная - за вторым направительным тельцем. Первое направительное тельце, в свою очередь, также делится.

Таким образом, при овогенезе в результате делений созревания, как и при сперматогенезе, образуется четыре клетки, но только одна из них - истинная яйцеклетка сохраняет накапливаемый в стадию роста желток. Назначение направительных телец состоит в отборе лишнего набора хромосом. Мейоз часто совпадает со временем осеменения самок, а поэтому к его завершению образующаяся яйцеклетка оказывается уже окруженной сперматозоидами. Естественно, что на месте отщепления от крупной клетки маленькой в слоях фолликулярных клеток, одевающих овоцит, появляются дефекты, через которые сперматозоидам легче пройти к оволемме. Следовательно, полярные тельца как будто бы направляют сперматозоиды по пути, наиболее благоприятному для осуществления оплодотворения, что и послужило основанием для присвоения этим маленьким клеточкам наименования направительных телец.

ЛЕКЦИЯ № 3. «Общие закономерности эмбрионального развития хордовых. Эмбриогенез ланцетника и амфибий»

Общие закономерности эмбриогенеза хордовых

наследственный биологический эмбриональный яйцеклетка

Эмбриогенез - это цепь сложных взаимосвязанных превращений, приводящих к появлению многоклеточных организмов, способных существовать во внешней среде.

Наблюдаемые при этом явления сводятся в две группы: процессы дифференцировки и процессы роста.

Процессы дифференцировки представляют собой истинное развитие. Они приводят к появлению клеток, тканей и органов, свойственных организму определенного типа, класса и вида.

Поступательное развитие и дифференцировка клеток зародыша обусловлены дифференциальным действием генов. Это значит, что на ранних этапах эмбриогенеза функционируют активно лишь отдельные гены, затем все большие группы их. При этом происходит строго упорядоченная смена этих активных состояний, запрограммированная самой наследственной основой (генетическая детерминированность - determinatio - ограничение), которая направляет онтогенез по определенному пути. Наследственная же основа сложилась на протяжении многовековой истории развития вида, т.е. всей предшествующей эволюции животных - филогенеза (files - племя). Эту главную закономерность развития Ф. Мюллер и Э. Геккель положили в основу сформулированного ими биогенетического закона (1872 - 1874 г.г.), сущность которого можно выразить в виде простого афоризма: онтогенез есть краткая сжатая форма филогенеза.

Благодаря филогенетическому родству, в раннем эмбриогенезе животные проходят общие этапы, отражающие основные ступени эволюции животного мира:

1) образование зиготы (оплодотворение) - одноклеточный уровень организации живых существ;

2) дробление зиготы - переход на многоклеточный уровень организации;

3) образование зародышевых листков (гаструляция) - переход на многослойный тип строения животных;

4) дифференцировка зародышевых листков с процессами органо- и гистогенеза, в результате которых появляются вначале признаки, присущие типу животного, а затем обнаруживаются постепенно черты, свойственные классу, роду, семейству, виду, породе и, наконец, индивидууму.

В развитии не исключаются факторы взаимного влияния зародышевых зачатков друг на друга (индукция), в силу чего некоторые из них проявляют роль зародышевых организаторов.

Оплодотворение - сложный процесс взаимной ассимиляции яйцеклетки и сперматозоида, вследствие которого образуется новый организм - зигота (zygotes - соединенный вместе). Зигота - это книга наследственности, написанная буквами материнских и отцовских генов. Совмещение двух наследственных основ обеспечивает повышенную жизненность развивающейся особи.

У животных, развитие которых проходит в водной среде, оплодотворение внешнее, а у представителей большинства наземных позвоночных - внутреннее.

Дробление зиготы - это процесс многократного митотического деления зиготы без роста образующихся бластомеров, в результате которого зародыш приобретает простейшую многоклеточную форму, называемую бластулой (blastos - росток, зачаток). Оно может быть полным - голобластическим (holos - весь, целый), при котором дробится вся зигота, и частичным - меробластическим (meros - часть), с раздробленным анимальным только полюсом. Полное дробление, в свою очередь, бывает равномерным и неравномерным.

Гаструляция - этап формирования двухслойного зародыша. Его поверхностный клеточный слой получает название наружного зародышевого листка - эктодермы (ecto - наружный, вне; derma - кожа), глубокий - внутреннего, энтодермы (endon - внутри).

У примитивных хордовых животных такой зародыш по своей форме напоминает однокамерный желудок (gaster), что и послужило основанием обозначить все разновидности зародышей на этапе формирования зародышевых листков термином гаструла.

Дифференцировка зародышевых листков обеспечивает появление в строго определенной последовательности всего многообразия клеток, тканей и органов животных определенного типа, класса и вида, т.е. полный органо- и гистогенез. При этом всякий раз вначале появляются осевые органы (нервная трубка, хорда и первичная кишка) и третий, средний по положению, зародышевый листок - мезодерма.

Эмбриогенез ланцетника

Ланцетники - небольшие (до 5 см длиной), достаточно примитивно устроенные бесчерепные животные типа хордовых, живущие в теплых морях (в т.ч. Черном), проходящие в развитии личиночную стадию, способную самостоятельно существовать во внешней среде.

Первое полное описание их развития представил А.О.Ковалевский. Оно являет собой классический пример исходных форм, которые используют как базовые модели для изучения особенностей эмбриогенеза у представителей других классов хордовых животных.

Условия и характер развития ланцетника не требуют значительного накопления резерва питательного материала, поэтому их яйцеклетки относятся к олиголецитальному типу. Оплодотворение внешнее.

Дробление зиготы полное, равномерное и синхронное. При каждом туре деления зиготы образуется четное число приблизительно равных по величине бластомеров (частиц бластулы), количество которых увеличивается в геометрической прогрессии.

Первая борозда деления проходит в сагиттальной плоскости меридианно. Она формирует левую и правую половины зародыша. Вторая борозда, тоже меридианная, идет перпендикулярно к первой (фронтальная плоскость) и обозначает будущие спинную и брюшную части тела. Третья борозда широтная. Делит бластомеры на передние и задние, обеспечивая сегментацию будущего туловища.

В дальнейшие сроки развития меридианные и широтные борозды дробления сменяют друг друга в строго очередной последовательности. Образующиеся в результате такого дробления бластомеры становятся все более мелкими по величине. Прогрессивное же нарастание их числа приводит к тому, что бластомеры вытесняют друг друга наружу, в силу чего высвобождается пространство в центральной части зародыша, а сами делящиеся клетки формируют однослойную стенку - бластодерму. Таким образом появляется шаровидная бластула с заключенной внутри полостью - бластоцелем. Такая разновидность бластулы получает название целобластулы (caelum - небесный свод).

В целобластуле принято различать крышу (анимальный полюс яйцеклетки), дно (вегетативный полюс яйцеклетки) и краевые зоны. Бластомеры дна характеризуются некоторым увеличением размеров в силу естественного смещения желтка к основанию вегетативного полюса овоцита.

Наличие большого бластоцеля и однослойной бластодермы предопределяет наиболее простой способ гаструляции у зародыша ланцетника - впячивание бластомеров дна в направлении крыши (инвагинация). Плотно прилегая к дорзо-латеральным частям бластулы, впячивающиеся бластомеры вытесняют бластоцель, формируя внутренний зародышевый листок энтодерму и новую полость зародыша - гастроцель, которая через первичное ротовое отверстие (бластопор) сообщается с внешней средой.

Бластомеры крыши и боковых зон составляют наружный зародышевый листок.

Образовавшийся двухслойный зародыш (гаструла) питается уже самостоятельно за счет попадания в гастроцель воды, обогащенной планктоном.

На следующем этапе развития из срединной дорсальной эктодермы дифференцируется тяж интенсивно делящихся клеток, который обособляется от клеток других зон наружного зародышевого листка, опускается несколько вниз и становится нервной пластинкой, образующей в последующем первый осевой орган личинки ланцетника - нервную трубку. Оставшаяся часть эктодермы, являясь самым наружным слоем тела, превращается в покровный эпителий кожи - эпидермис.

Остальные осевые органы и мезодерма развиваются путем дифференцировки различных участков внутреннего зародышевого листка.

Так, из самой дорсальной срединой его части (как и при обособлении нервной пластинки) выделяется хордальная пластинка, скручивающаяся затем в плотный клеточный тяж - хорду (второй осевой орган личинки), которая у ланцетников остается в качестве основного опорного органа - спинной струны.

По обеим сторонам хордальной пластинки, в дорсо-латеральных участках энтодермы, дифференцируются парные зачатки третьего зародышевого листка - мезодермы, обеспечивающей билатеральную симметрию тела, метамерность его строения (сегментацию) и развитие многих органов и тканей.

Вентральная часть энтодермы служит основой для формирования третьего осевого органа - первичной кишки. Клетки зачатков мезодермы характеризуются самой сильной энергией деления, наиболее интенсивным нарастанием их количества, в силу чего разрастающиеся лентовидные пластинки вынуждены выпячиваться в сторону эктодермы и образовывать складки. Упираясь верхушками складок в дорсальную эктодерму, внутренними краями в хордальную пластинку, а наружными в оставшуюся вентральную часть энтодермы, каждый мезодермальный зачаток при дальнейшем росте заворачивается вниз, внедряется между наружным и внутренним зародышевыми листками, помогая хордальной пластинке замыкаться в струну, нервному желобу становиться трубкой, а вентральной энтодерме образовывать первичную кишку.

В свою очередь, в каждом зачатке мезодермы также смыкаются их базальные края, вследствие чего эти зачатки приобретают форму замкнутых мешковидных образований с полостью внутри. Один из листков прилегает к эктодерме (наружной стенке тела личинки) и поэтому получает название париетального (пристенного), другой - к первичному внутреннему органу (кишке), что дает основание именовать его висцеральным. При последующем развитии оба зачатка мезодермы вентрально, ниже первичной кишки, срастаются. В результате в теле ланцетника появляется единая вторичная полость тела - целом, заключенная между париетальным и висцеральным листками его мезодермы.

Особенности эмбриогенеза рыб и амфибий

Для рыб и амфибий свойственны достаточно высокий уровень морфофункциональной организации тела, близкое филогенетическое родство и наличие стадий личиночного метаморфоза, протекающих в водной среде, что обусловливает сходство в строении их яйцеклеток и течении основных этапов зародышевого развития.

В связи с промежуточным положением класса земноводных между чистыми обитателями водной среды и представителями животных, ведущих наземный образ жизни, наиболее целесообразно остановить внимание на главных особенностях доличиночного эмбриогенеза амфибий.

Яйцеклетки амфибий накапливают значительное количество желточных включений, обеспечивающих ранние этапы развития (мезотелолецитальный тип). Желток занимает большую часть клетки (вегетативный полюс). Меньший анимальный полюс отличается черной или темно-серой окраской из-за накопления черного пигмента, аккумулирующего в себе тепловую энергию еще не жаркого, в первоначальную весеннюю пору, солнца. Оплодотворение внешнее. Дробление зиготы амфибий полное неравномерное, замедленное из-за желтка. Первые две борозды дробления проходят меридианно, как и у ланцетника, разделяя зиготу на 4 равных бластомера. Но уже первая широтная борозда переводит дробление в форму неравномерного, так как она проходит в пограничной, между анимальным и вегетативным полюсами, зоне, отчего верхние бластомеры имеют меньшую величину (микромеры) по сравнению с нижними, загруженными желтком в большом количестве (макромеры). При последующих турах дробления малые бластомеры делятся быстрее, высвобождая в области крыши небольшую полость (бластоцель), а крупные медленнее. Они малоподвижны, отчего формируют многослойное дно бластулы и в меньшей степени ее краевые зоны. Такой тип бластулы именуется амфибластулой.

В связи с тем, что большую часть амфибластулы образуют крупные, богатые желтком бластомеры, ее дно и краевые зоны представляют собой готовую уже энтодерму, которая в дальнейшем целиком вся превращается в трофический орган - первичную кишку.

Эктодерма поэтому у зародышей земноводных должна появиться, в отличие от ланцетников, наново. В качестве источника ее формирования могут выступать у них только быстро делящиеся микромеры крыши. Постоянно накапливаясь в большом количестве в этой области, обозначенные мелкие бластомеры сползают вниз и постепенно обрастают краевые зоны и дно, образуя вокруг них своеобразную наружную обертку (эктодерму), что по своей природе напоминает процесс ручного изготовления крупных лекарственных форм - болюсов. Это и послужило основанием для присвоения такому своеобразному типу гаструляции у амфибий наименования эпиболии, но переводимого по своему сущностному значению как обрастание.

На этапе дифференцировки зародышевых листков нервная пластинка, как и у ланцетника, появляется на базе дорсальной срединной эктодермы, а вот формирование зачатков хорды и мезодермы претерпевает значительные изменения и также переносится в наружный зародышевый листок - в область его краевой зоны на стороне будущей каудальной части тела зародыша (зона серого полумесяца).

Дифференцирующиеся клетки общего вначале хордомезодермального зачатка активно размножаются и мощным потоком мигрируют в глубь гаструлы, впячиваясь в бластоцель. Средняя часть этого потока клеток движется в краниальном направлении над энтодермой, формируя хордальную пластинку. Его боковые ветви представляют зачатки парной мезодермы. Обособляясь от хордальной пластинки, мезодермальные клетки направляются влево и вправо от центральной плоскости зародыша, заворачиваются над верхними краями энтодермы вентрально и, продолжая усиленно делиться и расти, внедряются между энто- и эктодермой, помогая упомянутой энтодерме замыкаться в первичную кишечную трубку.

Образовавшаяся мезодерма путем перемещения и расслоения клеток формирует париетальный и висцеральный листки с заключенной между ними вторичной полостью тела - целомом.

Последующие морфогенетические процессы дифференцировки мезодермы протекают сходно у представителей всех классов позвоночных животных.

В дорсальных частях левой и правой мезодермы клетки усиленно размножаются, вследствие чего полость между листками исчезает, а обе ее половины последовательно подразделяются на сегменты (обеспечивают метамерность строения животного). Каждый такой сегмент участвует в формировании соответствующих участков тела, почему им и присваивается название сомитов (soma - тело).

Выпячиваясь под каждым сомитом медиально, средние участки мезодермы образуют трубкообразные выросты - сегментные ножки, которые представляют собой основу для последующего формирования из них органов мочевыделения и размножения. Первыми на их базе развиваются почки, отчего сегментные ножки можно именовать также нефротомами (nephros - почка).

Обширные нижние части левой и правой мезодермы остаются несегментированными, продолжают свой рост вентрального навстречу друг другу и, срастаясь, формируют теперь уже единую вторичную полость тела, в которой размещаются внутренние органы, что предопределяет присвоение им названия спланхнотомов (splanchnа - внутренности).

В сомитах мезодермы клеточный материал, дифференцируясь, разделяется на три сагиттальные пластинки. Наружная пластинка служит базой для формирования соединительнотканной основы кожи (дерматом), средняя - скелетной мускулатуры (миотом), а внутренняя - прочной опоры телу - скелета (склеротом).

Левые и правые половины спланхнотома активно выселяют в промежутки между зародышевыми листками и осевыми органами клеточные элементы, образующие временную зародышевую ткань - мезенхиму из которой в последующем будут формироваться все разновидности опорно-трофических тканей, эндотелий кровеносных и лимфатических сосудов, а также гладкая мышечная ткань внутренних органов.

Оставшиеся после обособления мезенхимы клетки париетального и висцерального листков мезодермы преобразуются в однослойный плоский эпителий серозных оболочек - мезотелий.

ЛЕКЦИЯ № 4. «Особенности эмбриогенеза птиц»

Особенности строения яйцеклеток и эмбриогенеза птиц определяются наземными условиями их обитания и развития.

Полилецитальные овоциты I порядка, попав при овуляции в яйцевод, быстро проходят стадию созревания и сразу оплодотворяются присутствующими в нем сперматозоидами (период сохранения их оплодотворяющей способности длится до 40 дней). Таким образом, по яйцеводу продвигается уже зародыш на этапе дробления зиготы. В этот отрезок времени он одевается третичными оболочками.

Яйцо может находиться в яйцеводе от 4 до 27 часов. Поэтому в снесенных яйцах степень развития зародышей бывает разной. Чаще всего они пребывают в стадии бластулы или ранней гаструлы. Вследствие попадания снесенных яиц во внешнюю среду процессы эмбрионального развития в них временно, до начала инкубации или насиживания, приостанавливаются.

У полилецитальных и резко телолецитальных яйцеклеток птиц анимальный полюс тонкий, занимает крайнее верхнее положение и имеет форму диска. Борозды дробления в начальном периоде проходят и сменяются так же, как у ланцетника или амфибий, т.е. сначала идут две меридианные, потом широтная, затем опять меридианные и широтные. Но эти борозды дробят только анимальную часть зиготы. Желток, упакованный в ее вегетативном полюсе в виде плотно наслоенных светлых и темных пластов, в дробление не вовлекается. Следовательно, дробление зиготы у птиц частичное (меробластическое) дискоидальное. Меридианные борозды в этом дробящемся диске выглядят как радиальные линии, широтные - как окружности. На конечных стадиях дробления появляются еще тангенциальные борозды, проходящие в касательной плоскости. Естественно, что описываемое дробление является неравномерным.

В результате частичного дискоидального дробления зиготы птиц формируется дискобластула, лишенная бластоцеля. Лишь позднее, вследствие использования некоторого количества желтка, под зародышем появляется небольшая щелевидная полость.

Центральная часть такой дискобластулы многослойная. В ее периферических зонах продолжающиеся делиться бластомеры образуют однослойную пластинку (lamina).

Чтобы сформировать у эмбриона два зародышевых листка, бластомеры из срединной области дискобластулы должны переселиться (мигрировать) преимущественно в верхний клеточный ряд (более обширная выпуклая часть диска), в меньшей степени - в нижний, а в периферической однослойной пластинке каждой ее клетке надо разделиться во фронтальной плоскости. Вследствие сочетания обозначенных процессов и возникает двухслойная гаструла, в центральной зоне которой имело место явление миграции клеток, а в краевой - самоликвидации пластинки с трансформацией ее в экто- и энтодерму, что принято обозначать термином деламинация, понимая как расщепление одинарного пласта бластомеров на два листка.

Между появившимися двумя зародышевыми листками образуется и полость - своеобразный гастроцель, но не связанный с внешней средой и лишенный поэтому бластопора.

Внутренний зародышевый листок у гаструлы птиц представлен уплощенными клетками, плотно прилегающими к расположенному под ними желтку. Поэтому они используются в качестве трофического аппарата и в дальнейшем, вместе с присоединяющимся к ним висцеральным листком мезодермы, будут служить основой для формирования первичной кишки и временного внезародышевого органа - желточного мешка.

Таким образом, основные процессы дифференцировки для обеспечения органо- и гистогенеза у зародыша птиц переносятся в эктодерму, в ее центральную часть, имеющую форму древней защиты воина - боевого щита. Это и послужило основанием для присвоения этой части эктодермы наименования зародышевого щитка. Его передний (головной) конец расширен, задний сужен, что в целом придает щитку грушевидную форму.

Чтобы обеспечить последующие процессы дифференцировки зачатков хорды, нервной трубки и мезодермы, а главное, перемещение их клеточного материала под эктодерму на постоянное местоположение, у зародыша птиц образуются вспомогательные провизорные структуры, заменяющие губы бластопора, в форме первичной полоски и первичного (гензеновского) узелка.

Образуются они за счет усиленного размножения клеток в области широкого головного конца зародышевого щитка и активного их перемещения в виде двух мощных потоков в узкую заднюю его часть. Там они сталкиваются, меняют свое движение в обратном направлении и, подворачиваясь под эктодерму, продолжают двигаться вперед как хорошо выраженный многослойный клеточный тяж, который соединяет теперь в срединной плоскости экто- и энтодерму. Это и есть первичная полоска.

Вследствие постепенного замедления энергии и скорости перемещения клеток на переднем конце полоски формируется утолщение под названием первичного узелка.

После полной остановки миграционных потоков впереди гензеновского узелка остается еще достаточно выраженное (около трети всей длины) свободное пространство между наружным и внутренним зародышевыми листками. Сюда и будет перемещаться зачатковый материал для образования хордальной и нервной пластинок. Боковые же промежутки между эктодермальным и энтодермальным листками будут заполняться выселяющимися клетками будущей мезодермы.