Детерминация и эмбриональная регуляция

Детерминация (от лат. determinatio – ограничение, определение) – это процесс возникновения качественных различий между частями развивающегося организма, которые предопределяют дальнейшую судьбу этих частей прежде, чем возникают морфологические различия между ними. Детерминация предшествует дифференцировке и морфогенезу.

Исторически явление детерминации было обнаружено и активно обсуждалось в конце XIX в. В.Ру в 1887 г. укалывал горячей иглой один из первых двух бластомеров зародыша лягушки. Убитый бластомер оставался в контакте с живым. Из живого бластомера развивался зародыш, но не до конца и только в виде одной половины. Из результатов опыта Ру сделал вывод о зародыше как мозаике бластомеров, судьба которых предопределена. В дальнейшем стало ясно, что в описанном опыте Ру убитый бластомер, оставаясь в контакте с живым, служил препятствием для развития последнего в целый нормальный зародыш.

В 90-х гг. прошлого столетия О.Гертвиг и другие исследователи показали, что при полном разделении двух бластомеров амфибий из каждого развивается целый нормальный зародыш. Впоследствии многие ученые производили опыты по разделению бластомеров на разных этапах дробления у разных видов животных. Результаты оказались разными. У многих беспозвоночных, например у круглых червей, спирально дробящихся кольчатых червей и моллюсков, а также у ящериц, изолированные бластомеры дают такие же зачатки, какие получаются из них при нормальном развитии. Они как бы обладают способностью к самодифференцировке.

Яйца таких животных называются мозаичными. Это четко показано у гребневиков, обладающих в норме восемью рядами гребных пластинок. При развитии зародыша из ½ яйца получается четыре ряда гребных пластинок, из ¼ – только два, из ¹/₈ – один ряд. У подобных форм достигается жесткая, необратимая расстановка структур.

У других видов, например у гидромедуз, морского ежа и всех позвоночных, включая человека, отдельные изолированные бластомеры на стадии ¹/₈ и даже меньшей части зародыша могут развиваться в нормальную по строению особь. Яйцеклетки этих животных называются регуляционными.

Развитие из мозаичных и регуляционных яиц отличается в случаях удаления одного или группы бластомеров из развивающегося зародыша. У первых удаление одного из 24 бластомеров приводит к дефектному развитию, а у вторых – к совершенно нормальному строению зародыша.

Известны примеры овоплазматической сегрегации зигот и карты предполагаемых зачатков зародышей асцидии и амфибии. При нормальном развитии из их яиц, относящихся соответственно к мозаичным и регуляционным, образуются зародыши с такими органами и из таких участков зиготы, которые соответствуют карте презумптивных зачатков на стадии зиготы и бластулы. Можно сделать вывод о том, что в обоих случаях отмечена очень ранняя детерминация будущих процессов развития, а различия заключаются в том, в какой момент времени она становится необратимой. В зависимости от этого их яйца относят к мозаичным и регуляционным.

Известны данные, позволяющие оценить, насколько точно детерминирована судьба клеток при нормальном развитии у разных видов. Многочисленные исследования показывают, что высокая точность встречается очень редко. Она имеется у коловраток, круглых червей и некоторых других животных. Но это скорее исключение, чем закономерность.

У большинства видов клеточная точность утрачивается либо в ходе дробления, либо на последующих стадиях. Даже у круглых червей, характеризующихся детерминированным мозаичным дроблением, существует неточность в расположении бластомеров. У зародышей амфибий тоже показаны «ошибочные» вклинивания отдельных клеток в нетипичные для них зоны, не вредящие дальнейшему развитию.

Таким образом, детерминация связана не со свойствами отдельных клеток, а со свойствами развивающегося организма как целостной системы, обладающей взаимосвязанными и взаимозависимыми частями.

Сохранение нормального хода развития целого зародыша после его нарушения называется эмбриональной регуляцией, а достижение нормального конечного результата развития различными путями – эквифинальностью. Эквифинальность можно рассматривать как одно из важнейших свойств регуляционных процессов.

Разделение на мозаичные и регуляционные типы яиц и типы дробления условно и заключает в себе фактор времени, или момент, когда обратимая детерминация сменяется необратимой детерминацией, т. е. когда регуляционные процессы становятся невозможными. В природе нет видов, у которых не было бы обнаружено явлений эмбриональной регуляции, а также нет развития, в котором регулятивные возможности были бы бесконечны.

Кроме того, детерминация предшествует дифференцировке и морфогенезу и начинается с момента дробления, отмечена также в периоде гаструляции и органогенеза. Если в фазе яйца, зиготы или бластулы важнейшим фактором детерминации выступает овоплазматическая сегрегация, то начиная с периода гаструляции и далее главное место занимают межклеточные и межзачатковые взаимодействия. В основе взаимодействий лежат химические, физические и биологические процессы и явления (изменение концентрации ионов, обмен молекулами, выделение в среду продуктов жизнедеятельности, электрические и механические взаимодействия, излучения, контакты клеточных мембран).

Детерминация, как правило, идет от целого к частям: сначала детерминируется целый зачаток зародыша, но судьба отдельных его клеток еще не определена, затем постепенно или скачкообразно детерминируются отдельные элементы. Обычно детерминация сменяется дифференциацией и специализацией частей организма, усиливается взаимная зависимость их друг от друга, возрастают интегрированность, целостность организма.

Эмбриональная регуляция – процесс восстановления нормального развития целого зародыша или зачатка после его естественного или искусственного нарушения. Эмбриональные регуляции были открыты немецким эмбриологом Г.Дришем (1908).

Для изучения регуляционных возможностей зародышей использовали различные методические приемы:

1) удаление части материала зародыша;

2) добавление избыточного материала;

3) перемешивание и изменение пространственного взаиморасположения материала путем центрифугирования или сдавления.

Все эти операции проводили на стадиях яйца, зиготы, дробления, гаструляции и органогенеза.

Рассмотрим примеры эмбриональной регуляции на стадии яйца.

До начала дробления от яйцеклеток отбирали часть цитоплазмы путем отсасывания пипеткой или отрыва в результате сильного центрифугирования. Известно, что за очень редкими исключениями изъятие даже ¹/₃ цитоплазмы яйца не препятствует дальнейшему нормальному развитию зародыша меньшего размера. Такие результаты были получены на яйцеклетках кишечнополостных, многощетинковых червей, моллюсков, иглокожих.

Если яйца, выпущенные из гонад морского ежа, поместить в тесный сосуд, то отдельные яйца сливаются и образуются гигантские яйца. После искусственного оплодотворения такого яйца из него развивается совершенно нормальная личинка, но вдвое больших размеров. Количество клеток в ней такое же, как и у обычной личинки, но каждая клетка вдвое крупнее.

В экспериментах показано, что сильное центрифугирование яиц моллюсков, червей и морского ежа не изменяет места выделения полярных телец, направления первой борозды дробления и характера развития. Получается совершенно нормальная личинка со случайным распределением пигмента и других веществ. Яйцо тритона после 20-минутного центрифугирования тоже дробится, несмотря на полное нарушение расположения в нем желтка и других компонентов.

Таким образом, все приведенные опыты показывают, что овоплазматическая организация не является абсолютной причиной детерминации и при ее нарушении возможна эмбриональная регуляция.

Было проведено множество опытов по определению эмбриональной регуляции на стадии дробления.

Почти у всех видов животных разделение бластомеров на первых этапах дробления приводит к развитию из них целых, нормальных зародышей, т. е. монозиготных близнецов. У морского ежа каждый из четырех бластомеров может образовать нормальную личинку. На стадии восьми бластомеров полноценная регуляция осуществляется в бластомерах вегетативного полюса, а в бластомерах анимального полюса она возможна при помещении их в слабый раствор солей лития.

Регуляция во время дробления широко распространена у позвоночных: миног, хрящевых и костных рыб, земноводных и высших позвоночных. Об этом свидетельствуют опыты по изоляции бластомеров и частое образование монозиготных близнецов и двойниковых уродств. Возможно развитие нормальных крольчат из одного удаленного бластомера двух-, четырех- и восьмиклеточной стадии зародыша в 30, 19 и 11% случаев соответственно. Из этого следует, что потенции отдельного бластомера к морфогенезу шире, чем реализующиеся из него в ходе нормального развития зачатки.

Потенции – это максимальные возможности элементов зародыша, т. е. направления их развития, которые могли бы осуществиться. В норме реализуется лишь одно из них, а остальные могут быть выявлены в эксперименте. Широкие потенции называются тотипотентностъю.

Широкие потенции бластомеров подтверждаются многочисленными опытами по их пересадке и перемешиванию. Бластомеры морского ежа разделяли и затем перемешивали в беспорядке. Получились нормальные личинки, но другим путем: кишечник, например, образовывался не инвагинацией, а путем расхождения из плотной клеточной массы; скелет возникал раньше, чем покровы.

У зародышей млекопитающих бластомеры при пересадке ведут себя соответственно месту пересадки. Это подтверждено переносом клеток из трофобласта в зародышевый узелок, и наоборот. В этих случаях проявляются зависимость судьбы бластомера от взаимодействия с другими бластомерами и более широкие его потенции.

Значительный интерес представляют опыты по объединению зародышей. Искусственное слияние двух зародышей морского ежа на стадии бластулы может завершиться формированием совершенно нормальной структуры личинки. Такая личинка превосходит по размерам нормальных зародышей и имеет вдвое больше клеток. Это доказывает, что при совершенно тождественной морфофункциональной организации тела оно может быть построено из разного количества клеток. Следовательно, детерминация является производной от организма как целого.

В отношении млекопитающих была высказана гипотеза, что в их зародышах предетерминированные локализованные участки цитоплазмы не играют никакой роли. И в этом плане был проведен следующий эксперимент. Объединяли клетки двух мышиных зародышей, находящихся на стадии морулы. Зародыши отличались по генам окраски шерсти. Образовавшуюся в результате гибридную бластоцисту имплантировали в приемную мать. Развивался нормальный живой мышонок-химера, в окраске которого проявилось действие обоих генов обоих родителей.

Фактически у всех животных до дробления детерминируются полярность, симметрия, дорсовентральная ось и тип дробления. Однако нет основания думать, что в цитоплазме имеются в готовом виде органообразующие зачатки и что она столь же сложно сконструирована, как и взрослый организм. Об этом свидетельствуют эксперименты по сдавливанию зародышей в стадии дробления.

Если яйцо лягушки сдавить двумя пластинками в анимально-вегетативном направлении, то после двух дроблений, происходящих, как и при нормальных условиях, следует не горизонтальное, а меридиональное, приводящее к расположению восьми бластомеров в один слой в виде пластинки. То же наблюдается и на стадии 16 и 32 бластомеров. После удаления давящей силы из таких яиц могут развиться нормальные зародыши.

Наличие периода развития, когда потенции элементов зародыша шире, т. е. когда детерминация не носит необратимого характера, лежит в основе эмбриональных регуляций. Таким образом, детерминация и эмбриональная регуляция являются противоположными свойствами и взаимосвязаны в системе целостного развивающегося зародыша.

Способность к эмбриональной регуляции в ходе онтогенеза падает, но не абсолютно, так как и у взрослого организма существует, например, способность к восстановлению утраченных или поврежденных частей. Важно, что не только в эксперименте, где искусственно нарушается нормальный ход развития, но и в естественных условиях ход развития клеток регулируется согласно их положению в целом.

Гибкий регуляторный характер развития имеет адаптивные преимущества: если какое-либо одно звено будет подавлено или полностью выпадает, сохраняются шансы на достижение нормального конечного результата. С другой стороны, в экстремальных условиях резерв изменчивости может стать источником эволюционных преобразований.

Литература

1. Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. – М.: Высшая школа, 2003. – 432 с.

2. Пехов, А.П. Медицинская биология, генетика и паразитология / А.П. Пехов. – М.: Изд. Группа «ГЭОТАР-Медиа», 2010. – 664 с.

3. Чебышев, Н.В. Биология / Н.В. Чебышев, Г.Г. Гринева. – М.: Изд. Группа «ГЭОТАР-Медиа», 2008. – 416 с.