Оплождане. Индивидуално развитие при гръбначните.

ОПЛОЖДАНЕ И ИНДИВИДУАЛНО РАЗВИТИЕ

1. Оплождане

         Както знаем, оплождане се нарича сливането на двете гамети (яйцеклетка и сперматозоид) до зигота. В предишния раздел го нарекохме "полов процес по същество", защото именно чрез него се обединява генетичен материал от различни индивиди. Сега ще разгледаме как точно протича оплождането при бозайниците.

         Според мястото си оплождането бива външно (протича извън организмите) и вътрешно (протича в половата система на женската). Външно оплождане се наблюдава при много водни животни, а вътрешно – при някои водни и всички сухоземни. Бозайниците, разбира се, имат вътрешно оплождане. То протича в яйцепроводите, където попада яйцеклетката след овулацията.

         Макар и готова за оплождане, овулираната яйцеклетка е с незавършена мейоза – спряла е в метафаза II. Яйцеклетката и първото полярно телце са оградени от прозрачната обвивка (zona pellucida), съставена от белтъци. Тя не е плътно свързана с клетъчната мембрана – между тях има известно пространство (вж. предишния раздел). Над прозрачната обвивка фоликулните клетки от яйценосния хълм, свързани помежду си с междуклетъчно вещество, служат като допълнителна обвивка. Клетките й постепенно се изронват, но при пристигането на сперматозоидите поне най-вътрешният й слой (лъчистият венец) още е налице.

         При половия акт сперматозоидите се отделят във влагалището. Оттам до яйцеклетката предстои дълъг път. За да не поемат в погрешна посока, сперматозоидите се ориентират чрез хемотаксис. Това значи, че фоликулните клетки секретират вещества, които сперматозоидите усещат чрез рецептори и се насочват към по-високата им концентрация. Секретите, привличащи сперматозоидите, не са изцяло изяснени, но се знае, че между тях е женският полов хормон прогестерон.

         Пътят до яйцеклетката е дълъг и труден, защото секретите на женския полов път са вискозни (гъсти). От милионите сперматозоиди, отделени при еякулацията, само няколко десетки успяват да оцелеят в киселата среда на влагалището, да се проврат през тясната шийка на матката и да преплуват цялото разстояние до яйцепровода.

         Да се изучава оплождането при бозайници е много по-трудно, отколкото например при морски таралеж. Бозайниците отделят малко яйцеклетки и срещата със сперматозоидите е на тъмно, недостъпна за погледа. Положението започва да се изяснява едва с разработването на набор от методи, наричани общо оплождане in vitro. Те са по-известни с приложението си за лечение на безплодие. Първоначално в женския организъм се инжектират сравнително високи дози хормони. В резултат едновременно узряват много повече от обичайния брой овоцити (3-12 при човек, десетки при мишка). Те се изтеглят или от яйцепровода, или от самия зрял фоликул малко преди овулацията. Извън организма, в съд с хранителна среда, към тях се добавят сперматозоиди. Протича оплождане, което може да се наблюдава. Получените зародиши могат да се пренесат в матката, където се загнездват и продължават развитието си до пълноценни организми.

         След като достигнат яйцеклетката, сперматозоидите трябва да проникнат през обвивките й. По-рано се е смятало, че първите сперматозоиди "се жертват" и разкъсват лъчистия венец с ензимите от акрозомите си, а след това други сперматозоиди осъществяват самото оплождане. За сперматозоида да използва акрозомата си на този етап означава да изгърми патроните си, защото тя му е нужна за преодоляване на следващото препятствие – прозначната обвивка. Сега обаче се смята, че лъчистият венец е не плътна преграда, а лабиринт за сперматозоидите. Повечето от тях успяват да се проврат между фоликулните клетки, запазвайки акрозомите си, така че не е нужно първата вълна от сперматозоиди да се жертва.

         Стигайки до прозрачната обвивка, сперматозоидите се свързват с нея, като техни мембранни белтъци разпознават нейните съставни белтъци. Това междумолекулно разпознаване е сигнал за сливане на акрозомната и клетъчната мембрана там, където те лежат една над друга. Този процес се нарича акрозомна реакция и всъщност е вид екзоцитоза. Различава се от по-обичайните екзоцитози по това, че започва в много точки (вероятно защото акрозомата е много по-голяма от мехурчетата, които обикновено се екзоцитират). На мястото на двете цялостни мембрани се получават множество малки мехурчета. Анимация на акрозомна реакция е дадена на http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/pathphys/reprod/fert/fert.html.

         Като всяка екзоцитоза акрозомната реакция отделя съдържимото на екзоцитираното мехурче във външната среда. Протеазите от акрозомата, вече свободни, започват да разграждат белтъците от най-близката част на прозрачната обвивка. Получава се кос тунел, през който се провира сперматозоидът, изтиквайки се с опашката. "Челото" на главичката му вече е покрито не с клетъчната мембрана, а с оцелялата част от акрозомната мембрана. То има заострена форма и не разчита само на акрозомните ензими, а пробива прозрачната обвивка и механично.

         Накрая сперматозоидът стига до вътрешната страна на прозрачната обвивка и попада в цепковидното пространство между нея и самата яйцеклетка. Настъпва време за свързване на сперматозоида с мембраната на яйцеклетката. Това става чрез специфично разпознаване на белтъци от двете мембрани (не същите, които се разпозваха при свързването с прозрачната обвивка, а други белтъци). Понеже разпознаващите белтъци на сперматозоида са върху клетъчната му мембрана, той допира яйцето не фронтално, а странично, със своя "екватор" – най-широката част на главичката, където е съхранена клетъчната мембрана.

         След разпознаването двете гамети се сливат, започвайки от задната половина на главичката. Яйцеклетката активира обмяната си и освен това променя прозрачната си обвивка така, че да не може да проникне друг сперматозоид.

         След сливането ядрото, центриолите и осевият апарат на сперматозоида попадат в яйчената цитоплазма. Ядрената обвивка се разпада на мехурчета. Хроматинът се оказва потопен в цитоплазмата и отделя в нея протамините, заменяйки ги с взети от яйцето хистони. Съответно плътният вид на сперматозоидния хроматин се губи, той набъбва и изсветлява. Скоро мехурчета се присъединяват и възстановяват ядрената обвивка. Това готово за сливане сперматозоидно ядро се нарича мъжки пронуклеус.

         В това време яйцеклетката също има работа: да довърши мейозата. "Замръзналата" метафаза II бързо преминава в анафаза II, след което се отделя второто полярно телце. През телофаза ІІ се образува женският пронуклеус.

         Двата пронуклеуса бавно се сближават, придърпвани от микротубулния цитоскелет. В това време тяхната ДНК се удвоява, готвейки се за делене. При бозайниците пронуклеусите така и не се сливат, защото още преди срещата им клетката навлиза в митоза. Удвоените хромозоми се кондензират, ядрените обвивки се разпадат, а микротубулите изграждат делително вретено, както е обичайно за профазата.

         Малко по-късно, през метафазата, хромозомите от яйцеклетката и сперматозоида застават заедно в екваториалната равнина. Така двата родителски генома се обединяват в един диплоиден набор. Едва сега, когато майчините и бащините хромозоми са се смесили, имаме право да обявим оплождането за осъществено. В този миг възниква новият индивид.

2. Индивидуално развитие

2.1. Общ план

         Индивидуално развитие наричаме последователните промени, през които преминава многоклетъчният организъм от своето възникване до смъртта си.

         Както видяхме, новият животински организъм започва живота си като оплодена яйцеклетка (зигота). Тя навлиза в митоза и така поставя началото на поредица от последователни деления, наречена дробене. Тези деления са необичайни: протичат синхронно през невероятно малки интервали (най-често между 10 минути и 2 часа) и не се съпровождат с растеж. Основават се на запас от хранителни вещества и мРНК, който зародишът наследява от яйцеклетката. Те видоизменят клетъчния цикъл, като скъсяват фазите G₁ и G₂ до незабележимост.

         Крайният продукт на дробенето е купчина от клетки, наречена бластула (от гр. бластос – израстък). Самите клетки се наричат бластомери. Типичната бластула е с форма на кухо кълбо, изпълва цялото яйце и по-късно изцяло се включва в тялото на зародиша. Кухината се нарича бластоцел.

         След известно време клетъчният цикъл добива обичайния си вид. Не след дълго клетките на бластулата започват да променят формата си и да се движат насочено. Взаимното им разположение се променя. Процесът на разместване се нарича гаструлация, а зародишът на този етап – гаструла (умал. от gaster – стомах). В резултат на гаструлацията зародишът се подразделя на клетъчни слоеве, наречени зародишни пластове. Те са три: външен (ектодерма), среден (мезодерма) и вътрешен (ендодерма). Това се отнася за соматичните клетки. Клетките от половия път следва да се разглеждат отделно от трите пласта, където и да се намират.

         Гаструлационните движения са разнообразни, но в типичния случай включват вгъване до образуване на нова кухина. Тя се нарича гастроцел или кухина на първичното черво (стената й е самото първично черво и по-късно дава храносмилателния канал). Мястото на вгъването остава като отвор на кухината, наречен първична уста или бластопора (името не е особено логично, защото зародишът вече не е бластула, а гаструла). Клетките, които постилат гастроцела, изграждат ендодермата. Слоят от клетки, останали на повърхността на зародиша, е ектодермата. Всички клетки, които са между тези два пласта, са мезодермални.

         Според съдбата на бластопората многоклетъчните животни се делят на две основни групи. Тези, при които бластопората става уста, се наричат първичноустни. Такива са почти всички безгръбначни. Другата възможност е бластопората да стане анус, а устата да се отвори на ново място. Това става при всички хордови и малък брой безгръбначни, например бодлокожите. Общо тези животни се наричат вторичноустни.

         Всъщност нещата не са толкова ясни, колкото изглеждат според това описание. На практика не винаги е лесно клетките на гаструлата да се "разграфят" по зародишни пластове, а още по-трудно е да се хванат дирите на бластопората. Затова животни с прекалено видоизменено развитие се оценяват по аналогия с техни родственици, които гаструлират по-нагледно. Например сухоземните гръбначни нямат бластопора, но по родството им със земноводните знаем, че са вторичноустни.

         След като се обособят зародишните пластове, започва нова поредица от клетъчни движения и взаимодействия, в резултат на които се образуват органите. Съответно процесът се нарича органогенеза. Отначало се получават малки и прости органни зачатъци. След това структурата на органите се усложнява, а клетките започват видимо да се различават една от друга, т.е. появяват се признаци на диференциране. Образуването на тъкани се нарича хистогенеза и започва малко след органогенезата.

         Ектодермата дава начало на епидермиса, нервната система и крайните части на храносмилателната система (т.е. устата и правото черво). Мезодермата основава двигателната система, кръвоносната система и соматичната част на гонадите. Ендодермата постила храносмилателния канал и неговите производни.

         Досега разглеждахме образуването на структури (тъкани и органи). Развитието включва и увеличаване на размерите, т.е. растеж. Дробенето не се съпровожда с растеж. Така от огромната зигота се получават клетки с обикновени размери. На стадий късна бластула зародишите стават способни да растат, стига да има накъде. Всяка група животни има свой характерен образец на растеж на зародиша.

         Докато протичат всички тези събития, развиващият се индивид се изхранва за сметка или на запасите в яйцето, оставени от майката, или пряко на майчиния организъм. Именно това е значението на термина зародиш (ембрион) – млад организъм, който още не се храни самостоятелно. Освен това при по-високоорганизираните животни зародишът е ограден от външната среда с обвивките на яйцето или с майчиното тяло. Зародишното развитие или ембриогенезата завършва, когато индивидът започне да се храни сам. Ако зародишът обитава защитено пространство, ембриогенезата приключва зрелищно с излюпване или раждане.

         По-нататъшното развитие на индивида се нарича следзародишно или постембрионално. То бива два основни типа. В единия случай новороденото или новоизлюпено животно прилича на възрастните от своя вид. По-нататъшното му развитие е предимно растеж. Сериозно преобразуване изискват само отделни органи, най-вече от половата система. Такова следзародишно развитие се нарича пряко. За да може устройството в общи черти да се оформи още в зародиша, той трябва да бъде добре осигурен и защитен. Затова пряко развитие се наблюдава най-вече при животни с големи яйца и при живородни животни. Типичен пример за пряко развитие са първично-сухоземните гръбначни (влечуги, птици и бозайници).

         В другия случай новоизлюпеният или новороден организъм значително се различава от възрастните. Освен че е по-малък, той има друго устройство (обикновено по-просто), други физиологични особености и екологични изисквания. Такъв млад индивид, който вече се храни сам, но не прилича на възрастната форма, се нарича ларва (от лат. larva – маска). Сравнен с ембриогенезата, ларвният период е дълъг. Той включва растеж, а понякога и търсене на нови местообитания. След това ларвата се преобразува във възрастен организъм чрез процес, наречен метаморфоза (от гр. метаморфозис – превръщане). Такова следзародишно развитие са нарича непряко или косвено. Наблюдава се например при земноводните и насекомите.

         Чрез пряко или непряко развитие организмът достига полова зрялост. Това е периодът, когато той на свой ред се размножава, а всичките му органи показват най-доброто от своите възможности. По-късно тези възможности отслабват, организмът старее и в крайна сметка умира.

         След като разгледахме общия план на индивидуалното развитие, ще се спрем накратко на ембриогенезата на две конкретни вторичноустни животни. Човекът не е сред тях – неговото развитие излиза извън рамките на нашия курс.

2.2. Зародишно развитие на морски таралеж

         Морският таралеж отдавна е любим обект на ембриолозите. Той спада към бодлокожите – група безгръбначни, които са сравнително близки до гръбначните и вторичноустни като тях.

         В яйцето на морския таралеж жълтъкът е малко и е почти равномерно разпределен, но все пак двата полюса са ясно очертани. Знаем, че по-богатият на жълтък полюс се нарича вегетативен, а другият – анимален. Прието е яйцата и зародишите, когато се наблюдават откъм средата (екватора), да се изобразяват с анималния полюс нагоре.

         При първото делене на дробенето делителната бразда минава "отвесно" от анималния до вегетативния полюс като при разрязване на ябълка на две. Втората делителна бразда минава пак отвесно, но перпендикулярно на първата (като при разрязване на ябълка на четири). Третата делителна бразда минава "водоравно" по средата на зародиша. Получават се 8 бластомера, подредени във вид на куб.

         Тези 3 взаимно перпендикулярни равнини се спазват и при следващите деления на дробенето. Докато то напредва, клетките не растат, а и не могат да растат, защото обвивката на яйцето им пречи. На този етап зародишът е купчинка от бластомери, подобна на черничев плод, затова се нарича морула (от лат. morum – черничев плод).

         За да се образува бластоцелът, бластомерите отделят течност, която се трупа между тях. След 7. делене, когато клетките са 128, зародишът добива вида на кухо кълбо и вече се смята за бластула.

         Бластомерите отделят ензими, които смилат обвивката. Бластулата се "излюпва" и вече може да расте.

         Гаструлацията при морския таралеж започва в областта на вегетативния полюс. Стената на бластулата се вгъва навътре като гумена топка, натисната с палец. Получената нова кухина е гастроцелът, а отворът й – първичната уста (бластопората).

         След това първичното черво се стеснява и удължава, докато се допре в срещуположната стена на зародиша. От "върха" му някои клетки преминават в бластоцела и дават мезодермата. Другите клетки на първичното черво ще съставят ендодермата, а останалите отвън клетки – ектодермата. Долните светлинно-микроскопски снимки илюстрират описаните етапи от развитието.

Зародишно развитие на морски таралеж: 1 – яйце, 2 – два бластомера, 3 – четири бластомера, 4 – осем бластомера, 5 – морула, 6 – бластула, 7 – ранна гаструла, 8 – късна гаструла.

         Малко по-късно там, където червото допира стената на зародиша, се образува отвор – устата. С това самостоятелното хранене става възможно и зародишното развитие завършва.

2.3. Развитие на жаба

         Яйцата на жабата са много по-големи от тези на морския таралеж – около 2 mm в диаметър. Оплождането е външно. В момента на снасянето яйцеклетката е в метафаза ІІ, а след проникването на сперматозоида довършва мейозата си (като при бозайниците).

         За да бъде по-ефективно оплождането, напролет мъжките и женските жаби се събират заедно и изхвърлят гаметите си едновременно и на едно място. По-късно яйцата могат да се видят на повърхността на застоялите води. Те плават с анималния полюс нагоре, защото събраният във вегетативната област жълтък тежи.

         Дробенето при жабата като цяло напомня това при морския таралеж. Разликата е, че жабешкото яйце е запасено с много повече жълтък и той видимо затруднява цитокинезата. Затова отвесните делителни бразди винаги започват от анималната част и бавно си пробиват път към вегетативната, а водоравните бразди са изместени към анималния полюс. Съответно анималните бластомери са по-многобройни и по-дребни от вегетативните.

         И тук зародишът става бластула на стадий 128 клетки. За разлика от морския таралеж при жабата бластоцелът е изцяло в анималната половина, а стената на бластулата е многослойна. Долната рисунка е опростена по Гилберт (1993).

         Гаструлацията започва във вегетативната област, малко под екватора. Размножаващите се анимални бластомери се изтикват надолу и достигат това място. Някои от тях образуват вгъване, което ще даде бластопората. Същевременно по останалата повърхност на зародиша анималните бластомери, на които вече е тясно в тяхното полукълбо, се изместват надолу и постепенно обрастват вегетативните бластомери, докато покрият целия зародиш освен бластопората.

         Анималните бластомери, които остават на повърхността на зародиша, ще дадат ектодермата. Вегетативните бластомери и тези анимални бластомери, които навлизат навътре и постилат гастроцела, ще станат ендодерма. Тези, които също потъват, но са притиснати отвсякъде с други клетки и нямат излаз на гастроцела, ще образуват мезодермата. Схеми на гаструлацията при жаба са дадени на http://www.uoguelph.ca/zoology/devobio/210labs/gastrulation2.html.

         В края на гаструлацията зародишът все още е топчест. Не след дълго обаче той започва да се удължава. Мезодермалните клетки между бластопората и анималния полюс образуват продълговата пластинка. Това е хордата или гръбната струна – основната опорна структура на зародиша, предшественик на гръбначния стълб.

         Появата на хордата кара най-близките до нея ектодермални клетки да променят поведението си. Те се удължават и така образуват плоско удебеление, наречено нервна плоча. После то се вгъва надлъжно до нервна бразда. Браздата става все по-дълбока, а ръбовете й се сближават, докато се допрат и слеят. Браздата се затваря в нервна тръба, от която ще се развие нервната система. Отвън покривната ектодерма (бъдещият епидермис) също се затваря. Това залагане на основите на нервната система се нарича неврулация, а зародишът на този етап – неврула. Неврулацията при жаба е илюстрирана на http://cti.itc.virginia.edu/~psyc220/ngroove.gif.

В областта на главата нервната тръба образува разширение – мозъчно мехурче. От него "пъпкуват" очните ябълки. Към края на ембриогенезата храносмилателната система се сдобива с преден отвор – уста (както знаем, бластопората става анус).

         Жабата има непряко развитие. От яйцето се излюпва ларва, наречена попова лъжичка. Тя външно прилича на малка рибка, снабдена е с опашка и плавник, диша с външни хриле и е "вегетарианка". След период на растеж настъпва метаморфозата. Ларвата се сдобива с крайници, губи опашката и хрилете си и се превръща във възрастна жаба, която диша чрез кожата си и се храни с насекоми.

Основни източници

         Гилберт С. Биология развития. 1. т. Мир, Москва, 1993.
         Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell

За жабешката гаструлация:

         Ackerley S.K. (2005). Gastrulation in the mesolecithal embryo. [Online] http://www.uoguelph.ca/zoology/devobio/210labs/gastrulation2.html

Copyright © Майя Маркова

Предишен раздел Начало Следващ раздел