Спиральное голобластическое дробление

Спиральное дробление характерно для нескольких групп червей (кольчатых, турбеллярий, немертин) и всех моллюсков, за исключением головоногих. Оно во многих отношениях отличается от радиального дробления. Во-первых, яйца не делятся параллельно или перпендикулярно анимально-вегетативной оси. Плоскости делений дробления ориентированы наклонно, что приводит к «спиральному» расположению дочерних бластомеров. Во-вторых, число контактов между клетками больше, чем при радиальном дроблении. Фактически они принимают расположение, наиболее стабильное в термодинамическом отношении, подобное расположению контактирующих мыльных пузырьков (рис. 3.13). В-третьих, зародыши со спиральным типом дробления проходят меньше делений до начала гаструляции. Это позволило проследить судьбу каждой отдельной клетки бластулы. Когда сопоставили судьбы отдельных клеток зародышей кольчатых червей, плоских червей и моллюсков, то оказалось. что у клеток, занимающих одно и то же положение, судьба в принципе одинакова (Wilson. 1898). Возникающие таким образом бластулы не имеют бластоцеля и носят название стерробластул.

На рис. 3.14 и 3.15 показано дробление зародыша моллюска. Первые два деления почти меридиональны и приводят к образованию четырех крупных макромеров (обозначенных А, В, С и D). У многих видов эти бластомеры различаются по своим размерам (причем D бывает самым крупным) это позволяет идентифицировать отдельные бластомеры. При последующих делениях каждый макромер на своем анимальном полюсе отделяет маленький микромер. Каждый последовательно появляющийся квартет микромеров смещается вправо или влево относительно сестринских макромеров, что приводит к характерному для данного типа дробления расположению бластомеров по спирали. Если смотреть на зародыш со стороны анимального полюса, то можно видеть, что верхние концы митотических веретен бывают наклонены поочередно то по часовой стрелке, то против нее. В результате микромеры оказываются смещенными по отношению к отделяющим их макромерам то влево, то вправо. При третьем делении макромер А дает две дочерние клетки макромер 1Α и микромер 1a. Бластомеры В, С и D ведут себя сходным образом, формируя первый квартет микромеров. Если на этой стадии смотреть на дробящиеся яйца со стороны анимального полюса, то у большинства видов микромеры оказываются смещенными вправо по отношению к отделившим их макромерам (дексиотропная спираль) в противоположность леотропной спирали при их смещении влево. При четвертом делении макромер 1А делится на макромер 2А и микромер 2а, а микромер 1a на два микромера, 1a¹ и 1a². При последующем делении макромер 2А дает бластомеры ЗА и За, a такие микромеры, как 1a², дает клетки 1a²¹ и 1a²². Смещение плоскости дробления влево или вправо контролируется цитоплазматическими факторами. Это было установлено путем изучения мутаций закручивания раковин у улиток. У некоторых улиток устье, которым открывается спираль раковины, находится с правой стороны от ее завитка, тогда как у других устье располагается слева. Обычно направление закручивания бывает одинаковым у всех особей данного вида. Однако иногда встречаются мутанты. Например, среди представителей видов с устьем, расположенным справа, встречаются особи, у которых оно расположено слева. Результаты

Рис. 3.13. Схематический рисунок, показывающий расположение четырех и восьми мыльных пузырьков в широком сосуде со слегка вогнутым дном. В соответствии с законами термодинамики пузырьки располагаются так, что площадь контакта между ними оказывается максимальной: такая картина очень напоминает картину спирального дробления зародышей.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

84 ГЛАВА 3

Рис. 3.14. Спиральное дробление у Trochus (А - вид со стороны анимального полюса; В - вид сбоку). На рис. Б клетки - потомки бластомера А - выделены серым цветом. Митотические веретена, изображенные на ранних стадиях, разделяют клетки на неравные части и под углом к вертикальной и горизонтальной осям.

Рис 3.15. Спиральное дробление яйца улитки Ilyanassa. Бластомер D больше остальных, что позволяет идентифицировать, каждую клетку. Дробление дексиотропное. А. 8-клеточная стадия. Б. Стадия незавершенного четвертого деления, на которой макромеры уже разделились на крупные и мелкие спирально расположенные клетки. (Из Craig. Могrill. 1986; фотографии с любезного разрешения авторов.)

изучения зародышей таких улиток с уклоняющимся строением (Crampton, 1894) показали, что процесс дробления у них отличается от нормального. Положение клеток после второго деления дробления было у них иным (рис. 3.16). Это являлось следствием другой ориентации митотического аппарата у левозакрученных (леотропных) улиток. Все последующие деления леотропных зародышей были зеркальным отражением картин, наблюдающихся у дексиотропных зародышей. На рис. 3.16 можно видеть, что положение бластомера 4d (который играет важную роль, поскольку его потомки образуют мезодермальные органы) различно у зародышей с разным направлением спирализации. В конечном счете формируются две улитки, тела которых располагаются по разные стороны от устья.

Направление закручивания раковины улиток контролируется одной парой генов (Sturtevant, 1923; Boycott et al.. 1930). У улитки Limnaea peregra большинство особей дексиотропные. Изредка встречающиеся леотропные мутанты были скрещены с улитками дикого типа. Эти скрещивания показали, что

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ_____________ 85

Рис. 3.16. Правозакрученная и левозакрученная улитки (вид со стороны анимального полюса). Направление закручивания раковины направо или налево может быть определено по ориентации митотического веретена на стадии второго деления. Левозакрученная (А) и правозакрученная (Б) улитки развиваются как зеркальное отражение одна другой. (По Morgan. 1927.)

имеется «правовращающий» аллель (Б), доминантный по отношению к «левовращающему» (d). Однако направление смешения бластомеров при дроблении определяется не генотипом развивающейся улитки, а генотипом ее матери. Самка улитки dd может производить только левозакрученных потомков, даже если они имеют генотип Dd. Таким образом, особь Dd будет леотропной или дексиотропной в зависимости от материнского генома. Скрещивания дают следующие результаты:

Приведенные данные свидетельствуют о том, что генетические факторы, обусловливающие направление закручивания раковины у улиток, передаются зародышу через цитоплазму ооцита. Направление смещения бластомеров при дроблении определяется генотипом яичника, в котором развивается ооцит. Если в яйца матерей dd инъецировали небольшое количество цитоплазмы от дексиотропных улиток (Freeman, Lundclius, 1982), то развивавшиеся зародыши оказывались правозакрученными. Цитоплазма от леотропных улиток не влияла на дексиотропных зародышей. Это подтверждает представление, согласно которому матери дикого типа передают яйцам какой-то фактор, который у матерей dd отсутствует или дефектен.

Дополнительные сведения и гипотезы: Адаптация путем изменения процесса дробления зародыша

Эволюция осуществляется в результате наследственных изменений эмбрионального развития. (Когда мы говорим, что современная трехпалая лошадь произошла от пятипалого предка, мы имеем в виду, что в ходе эволюции лошади процесс закладки костей у зародыша претерпел изменения, и это привело к возникновению трехпалого организма.) Иногда мы можем установить, какая именно моди-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

86 ГЛАВА 3

Рис 3.17. Образование личинки моллюсков глохидия путем модификации спирального дробления. После того, как сформировался 8-клеточный зародыш (А), положение митотического веретена приводит к тому, что большая часть цитоплазмы бластомера ID попадает в бластомер 2d (Б). Крупный бластомер 2d делится (В) и в конечном счете образует массивную раковину личинки, построенную по типу «медвежьего капкана» (Г)·

фикация морфогенеза позволила особи выжить в условиях, которые, не произойди такое изменение, были бы для нее крайне неблагоприятными. Одна из модификаций такого рода, открытая Фрэнком Лилли (Lillie, 1898), заключается в изменении типичного хода спирального дробления в семействе двустворчатыx моллюсков Unionidae.

В отличие от большинства двустворчатых моллюсков Unio и родственные формы живут в реках с быстрым течением. Такие условия обитания обычно создают проблему расселения личинок: поскольку взрослые особи ведут оседлый образ жизни, свободноплавающие личинки должны были бы всегда сноситься течением вниз. Эти моллюски, однако, решили проблему расселения, осуществив два изменения в своем развитии. Первое из них касается дробления зародыша. При типичном для моллюсков дроблении либо все макромеры имеют одинаковые размеры, либо бластомер 2D является самой крупной клеткой на стадии 16 бластомеров. Однако в процессе дробления яиц Unio при переходе к этой стадии наибольшее количество цитоплазмы получает бластомер 2d (рис. 3.17). Эта клетка делится, и ее потомки образуюn большую часть структур личинки, в том числе железу, способную образовать массивную раковину. Такая личинка (называемая глохидием) напоминает медвежий капкан в миниатюре. Глохидии имеют чувствительные волоски, которые вызывают захлопывание створок раковины, как только они прикоснутся к жабрам или плавникам проплывающей мимо рыбы. Глохидии занимаются «хич-хайкингом» (от англ. hitchhike путешествовать бесплатно на попутных машинах) с помощью рыбы, пока не достигнут стадии, на которой они готовы отделиться и метаморфизировать во взрослых моллюсков. Таким способом они могут расселяться вверх по течению.

У некоторых видов глохидии высвобождаются из выводковой камеры самки и просто ожидают, чтобы рыба подплыла близко к ним. Некоторые другие виды, как, например, Lampsilis ventricola, повысили вероятность встречи личинок с рыбой, осуществив еще одну модификацию развития (Welsh, 1969). У многих моллюсков развивается тонкая мантия, которая колышется около раковины и окружает выводковую камеру (marsupium). У некоторых унионид форма выводковой камеры и волнообразные движения мантии создают впечатление плывущей рыбы. Чтобы сделать иллюзию более полной, у них развивается черное «пятно-глаз» на одном конце и выступающий «хвост» на другом. «Рыба», которую мы видим на рис. 3.18. на самом деле не рыба, а выводковая

Рис. 3.18. Имитация " рыбы» у двустворчатого моллюска из семейства Unionidae Lampsilis ventricosa. На самом деле «рыба» является выводковой камерой и мантией моллюска. (Фотография с любезного разрешения J. II. Welsh.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_______________ ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 87

камера и мантия моллюска, находящегося внизу. Когда соблазненная видом «добычи» хищная рыба подплывает достаточно близко, моллюск выбрасывает глохидии из выводковой камеры. Изменив таким образом ход развития, моллюски из семейства Unionidae сумели выжить в условиях, которые без таких модификаций были бы для них неблагоприятными.

При изучении дробления у моллюсков было сделано еще одно интереснейшее открытие, а именно что некоторые бластомеры сообщаются между собой. У моллюсков, имеющих на 4-клеточной стадии бластомеры одинаковых размеров, определение того, какой из них даст начало клетке-предшественнице мезодермы, происходит между пятым и шестым делениями. В это время микромер 3D образует направленное внутрь выпячивание, которое приходит в контакт с микромерами анимального полюса. Без такого контакта бластомер 4d, отделяемый макромером 3D, не образует мезодермы (Biggelaar. Guerrier. 1979) ¹. Де Лаат и др. (de Laat et al.. 1980) показали, что в то время, когда осуществляется контакт (но не раньше), между макромером 3D и центральными микромерами может происходить обмен молекулами небольших размеров. Эти исследователи инъецировали в один из макромеров краситель люцифер желтый (молекулярная масса 457). При введении красителя до 32-клеточной стадии он остается в этом единственном макромере и его потомках. Однако при инъекции красителя в бластомер 3D в начале 32-клеточной стадии в желтый цвет окрашивается первый квартет микромеров (рис. 3.19).

Низкомолекулярное вещество передается от одной клетки к другой именно в то время, когда микромеры изменяют проспективные потенции бластомера 3D. Исследование с помощью просвечивающего электронного микроскопа показывает, что в это время на поверхности клеток появляются щелевые контакты. Такие изменения плазматической мембраны облегчают межклеточный обмен небольшими молекулами и ионами, и они встречаются во многих тканях как зародышей, так и взрослых организмов. (Ультраструктура этих контактов будет рассмотрена в гл. 15.)