Лабораторное занятие № 4.
1. Развите зародыша на стадии гаструлы
Гаструляция (от лат. gaster – желудок) – сложный процесс химических и морфологических изменений, который сопровождается размножением, ростом, направленным перемещением и дифференцировкой клеток, в результате чего образуются зародышевые листки – источники зачатков тканей и органов, и комплексы осевых органов.
На этой стадии развития организмов образуется двухслойный зародыш – гаструла. При этом образуется два зародышевых листка – эктодерма (наружный) и энтодерма (внутренний). На поздней стадии гаструляции образуется третий зародышевый листок – мезодерма (средний). Эти листки в последствии дают начало эмбриональным зачаткам, из которых формируются ткани и органы.
4 типа гаструляции:
I. Иммиграция (вселение) – самая примитивная, исходная форма гаструляции. Все остальные типы гаструляции являются производными от нее. В этом случае происходит перемещение клеток бластодермы в бластоцель, где они оседают на внутренней поверхности и образуют энтодерму, а наружные клетки образуют эктодерму. При этом формируется гастральная полость – гастроцель – полость первичной кишки (кишечнополостные).
II. Инвагинация (впячивание) – бластодерма на вегетативном полюсе прогибается внутрь бластоцели и достигает клеток анимального полюса. При этом образуется гастроцель, которая сообщается с внешней средой отверстием – бластопором – первичным ртом.
С развитием бластопора животных разделяют на две группы:
ü первичноротые – бластопор превращается в настоящий рот (черви, моллюски, членистоногие);
ü вторичноротые – первичный рот превращается в анальное отверстие на заднем конце туловища (щетинкочелюстные, иглокожие, плеченогие, кишечнодышащие) или в нервно-кишечный канал (хордовые), а на переднем – заново возникает ротовое отверстие.
III. Эпиболия (обрастание) – на анимальном полюсе бластулы клетки делятся быстрее и наползают на крупные клетки вегетативного полюса. Из клеток анимального полюса образуется эктодерма, а из клеток вегетативного полюса – энтодерма. Такой тип гаструляции характерен для животных, у которых яйцеклетка содержит повышенное количество желтка (круглоротые, земноводные).
IV. Деламинация (расслоение) – клетки бластодермы делятся, дочерние клетки перемещаются в бластоцель, образуя энтодерму, а наружные клетки образуют эктодерму. При этом бластопор не формируется, поэтому гастроцель не сообщается с внешней средой. Такой тип гаструляции характерен животным, утратившим большие запасы желтка в яйцеклетках (кишечнополостные, высшие плацентарные).
Вышеперечисленные типы могут перекрываться и дополнять друг друга (!) в эмбриональном развитии.
2. Развитие зародыша на стадии нейрулы
После гаструляции начинается следующий этап эмбрионального развития – нейруляция. Происходит дальнейшая дифференцировка зародышевых листков с образованием из них тканей, органов и систем органов – гистогенез, органогенез, системогенез.
Способы образования мезодермы:
I. Телобластический способ: закладка мезодермы из отдельных, предназначенных к тому бластомеров. При этом, мезодерма никак не связана с энтодермой, образующейся из других бластомеров. Телобласты – две большие клетки (несколько клеток), выявляемых в ходе гаструляции у первичноротых на границе между эктодермой и энтодермой, по бокам бластопора (в ходе дробления они получили всю полярную ооплазму).
Потомки телобластических бластомеров дают начало мезодермальным полоскам, разделяющимся на сомиты, внутри которых путем расхождения клеток образуются участки вторичной полости тела, или целома (шизоцельный или кавитационный способ). Встречается преимущественно у спирально дробящихся форм, у большинства круглых червей, некоторых ракообразных и ряда других первичноротых.
II. Энтероцельный способ: материал мезодермы вворачивается вместе с энтодермой в составе единого гастрального впячивания (в процессе инвагинации граница между обеими закладками неразличима).
У всех вторичнополостных животных начало симметрично расположенным по бокам кишечника целомическим мешкам дает мезодерма. Встречается у вторичноротых: иглокожих, бесчерепных (ланцетника), кишечнодышаших, плеченогих, хордовых.
Мезодерма подразделяется на 3 части:
1. Дорсальная часть – сомиты, которые, в свою очередь, состоят из дерматомов, миотомов и склеротомов.
2. Вентральная часть мезодермы – спланхнотомы, состоящие из париетальных и висцеральных листков.
3. Часть мезодермы, соединяющая сомиты со спланхнотомами в передней части туловища, сегментируется и называется нефрогонотомами (синонимы: сегментные ножки, ножки сомитов), а в задней части туловища не сегментируется и называется нефрогенной тканью.
На этой стадии развития закладывается осевой скелет – хорда. У хордовых животных и человека из эктодермы формируется нервнаятрубка.
Таким образом, при развитии многослойного зародыша последовательно образуются три полости: бластоцель, гастроцель, целом. В дальнейшем происходят следующие преобразования:
· Бластоцель может слиться с гастроцелью, как это происходит у земноводных, а может уменьшиться до узких щелей и превратиться в полости кровеносной системы.
· Гастроцель превращается в полость средней кишки организма.
· Целом образует вторичную полость тела.
· Пространство между тремя зародышевыми листками заполняется мезенхимой. Она образуется путем выселения клеток из всех трех листков, но преимущественно из мезодермы.
ü Развитие ланцетника
Яйцеклетки у ланцетника – первичные изолецитальные, оплодотворение совершается в воде, т.е. наружное. После оплодотворения образуется зигота, которая подвергается полному и равномерному дроблению. Возникает бластула типа целобластулы.
Путем инвагинации, т.е. втягивания вегетативного полушария в анимальное, бластула преобразуется в гаструлу, стенка которой становится двухслойной и состоит из эктодермы снаружи и энтодермы внутри. Это первичные зародышевые листки. В гаструле образуется полость первичного кишечника – гастроцель, которая сообщается с внешней средой при помощи бластопора.
Позже зародыш удлиняется. Из первичной энтодермы выделяется хордальная пластинка и две мезодермальные пластинки.Из первичной эктодермы по средней линии тела выделяется нервная пластинка, состоящая из более высоких клеток, чем остальная эктодерма. Нервная пластинка отшнуровывается от эктодермы и погружается под нее, превращаясь вначале в нервныйжелобок, а затем в нервнуютрубку, остальная кожная эктодерма смыкается над нервной трубкой. Одновременно с образованием нервной трубки хордальная пластинка преобразуется в круглый клеточный тяж – хорду, мезодермальные пластинки свертываются в полые трубки, лежащие между хордой и кожной эктодермой, а оставшаяся энтодерма смыкается во вторичную кишку. Так образуется комплекс осевых органов, характеризующих тип хордовых животных.
Муляж 1: Гаструла ланцетника
На основе муляжей и плакатов зарисовать гаструлу ланцетника, изучить её строение. Обозначить:
1) эктодерма (коричневый цвет);
2) энтодерма (зелёный);
3) нервная пластинка (синий);
4) хордомезодерма (спереди – красный, остальная часть – жёлтый);
5) бластопор;
6) гастроцель (первичный кишечник, архентерон).
Мезодерма метамерно (от головы и хвостовой части зародыша) разделяется на сегменты, причем в хвостовой части зародыша сегментации не происходит. Каждый сегмент мезодермы, исключая два первых («древние») сегмента, разрастается и подразделяется на три части: сомит (дорсально), спланхнотом (вентрально) и сегментную ножку (ножку сомита) между ними.
Сомиты дифференцируются на дерматом – кожный листок (латерально), склеротом – зачаток скелета (центрально) и миотом – мышечный листок (остаток после выделения первых двух). Из миотома впоследствии развивается скелетная (соматическая) мускулатура. Спланхнотом расщепляется на два листка: висцеральный (внутренний) и париетальный (пристеночный), между ними находится вторичная полость тела – целом. Из обоих листков спланхнотома выделяется ткань сетевидной формы – мезенхима, которая также образуется из склеротома и дермотома сомита. Мезенхима (эмбриональная соединительная ткань) заполняет все пространство между тремя зародышевыми листками. Из оставшейся части обоих листков спланхнотома возникает выстилка целома – мезотелий. Наконец, сегментная ножка преобразуется в нефрогонотом – эпителиальную выстилку выделительной системы и зачаток половой.
Муляж 2: Нейрула ланцетника
На основе муляжей и плакатов зарисовать гаструлу ланцетника, изучить её строение. Обозначить:
1) эктодерма (коричневый цвет);
2) энтодерма (зелёный);
3) нервная трубка (синий);
4) хорда(жёлтый);
5) мезодерма сомитов (красный);
6) ножка сомита (красный);
7) боковая пластинка (красный) – включает в себя два листка спланхнотома;
8) висцеральный листок спланхнотома;
9) париетальный листок спланхнотома;
10) архентерон;
11) целом;
12) невроцель.
ü Развитие амфибий
Гаструляция у земноводных имеет много общего с гаструляцией ланцетника, но так как в яйцеклетках у них желтка намного больше (мезолецитальные яйцеклетки) и расположен он преимущественно на вегетативном полюсе (умеренно телолецитальные), крупные бластомеры амфибластулы не способны впячиваться внутрь. Инвагинация проходит несколько иначе. На границе между анимальным и вегетативным полюсами в области серого серпа клетки сначала сильно вытягиваются внутрь, принимая вид «колбовидных», а затем тянут за собой клетки поверхностного слоя бластулы. Возникают серповидная бороздка и спинная (дорзальная) губа бластопора.
Одновременно более мелкие клетки анимального полюса, делящиеся быстрее, начинают перемещаться в сторону вегетативного полюса. В области спинной губы они подворачиваются и впячиваются, а с боков и со стороны, противоположной серповидной бороздке, обрастают более крупные клетки. Затем процесс эпиболии приводит к тому, что образуются боковые (латеральные) и брюшная (вентральная) губы бластопора. Бластопор смыкается в кольцо, внутри которого некоторое время видны крупные светлые клетки вегетативного полюса в виде так называемой желточной пробки. Позднее они полностью погружаются внутрь, а бластопор сужается.
Клетки в губах бластопора постоянно обновляются. Подворачивание и миграция активнее совершаются на дорсальной стороне.
· дорсальная губа: материал прехордальной пластинки, образующий ведущий край архентерона (клетки глоточного отдела передней головной кишки) и хорды;
· боковые губы: материал сегментированной мезодермы;
· вентральная губа: материал несегментированной мезодермы.
· энтодерма закрывает вход в гастроцель в виде желточной пробки: погружается внутрь из-за обрастания её эктодермой.
· энтодерма: материал серого серпа (крыша первичной кишки) и материал непигментированных клеток вентральной губы (дно первичной кишки). Дифференцируется на желточную и кишечную части;
· эктодерма: темнопигментированный материал анимальной части бластулы;
· мезодерма: материал медиальной части серого серпа (хорда), латеральные его части врастают в промежуток между эктодермой и стенкой первичной кишки.
Препарат 1: Гаструла лягушки
Изучить препарат на малом увеличении объектива, зарисовать и отметить:
1) дорсальная (спинная) губа бластопора;
2) вентральная (брюшная) губа бластопора;
3) бластопор, закрытый желточной пробкой;
4) эктодерма;
5) энтодерма;
6) формирующаяся полость гастроцеля;
7) остатки бластоцеля.
Нейруляция у амфибий охватывает процессы от появления первых признаков формирования нервной пластинки до замыкания ее в нервную трубку. Проходит сходным образом у всех позвоночных животных. Параллельно формируются хорда и вторичная кишка, а лежащая по бокам от хорды мезодерма расщепляется в краниокаудальном направлении на сегментированные парные структуры – сомиты (формируется комплекс осевых органов – первичный органогенез).
Нервная система позвоночных, включая человека, отличается устойчивостью основного плана строения на протяжении всей эволюционной истории подтипа. В формировании нервной трубки у всех хордовых много общего. Вначале неспециализированная спинная эктодерма, отвечая на индукционное воздействие со стороны хордомезодермы, превращается в нервную пластинку, представленную нейроэпителиальными клетками цилиндрической формы.
Нервная пластинка недолго остается уплощенной. Вскоре ее боковые края приподнимаются, образуя нервные валики, которые лежат по обе стороны неглубокой продольной нервной бороздки. Края нервных валиков далее смыкаются, образуя замкнутую нервную трубку с каналом внутри – невроцелем. Раньше всего смыкание нервных валиков происходит на уровне начала (граница между спинным и головным мозгом) спинного мозга, а затем распространяется в головном и хвостовом направлениях.
Показано, что в морфогенезе нервной трубки большую роль играют микротрубочки и микрофиламенты нейроэпителиальных клеток. Разрушение этих клеточных структур колхицином и цитохалазином В приводит к тому, что нервная пластинка остается открытой. Несмыкание нервных валиков ведет к врожденным порокам развития нервной трубки.
Последовательные стадии формирования нервной трубки и нервного гребня (поперечный срез зародыша): 1 – нервная пластинка; 2 – нервный гребень; 3 – эктодерма; 4 – хорда; 5 –невроцель; 6 – сформированная нервная трубка.
После смыкания нервных валиков клетки, первоначально располагавшиеся между нервной пластинкой и будущей кожной эктодермой, образуют нервный гребень. Клетки нервного гребня отличаются способностью к обширным, но строго регулируемым миграциям по всему телу и образуют два главных потока. Клетки одного из них – поверхностного – включаются в эпидермис или дерму кожи, где дифференцируются в пигментные клетки. Другой поток мигрирует в брюшном направлении и образует чувствительные спинномозговые ганглии, симпатические нервные узлы, мозговое вещество надпочечников, парасимпатические ганглии. Клетки из черепного отдела нервного гребня дают начало как нервным клеткам, так и ряду других структур, таких, как жаберные хрящи, некоторые покровные кости черепа.
Энтодерма у всех зародышей в конечном счете образует эпителий вторичной кишки и многие ее производные. Сама вторичная кишка всегда располагается под хордой.
Таким образом, в процессе нейруляции возникает комплекс осевых органов: нервная трубка, хорда, кишка, представляющих собой характернейшую черту организации тела всех хордовых. Одинаковое происхождение, развитие и взаимное расположение осевых органов выявляют их полную гомологию и эволюционную преемственность.
Препарат 2: Нейрула лягушки
Рассмотреть раннюю нейрулу лягушки (нервные валики не сомкнулись) и позднюю (смыкание нервных валиков), зарисовать и отметить структуры:
1) нервные (медуллярные) валики;
2) невроцель;
3) нервная пластинка;
4) хорда;
5) эктодерма;
6) энтодерма;
7) вторичная кишка;
8) зачатки мезодермы (мезодермальные карманы).