Автореферат и диссертация по медицине (14.00.23) на тему:Пространственная организация и изменчивость ранних стадий развития бесхвостых амфибий



/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА

СЕВЕРО-ОСЕТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.Л.ХЕТАГУРОВА

Калабеков Артур Лазаревич

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАННИХ СТАДИЙ РАЗВИТИЯ БЕСХВОСТЫХ АМФИБИЙ

14.00.23. - гистология, цитология, эмбриология

Диссертация на соискание ученой степени

на правах рукописи

доктора биологических наук

Москва - 1997

.. после 40-летних полевых исследований у меня создалось два твердых убеждения: во-первых, лягушка - это неиссякаемый источник восхищения, а во-вторых, они мало привержены традициям."

У. Э. Дуэльман

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................6

Глава 1. События проморфогенеза ...................11

1.1. Ооплазматическая сегрегация ...........11

1.2. Оплодотворение, первый клеточный цикл и дробление яйца .........................17

1.3. Биогенные моноамины в эмбриональном развитии ............................... 32

Глава 2. Магнитные поля и живые объекты............35

2.1. Структура магнитного поля Земли ........ 35

2.2. Влияние магнитных полей на живые объекты ................................ 39

Глава 3. Материал и методы исследования ............48

3.1. Объекты исследования ....................48

3.2. Характеристика объектов исследования ....48

3.3. Серии исследований и объем исследованного материала ............................... 51

3.4. Методы исследования ....................53

Глава 4. Влияние магнитной обстановки на ориентацию

и форму оплодотворенных икринок бесхвостых амфибий ................................... 61

4.1. Преимущественная ориентация первых борозд дробления по направлениям стран света в естественных кладках бесхвостых амфибий .61

4.2. Устойчивость ориентации первой борозды дробления зародышей в кладках остромордой лягушки ................................. 68

4.3. Преимущественная ориентация кранио-

каудальной оси нейрул по направлениям стран света в естественных кладках бесхвостых амфибий ...................... 69

4.4. Реакция отдельных икринок на изменение положения в пространстве ................72

4.5. Влияние изменений магнитной обстановки на ориентацию первой борозды дробления.....75

4.6. Форма икринок в различных магнитных условиях................................77

Глава 5. Геометрия первых делений дробления и

изменчивость структуры ранних зародышей бесхвостых амфибий ........................ 91

5.1. Варианты геометрии борозд дробления ....91

5.2. Сравнительная характеристика параметров 8-клеточных зародышей малоазиатской и озерной лягушек и квакши обыкновенной ..96

5.3. Линейные размеры и топография бластомеров

8-клеточных зародышей в связи с особенностями положения первой борозды

дробления ..............................115

Глава 6. Морфофизиологические показатели поздних зародышей в связи с особенностями дробления и магнитными условиями ........ 125

6.1. Вращение зародышей в яйцевых оболочках.125

6.2. Частота сокращений сердца .............126

6.3. Морфометрические параметры личинок амфибий в связи с особенностями дробления .............................. 131

6.4. Динамика биогенных моноаминов в эмбриогенезе малоазиатской и озерной лягушек............................... 144

Заключение .............................................. 148

Выводы .................................................. 164

Список цитированной литературы .......................... 167

ВВЕДЕНИЕ

Формирование гамет, дробление зиготы и интеграция зародышевых клеток в бластулу всегда были предметом повышенного интереса эмбриологов. Волнующая значимость этих процессов состоит в том, что именно в эти периоды эмбриогенеза закладывается основной план структуры многоклеточного организма. С общебиологической точки зрения этот период по существу является переходным, моделируя естественным образом возникновение многоклеточности. Первые успехи экспериментальной эмбриологии - механики развития - были достигнуты в работах с ранними зародышами и в значительной мере предопределены объектами исследования (Гексли, Де Бэр, 1936).

В последние десятилетия ранние зародыши широко используются не только для исследования собственно эмбриогенеза, но и в качестве модельных объектов клеточной биологии: для исследования процессов деления и движения клеток, дифферен-цировки, межклеточных отношений и т.д. В настоящее время накоплен значительный материал о структуре и структурных преобразованиях ооцита, яйца, зиготы и пространственной организации раннего эмбриогенеза (Мещеряков, Белоусов, 1978; Ай-зенштадт, 1984; Преснов, Исаева, 1985; Маресин, 1990; Доронин, 1993); морфологических и временных особенностях клеточных циклов в ранних зародышах, в тканевых и органных закладках (ЕИскП^ег, 1971; Ротт, 1987; Доронин и др., 1990,1991; Романов,1990, 1991); о детерминированности и регуляционных способностях различных отделов ранних зародышей; о процессах регулирования внутри- и межклеточных отношений (Корочкин,

1977, 1986; Нейфах, Тимофеева, 1978).

Значительно меньше внимания уделялось естественной, определенной эпигенетическими факторами, изменчивости эмбриогенеза. Важность этого аспекта, - онтогенетическую и, в конечном итоге, эволюционную, - вероятно, нет необходимости специально доказывать. Исследование коррелятивных отношений между морфологической (фенотипической) изменчивостью разных стадий онтогенеза важно для решения проблемы адаптированнос-ти носителей разных генотипов к внешним условиям в последовательности индивидуального развития. Прослеживая судьбу разных генотипов в течение всего онтогенеза, можно судить об их роли в популяционных процессах. Земноводные в этом отношении только начинают изучаться (Williamson, 1989). Решение этих вопросов отстает от требований времени в значительной степени из-за немногочисленности фенотипических исследований на всех стадиях жизненного цикла организмов (Яблоков, 1982). Фенотипическими элементами на стадии дробления являются борозды дробления, бластомеры и их взаимное расположение.

Становление пространственной организации особи амфибий начинается с возникновения первых двух бластомеров. В свою очередь, пространственные взаимоотношения между бластомерами в зародыше определяются ориентацией борозд дробления. Анализ раннего эмбриогенеза невозможен без углубленного изучения изменчивости геометрии первых борозд дробления. Сведения о причинах той или иной пространственной ориентации борозд дробления у зародышей амфибий необходимы для перевода умозрительных представлений о морфогенетических полях, о позиционной информации в плоскость конкретных морфологических

конструкций, и могут служить также основой для ретроспективного структурно-функционального исследования зиготы и ооци-та.

Невозможно получить полное представление о пространственной организации эмбриогенеза без анализа роли глобальных, векторизующих космических факторов в становлении этой организации. Роль одного из таких факторов - поля земного тяготения - хорошо известна: телолецитальные икринки амфибий ориентируются в поле тяжести так, что дорсо-вентральная и, соответсвенно,кранио=каудальная оси будущего организма всегда оказываются однонаправленными у всех зародышей, что пространственно упорядочивает весь последующий эмбриональный морфопроцесс.

Влияние не менее глобального и всепроникающего геомагнитного поля на эмбриональный морфогенез изучено недостаточно. В то же время, существующие в литературе сведения позволяют полагать, что геомагнитное поле оказывает влияние как непосредственно, так и в сочетании с другими глобальными факторами в создании пула морфофункциональной изменчивости популяций.

Еще К.М.Бэр, впервые подробно описавший дробление зародышей амфибий, наблюдал изменчивость их дробления и сообщал, что геометрическая правильность расположения борозд дробления часто нарушается без последующего искажения хода развития. Он впервые установил также, что борозда дробления ориентирована поперек длинной оси бластомера, т.е. явление, которое позже было названо правилом Гертвига. Уникальные работы К.М.Бэра по изменчивости дробления земноводных не получи-

ли достаточного развития до настоящего времени. В этом контексте сравнительное феноменологическое описание вариабельности (изменчивости) эмбриогенеза амфибий, тем более разных видов, приобретает самостоятельное значение. Изучение динамики пространственно-временной организации раннего эмбрионального морфогенеза и ее индивидуальной и популяционной изменчивости способствует пониманию тенденций в адаптивной стратегии вида. На основании изменчивости раннего дробления ретроспективно можно судить о разнокачественности (изменчивости) яйцеклеток, в частности, об индивидуальной и популяционной изменчивости ооплазматической сегрегации.

В ряду механизмов, с помощью которых происходит реализация наследственной программы в онтогенезе, важное место принадлежит регуляторным процессам (Шмальгаузен, 1982). К веществам, обладающим регуляторными функциями, принадлежат биогенные амины. Появляясь в оогенезе, эти вещества на ранних стадиях развития выполняют роль внутриклеточных регуляторов и принимают участие в морфогенетических процессах: в частности, они необходимы для осуществления делений дробления (Бердышева, 1966; Бузников и др. 1973; Бузников, 1978, 1989; Бузников, Турпаев, 1987). Основные работы по изучению роли биогенных аминов были выполнены на зародышах морских ежей. На эмбрионах амфибий выполнены единичные работы, что недостаточно для достоверных суждений об участии биогенных моноаминов в эмбриогенезе.

Изложенное позволяет заключить, что вопросы пространственной организации раннего эмбриогенеза, его зависимости от эндогенных и экзогенных факторов требует дополнительных исс-

ледований как самой изменчивости зародышевого развития, так и ее последствий для взрослых особей и для популяций организмов в разных экологических условиях. Экологическую роль морфологической изменчивости эмбриогенеза необходимо рассматривать в контексте адаптации всего жизненного цикла каждого вида. Особый интерес представляет ориентация морфогенеза земноводных в пространстве, взаимосвязь морфологической изменчивости отдельных процессов морфогенеза.

В соответствии с изложенным выше, цель настоящей работы состояла в изучении закономерностей пространственной организации и ее изменчивости у зародышей бесхвостых амфибий в процессе их развития. В рамках поставленной цели решались следующие задачи.

1. Исследование ориентации по направлению стран света первой борозды дробления икринок в природных кладках амфибий.

2. Исследование изменчивости топографии первых трех делений дробления и ее влияния на организацию зародышей; в чпстности:

- на топографию бластомеров 8-клеточных зародышей;

- на некоторые морфологические и физиологические показатели поздних зародышей и личинок.

3. Изучение влияния искусственных гипер- и гипомагнит-ных условий на пространственную организацию процессов первого цикла дробления и на некоторые морфо-физиологические показатели зародышей бесхвостых амфибий.

- и -

Глава 1. СОБЫТИЯ ПР0М0РФ0ГЕНЕЗА

1.1. Ооплазматическая сегрегация

Полярность биологической структуры определяется как закономерное распределение морфологических образований, веществ, закономерность функциональных проявлений вдоль какой-либо геометрической оси этой структуры. Использование понятия полярности для описания того или иного биологического объекта или явления традиционно и, по-видимому, необходимо (Светлов, 1967; Захваткин, 1974; Гудвин, 1979).

Для яйцеклеток всех видов животных в той или иной мере всегда характерна полярность организации (Равен, 1964). Маркерами полярности яйца являются закономерности распределений и особенности организации субклеточных структур (органоидов, желточных гранул, меланосом и т.д.) в объеме яйца. В зрелых яйцах амфибий наблюдаются градации содержания веществ и органоидов вдоль анимально-вегетативной оси. В эктоплазме бесхвостых амфибий в анимальном полушарии содержится темный пигмент. Содержание пигмента уменьшается по направлению к вегетативному полюсу. Распределение желтка имеет противоположный характер - его концентрация возрастает от анимального к вегетативному полюсу, однако не так монотонно, как предполагалось ранее (Дорфман, 1981). Ядро яйца смещено к анималь-ному полюсу. Имеются сведения о полярном распределении разных видов РНК (Преснов, Исаева, 1985; Слек, 1990; Мопгу, Melton, 1991), различных органелл (Klymkowsky et al. ,1987; Danilchlk, Gerhart, 1986; Исаева, Преснов, 1990; Stewart-Sa-

vage et al., 1991) вдоль анимально-вегетативной оси ооцита. В зрелом яйце шпорцевой лягушки описаны различия в плотностях распределения интермембранных частиц в анимальных и вегетативных областях. Анимальная плазмалемма несет больше ионных каналов, чем вегетативная.

Поляризация яйцеклетки, или, иными словами,, становление специфической компартментализации вдоль анимально-вегетатив-ной оси, начинается в процессе оогенеза и завершается с оплодотворением и под влиянием силы тяжести (Гексли, де Вер, 1936; Равен, 1964; Ubbels et al., 1983; Gerhart et al., 1986; Stewart-Savage et al., 1991). В оогониях головастиков и взрослых лягушек комплекс Гольджи, митохондрии и мембранные пузырьки формируют желточное ядро, располагающееся у одного из полюсов ядра (Al-Mukhtar, Webb, 1971). Тубулин в кортексе ооцитов распределен полярно (Gard, 1994). Во время мейоза и на стадиях созревания в анимальной области ооцита сосредоточено больше микротрубочек (Huchon et al., 1985). Пиноцитоз вителлогенина происходит интенсивнее в вегетативной области яйца (Callen, 1986). Во время вителлогенеза информационная РНК Vgl транспортируется к вегетативному полюсу (Ruiz-Altaba, Melton, 1990).

Анимально-вегетативная ось яйца формируется под влиянием среды яичника. У земноводных анимальным полюсом становится пигментированная половина яйцеклетки, контактирующая с сосудами, несущими артериальную кровь, а вегетативным - половина, окруженная сосудами с венозной кровью (Bellami,1919, цит. по Чайлду, 1948; Гексли, де Бер, 1936). Одним из первых индикаторов процесса поляризации яйца является синтез и

транспорт мРНК и белка к вегетативному полюсу превителлино-вых ооцитов (Ruiz-Altaba, Melton, 1990). Особое значение придается полярной организации цитоскелета и, в частности, кортикального слоя ооцита. Эти структуры, трансформируясь в процессе развития яйца, активно участвуют в процессе поляризации (Равен, 1964; Рябова, 1988; 1990 а,б; Исаева, Преснов, 1990).

В жизнедеятельности всякой клетки особая роль принадлежит ее поверхностному слою (кортикальному слою, кортексу). Эта область структурно и функционально не очень четко отграничена от остальной части клетки, но ей присущи особые мор-фо-функциональные свойства, позволяющие выполнять важную роль в жизнедеятельности клетки на всех стадиях онтогенеза.

Особенности топологии и структуры позволяют кортексу соматических клеток осуществлять несколько специальных функций. К ним относится восприятие внешних воздействий посредством специфического распознавания рецепторами плазмалеммы. Последнее позволяет осуществлять такие межклеточные реакции, как сортинг клеток, контактное торможение, миграцию клеток в организме, являющиеся важными составляющими морфогенеза. Образование сократимого кольца во время цитокинеза клеток в основном является функцией микрофиламентов кортекса. Экзоци-тоз и эндоцитоз также предполагают участие микрофиламентов поверхностного слоя клеток (Стокум, 1990).

В типичном случае в состав кортекса соматических клеток входят плазмалемма и подстилающий ее тонкий (около 1-3 мкм) слой цитоплазмы, богатый микрофиламентами. Кортекс не четко отделен от эндоплазмы. Его толщина различна в разных отделах

клеток и у различных типов клеток. Он состоит из светлой ги-алоплазмы, более вязкой и ригидной, чем эндоплазма, и не содержит органелл (Поликар, 1977). Здесь локализуются актино-вые микрофиламенты, промежуточные микрофиламенты и микротрубочки; кроме того, обнаружены миозин и тропомиозин. Актино-вые микрофиламенты ассоциированы в густую сеть при помощи ряда других белков. Благодаря этому кортекс приобретает прочность (ригидность). Динамические взаимоотношения микро-филаментов с ассоциированными белками позволяют клетке изменять форму и двигаться (Фултон, 1987; Альберте и др., 1994). Микрофиламенты могут быстро сшиваться ассоциированными белками в трехмерную сеть. В других случаях кортекс тонок и включает двумерную сеть микрофиламентов. Тесная связь акти-новых микрофиламентов с плазмалеммой способствует сохранению формы клетки даже при приложении резких кратковременных механических воздействий. Однако, более слабые, но долговременные воздействия могут приводить к перестройке актиновой сети и изменению формы клетки.

Степень интегрированности элементов кортикального слоя зависит от структуры плазмалеммы. Последняя гетерогенна как в составе одной клетки, так и у разных клеток (Евгеньева, 1976). Полагают, что некоторые интегральные белки плазмалеммы служат центрами организации и прикрепления актиновых фибрилл (Фултон, 1987).