Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Таблица 4-1. Относительные скорости дробления у Unio по сравнению с «идеализированным» зародышем со спиральным развитием на стадии 32 бластомеров(Lillie, 1898; с изменениями)

Лилли ясно представлял себе, что в этих модификациях спирального дробления у моллюсков участвует несколько факторов. Хотя судьба клеток не изменяется в общем смысле, т. е. в отношении того, из каких бластомеров образуется эктодерма, мезодерма и энтодерма, личиночная форма, как мы это видели среди кольчецов у олигохет, значительно модифицировалась по сравнению с предковой трохофорой. В число необходимых адаптации, затрагивающих дробление, входят изменения относительных скоростей клеточного деления и относительных размеров бластомеров. Последнее достигается в результате модификаций цитоскелетного матрикса, контролирующего местоположение митотических веретен.

Локализация веретена определяет не только правое и левое направление дробления, как это видно у Limnaea, но также относительные размеры дочерних клеток. Если веретено располагается в центре клетки, то борозда дробления, образующаяся в плоскости метафазной пластинки, проходит по экватору, и в результате дробления получаются две одинаковые дочерние клетки. Если же, однако, веретено находится на значительном расстоянии от центра, то борозда дробления также смещена и одна из дочерних клеток оказывается гораздо крупнее другой. Это хорошо видно на рис. 4-13, III, где в результате деления клетки D образуются две дочерние клетки, сильно различающиеся по величине.

Регуляция скорости дробления также связана с цитоплазмой зародышей. В 1904 г. Вилсон (Е. Wilson) установил, что в 16-клеточном зародыше Patella четыре клетки, составляющие первый квартет микромеров, уже детерминированы как первичные трохобласты и дифференцируются в 16 ресничных клеток прототроха. По мере продолжения дробления каждый из этих первичных трохобластов делится еще дважды, а затем за 10 ч у него вырастают реснички, расположенные поперечными рядами. Вилсон сумел изолировать отдельные первичные трохобласты из 16-клеточного зародыша. Изолированные трохобласты, как и в норме, делились еще два раза, а затем прекращали деление, и примерно на 10-м часу у них развивались реснички, расположенные обычным образом. Итак, у этих зародышей мозаичный характер развития проявился не только в дифференциальной способности изолированных трохобластов к образованию специфически расположенных ресничных клеток, но также и в регуляции скорости и числа клеточных делений.

Данные в пользу того, что такая регуляция сроков обусловлена действием генов во время оогенеза, получены при изучении гибридов от скрещиваний между видами, различающимися по скорости развития. Такие гибриды обычно развиваются со скоростью, характерной для материнского вида: отцовские же признаки проявляются у них на сравнительно поздних стадиях развития. Например, лягушки Rana pipiens и R. palustris заметно различаются по скорости дробления, но гибриды между ними развиваются и достигают стадии взрослых животных. Как показал Мур (Moore), клеточное деление при дроблении происходит у них с такой скоростью, как у материнского вида. Подобным же образом у гибридов между морскими ежами Paracentrotus lividus и Arbacia lixula, как установили Уитли и Болцер (Whiteley, Baltzer), скорость дробления соответствует таковой у материнского вида. Еще одно, особенно наглядное, доказательство регуляции сроков развития цитоплазмой яйца было получено в экспериментах Минганти (Minganti). Он проводил опыты по оплодотворению энуклеированных яиц асцидии Ascidia malaca спермой другой асцидии Phallusia mamillata. Значительная доля получавшихся при этом зародышей достигала личиночных стадий, и, хотя эти зародыши содержали только один геном из отцовского вида (Phallusia), скорость развития (которая у этих двух видов различна) соответствовала скорости развития материнского вида (Ascidia). Таким образом, факторы, регулирующие скорость дробления, могут обособляться в определенных бластомерах таким же образом, как и факторы, определяющие специфичные типы дифференцировки.

Среди Spiralia наблюдается несколько довольно любопытных крупных эволюционных направлений, затрагивающих ранние стадии развития. Одно из них - это сочетание невероятно консервативного спирального дробления с чрезвычайно разнообразными планами строения тела взрослых особей, обнаруженное у представителей нескольких типов. Так, если обратиться к рассмотренным нами группам, у кольчецов (с их высокометамерным строением тела) мало общего с несегментированными моллюсками. Однако и те и другие обладают не только одинаковым типом дробления, но и сходной судьбой отдельных клеток. Так, из первого квартета микромеров образуется личиночная эктодерма; некоторые микромеры второго квартета образуют эктомезодерму; макромеры - энтодерму, а клетка 4d в конечном счете дает дефинитивную мезодерму взрослой особи. Во многих случаях консервативный способ дробления может быть связан с тем, что у большинства Spiralia личинки ведут планктонный образ жизни: одним из основных признаков всех типов, относящихся к Spiralia, является трохофора или сходная с ней личинка. Эволюционные модификации дробления очень легко коррелировать с утратой или изменением какой-либо структуры на личиночных стадиях, как это было описано выше на примере кольчеца Tubifex или моллюска Unio.

Другим крупным эволюционным направлением среди Spiralia было наблюдаемое в некоторых группах радикальное отклонение ранних стадий дробления от традиционного спирального типа. Это произошло у моллюсков при возникновении головоногих, которые, несмотря на высокое развитие нервной системы, органов чувств и локомоторной системы, сохраняют план строения тела, типичный для моллюсков. Головоногие продуцируют очень крупные яйца, богатые желтком, из которых путем прямого развития без выраженной личиночной стадии, образуются взрослые особи. Дробление ограничено тонким слоем цитоплазмы на поверхности яйца и, как подчеркивает Арнольд (Arnold), совершенно не похоже на дробление у Spiralia. Изменения в типе дробления и морфогенезе, наблюдаемые у головоногих, сходны с изменениями, произошедшими у костистых рыб и птиц, у которых ранние процессы развития также адаптированы к наличию в яйце очень большого количества желтка.