СКОРОСТЬ ДРОБЛЕНИЯ. ПРИЧИНЫ ДРОБЛЕНИЯ ЯИЦ И ДЕЛЕНИЯ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК

Яйцам каждого вида животных свойствен свой особый ритм дробления. У золотой рыбки Carassius auratus дробление совершается регулярно через каждые 20 мин. У яиц лягушки первые дробления совершаются приблизительно через каждый час. Яйца млекопитающих дробятся очень медленно: интервалы между дроблениями достигают десяти часов и более.
Авторадиографические исследования позволили узнать интересные детали изменения времени протекания разных фаз жизненного цикла клеток (их онтогении). Так выяснено, что на ранних стадиях дробления у бесхвостой амфибии Xenopus laevis фаза удвоения ДНК (фаза S) занимает всего 10 мин. Во время гастру- ляции фаза S составляет приблизительно 1 ч; в ранней нейруле эта фаза замедляется, занимая до 5 ч. Короткая онтогения бластомера на ранних стадиях дробления обусловлена ускорением времени процесса митоза, фазы (Ог), следующей за синтезом ДНК и отсутствием стадии Gi, следуемой за митозом.
У некоторых животных после совершившихся дроблений наступает пауза, закономерно прерывающаяся в определенные сроки. У летучих мышей половой акт (осеменение) происходит поздней осенью, развитие же яйца начинается лишь весной. Пауза в развитии характерна для многих низших ракообразных.
Скорость дробления яиц, естественно, изменяется под влиянием температуры. Обычно закономерности изменения темпа дробления близки к правилу Вант-Гоффа, установленному для химических реакций: при повышении (или понижении) температуры на 10 °С процесс ускоряется (или, соответственно, замедляется) в 2—3 раза. Следует подчеркнуть, что изменение температуры (если оно не выходит за определенные для каждого вида животного рамки нормальных температур) не приводит к качественным изменениям в развитии, а лишь сказывается на темпе дробления.
Ранний период развития, как правило, характеризуется синхронным дроблением. Для митотического цикла дробящихся бластомеров характерно полное отсутствие фаз Gi и G2, а также непродолжительность стадий S и собственно митоза. Это связано с тем, что синтетические процессы в бл^стомерах выражены слабо из-за того, что почти все необходимое для этих процессов накоплено в период оогенеза и сохраняется в бластомерах. Кроме того, укорочение S-фазы обеспечивается синхронизацией начала репликации в различных репликонах генома.
Наличие периода синхронного дробления послужило основанием для использования продолжительности одного синхронного дробления в качестве безразмерной единицы для характеристики продолжительности различных периодов развития (Т. А. Детлаф).
В зависимости от количества желтка, его распределения, а также неравномерности распределения других цитоплазматических компонентов яйца период синхронного дробления раньше или позже переходит в период асинхронных дроблений. Этот процесс связан в первую очередь с появлением и удлинением фаз Gi и G2. Наименее выражен период синхронных дроблений у яиц с мозаичным дроблением, а также у некоторых примитивных многоклеточных, которые вообще могут иметь слабо упорядоченный в пространстве и во времени процесс дробления.
Поздний период дробления принято называть бластуляци- ей, так как в этот период вся совокупность бластомеров приобретает характер эпителиоморфного пласта, ограничивающего полость бластулы. Период бластуляции характеризуется удлинением фазы S в митотическом цикле бластомеров. Повышение синтетических процессов в дробящемся зародыше связано с использованием молекул мРНК, уже имеющихся в яйцевой клетке. Геном зародыша, возникший после оплодотворения, начинает функционировать не сразу, а лишь после прохождения определенного количества делений дробления и нормализации ядерно-плаз- менного отношения. Чаще всего это приурочено к стадии поздней бластулы — началу гаструляции. По мере дробления вступают в действие еще недостаточно изученные факторы взаимодействия бластомеров, факторы интеграции зародыша, которые приводят к тому, что темпы деления клеток в разных частях зародыша становятся неодинаковыми. «Угнетающее» действие одних частей зародыша на другие сказывается и в появлении дегенерирующих клеток уже на ранних стадиях онтогенеза животных.
Если бы темпы дробления сохранялись неизменными и дробление оставалось бы синхронным, то следовало бы, например, что через 20 ч эмбрионального развития лягушки, т. е. приблизительно на стадии начинающейся гаструляции, зародыш состоял бы из миллиона клеток, чего, конечно не происходит. Через двое суток на стадии поздней гаструлы имелось бы 25-1013 клеток, к моменту ранней хвостовой почки, т. е. к концу суток, количество клеток превышало бы 1028, а размер зародыша оказался бы 5,2-1012 м3 (если радиус клетки считать постоянным и равным 5 мкм). Вступление в действие внутренних факторов развития, тормозящих митозы в одних частях зародыша и стимулирующих митозы в других частях, играет важную роль в дифференциации клеток и тканей в процессах развития. Об этом эмбриологи догадывались давно, но убедительными экспериментальными доказательствами этого фактора эмбриология стала располагать недавно.
К этому вопросу имеют отношения гипотезы, основанные на признании межклеточных взаимодействий, осуществляющихся посредством специфически действующих веществ (В. С. Буллоу, 1965; П. Вейс, 1957; Г. Туманишвили, 1968). По Буллоу, деление клетки — нормальное событие в ее жизни. Если бы не было регуляторного контроля над делением, все клетки делились бы с одинаковой скоростью, обусловленной их генетическими особенностями.
Таким образом, должны быть факторы, подавляющие деление клеток. В 70-е и 80-е годы в межклеточной среде были открыты 4сейлоны (хелоны)—вещества, тормозящие деление клеток. Концентрация кейлонов зависит от числа клеток в данном объеме и от количества кейлона, вырабатываемого одной клеткой, что обусловлено генетически и является особенностью данного клеточного типа. Количество кейлона, вырабатываемого одной клеткой, вероятно, постоянно и, значит, изменение числа клеток играет решающую роль в концентрации кейлона. Уменьшение числа клеток в клеточной популяции приводит к повышению митотической активности.
Г. Туманишвили (1968) считает, что в клетке существуют два типа веществ: в связи с функцией ядер клеток вырабатывается вещество, тормозящее митотическую активность, но есть в клетке другое вещество, вырабатывающееся в цитоплазме; оно повышает митотическую активность. По этой гипотезе концентрация ядер зависит от митотической активности и находится в обратной зависимости от скорости роста цитоплазмы и продукции межклеточного вещества. При накоплении «избытка ядер» в ткани наступает торможение клеточных делений. Косвенным подтверждением наличия веществ является установленный Туманишвили факт, что при введении в куриные зародыши экстрактов органов взрослой курицы в соответствующем органе зародыша митотическая активность повышается.
Некоторыми исследователями придается значение поверхностным мембранам как регуляторам деления животных клеток. Поверхность клетки в течение жизненного цикла (онтогении) подвергается закономерным изменениям. Предполагается, что установление определенного контакта между клетками может изменять прохождение этапов митотического цикла. Изменение внешних воздействий может вызывать значительные изменения свойств поверхности клетки, что влияет на прохождение процессов митоза.
Нелегко применить какую-либо из этих гипотез к явлениям неодинаковых темпов клеточных делений в разных частях зародыша. Но эти гипотезы заслуживают внимания эмбриологов. Конечно, должны быть факторы надклеточного порядка, возникающие в результате взаимоотношений клеток развивающегося зародыша.
Почему происходит сегментация яйца? Каков биохимический и биофизический механизм дробления? Этот далекий от ясности вопрос тесно связан с проблемой деления клеток, хотя дробление имеет столь специфические черты, что маловероятно существование одной-единственной причины дробления яиц и деления клеток тканей. Может быть, неосновательны и поиски единого механизма дробления телолецитальных, центролецитальных и гомолециталь- ных яиц. Конечно, должны существовать особые, по крайней мере дополнительные факторы, которые определяли бы поведение делящихся ядер в яйцах членистоногих и загадочное явление формирования клеточных перегородок вокруг ядер, оказавшихся на периферии яйца. Однако в ходе дробления яиц всех животных мы видим типичное кариокинетическое деление. Не раз отмечавшиеся при изучении развития тех или других животных картины амитоза или спорны, или относятся к тем поздним стадиям эмбрионального развития, когда происходит специфическая дифференциация клеток и тканей, при которой амитоз может иногда превалировать над митозами или даже стать на время исключительной формой деления ядер. В других случаях амитотическая перешнуровка ядер, обнаруженная у ранних зародышей, происходит в клетках, идущих по пути дегенерации. Амитозы наблюдаются на стадиях гаструлы и нейрулы у амфибий, но, по-видимому, это связано, как полагает А. Г. Кнорре (1959), с уже начинающимся отмиранием отдельных клеток. Впрочем, в этом вопросе не все еще ясно. Не понятны пока механизм и эмбриологическое значение возникновения у эмбрионов амфибий двуядерных и многоядерных бластомеров.
Помимо указанных ранее особенностей дробления, по сравнению с митозом, а именно отсутствия роста бластомеров, прогрессирующего уменьшения цитоплазмы можно отметить и ряд других отличий. Если при нормальных митозах, как правило, телофазное состояние ядер возникает параллельно известным процессам деления протоплазмы, то при дроблении яиц, например амфибий, деление ядра и цитоплазмы происходит отчасти асинхронно: ядро переходит в стадию профазы еще до того, как заканчивается образование борозды дробления.

Гипотеза А. Г. Гурвича (1923—1945) о митогенетических лучах— об ультрафиолетовых лучах порядка 193—220 нм, продуцируемых клетками и играющих роль «фактора осуществления» митоза «готовой» к делению клетки, к сожалению, оказалась ошибочной (Б. П. Токин, 1933, и др.). Если бы и было подтверждено существование этих лучей, они оказались бы не «митозорождающими», а одним из стимуляторов клеточного деления. Этим не умаляется значение творчества А. Г. Гурвича и, в частности, его работ о митогенетических лучах; он приковал внимание биологов и физико-химиков к проблеме излучений при биохимических реакциях, что уже представляет огромный интерес. Теория «гормонов клеточного деления» Г. Габерляндта (1918), фактически совершенно доказанная, не является, однако, теорией клеточного

деления, а касается также явлений стимулирования делений и к своеобразным процессам дробления она неприменима. При анализе дробления может быть принята во внимание и интересная гипотеза Р. Гертвига, согласно которой следует видеть причину деления клеток в меняющемся ядерно-плазменном отношении (Kernplasmarelation).
Объем ядра сначала отстает в своем росте от объема плазмы, но незадолго до следующего деления резко возрастает. Это приводит к ядерно-плазменному напряжению. Когда оно достигает наивысшей точки, ядро приобретает способность расти за счет плазмы, возникают токи жидкостей, создаются и другие физикохимические условия, вызывающие деление клетки. Этой старой гипотезой, вероятно, не следует пренебрегать, хотя в биохимическом и физиологическом отношении гипотеза эта совершенно не конкретна, а применить ее к дроблению яиц не представляется возможным, так как при дроблении яиц отсутствуют явления роста клеток, однако и в этом случае ядерно-плазменные отношения изменяются.
Многочисленные гипотезы в последние десятилетия касаются собственно деления ядер, а не дробления яиц в целом. Таковы предположения о том, что пусковой механизм митоза — это явление удвоения ДНК, что хромосомы вырабатывают особое вещество, вызывающее деление клетки, а также другие гипотезы.
Возможно (хотя и уродливое) дробление при полном отсутствии ядра, что впервые наблюдала Е. Гарвей в 1936 г. Это сообщение было встречено резким скептицизмом эмбриологов, но впоследствии оно полностью подтвердилось. Гарвей центрифугировала яйца морских ежей. Отрывающиеся при сильном центрифугировании безъядерные фрагменты яйца активировались к развитию партеногенетическими агентами. Несмотря на полное отсутствие ядер происходило дробление (во всяком случае процессы, напоминающие дробление). Дробление доходило до стадии бластулы, и как будто возможны были случаи развития бластул с ресничным аппаратом у клеток.
Представление о значении хромосом в делении клетки не подтверждается, например, таким опытом: если удалить ядро перед делением инфузории стентор, деление ее все равно может совершиться и образуются две новые клетки (В. Тартар, 1961).
Множество фактов говорит о том, что дробление яиц и размножение клеток не может считаться только функцией самих единичных клеток.
Заслуживают внимания следующие гипотезы о причинах появления борозд дробления. Согласно «гипотезе роста звезды» «звезды» (хромосомы, удаляющиеся к полюсам), возникающие при митозе, по мере увеличения обусловливают удлинение клетки, увлекают за собой клеточную поверхность, вызывая образование борозды дробления. «Гипотеза удлинения веретена» основана также на явлениях изменения митотического аппарата. Согласно ей лучи «звезды» прикрепляются к поверхности клетки, веретено деления удлиняется, а экваториальная поверхность втягивается внутрь. «Гипотеза амебоидного движения» утверждает, что у каждого полюса делящейся клетки или бластомера происходит образование псевдоподий, возникают амебоидные движения, направленные в противоположные стороны, что и вызывает разделение клетки или бластомера. Эта гипотеза заслуживает серьезного внимания, так как явления амебоидного движения бластомеров и клеток, как увидим далее, играют, несомненно, большую роль в различных морфогенетических процессах. Суть «гипотезы сократимого кольца» состоит в кажущемся убедительным и основанном на фактах предположении о наличии особых уплотненных участков кортикального слоя яиц. Сокращение полоски желатинизированного кортикального слоя приводит к разделению яйца или бластомера. Яйцо или бластомер можно уподобить резиновому мячу, перетягиваемому шнурком. Одно из возражений против этой гипотезы таково: приходится предполагать невероятно сильное сокращение, которому нет аналогий в физиологии; «кольцо» должно сокращаться, например, у яиц морских ежей до 0,05 своей первоначальной длины (первоначальная длина «кольца» около 300 мкм, а при дроблении диаметр перетяжки менее 5 мкм). Даже мышца способна сокращаться только до 0,1 своей длины, а при переходе золь^гель сокращение еще меньшее. Представляет интерес эксперимент Д. М. Арнольда (1971) на зародыше осьминога Loligo peulii. На стадии 1—4 борозд дробления подрезали стеклянной иглой основание борозд дробления (область цитоплазмы, расположенной непосредственно под бороздой дробления). Борозда исчезала или сокращалась. Автор предполагает, что в основании борозды дробления имеется волокнистая полоска, сокращение которой ведет к втягиванию борозды дробления. «Гипотеза расширяющейся мембраны», высказанная М. Сванном и Ж- Митчисоном (1952—1958), заинтересовала многих эмбриологов. Авторы придают решающее значение факту увеличения, растяжения площади поверхности яйца. Если поместить на поверхность дробящегося яйца морского ежа частицы каолина или угольного порошка и измерять расстояние между частицами в ходе дробления, то обнаружится растяжение кортикального слоя яйца. Оно возникает у полюсов яйца (у полюсов будущей митотической фигуры) и распространяется по его поверхности в направлении к экватору митотической фигуры. Лежащий у экватора участок сначала сокращается, а затем, когда образуется борозда дробления, сильно растягивается. Кортикальный слой яйца благодаря особому расположению молекул белка

подобен эластической мембране, натяжение которой возрастает при растяжении. При растяжении поверхностного слоя яйца у полюсов происходит соответствующее сокращение у экватора. В результате яйцо сначала несколько уплощается, а затем приобретает форму гимнастической гири, начинается перетягивание яйца. Сванн и Митчисон предполагают, что дочерними хромосомами в анафазе выделяется Х-вещество, от которого зависят изменение в расположении молекул и сокращение мембраны. Это вещество достигает участков полюсов яйца скорее, чем участков поверхности, расположенных у экватора, так как первые находятся на более близком расстоянии от источника Х-вещества (т. е. от хромосом). Если гипотеза об этих веществах вызывает сомнение (хотя- бы уже потому, что дробление возможно, как увидим далее, и без ядра), то представления о сокращающихся мембранах можно считать доказанными. Данные других исследователей прямо или' косвенно подтверждают эти представления. Д. Марслянд и Ж- Ландау в 1954 г. доказали, что в начале дробления яиц морского ежа Arbacia повышается вязкость вертикального слоя преимущественно на месте будущей первой борозды, а на полюсах вязкость уменьшается. Это приводит к удлинению полярной оси. По мере стягивания экваториального пояса кортикального слоя образуется борозда дробления. Сжатие экваториального пояса кортикального геля, по мнению названных исследователей, — решающий фактор дробления.
Интересную гипотезу о механизме образования борозд дробления у яиц осетровых рыб и амфибий предложил А. И. Зотин в 1962 г. Поверхностный слой яиц способен к возбуждению и сокращению в ответ на механическое раздражение. Раздражителем, вызывающим сокращение поверхностного слоя яиц при образовании борозды дробления, является внутренняя стенка (диастема), которая возникает в ранней анафазе в средней части веретена и к концу анафазы приближается к поверхности яйца. Диастема — узкая зона слабо окрашивающейся, видоизмененной цитоплазмы, расположенной на месте будущей «стенки», разделяющей бластомеры. Подобные структуры действительно найдены у яиц морских ежей, амфибий, осетровых рыб. Зотин перемещал диастему внутри цитоплазмы путем сжатия яйца, частично разрушая ее с помощью тяжелой воды или механическим путем. Такими способами удается вызвать образование дополнительных борозд дробления и появление избыточных бластомеров. Интересные данные о механизме дробления яиц амфибий были получены С. Сондерсом (1974). Оказалось, что в месте появления врезающейся борозды поверхность яйца становится складчатой, что является результатом локального сокращения микрофиламентов поверхностного слоя цитоплазмы. В области небольшой щели, возникающей на границе двух бластомеров в анимальной части яйца, к поверхностным мембранам подходят
микропузырьки, продуцируемые комплексом Гольджи. Мембраны, ограничивающие эти пузырьки, сливаются с плазматической мембраной бластомеров, увеличивая тем самым ее поверхность. Содержимое пузырьков выливается в межклеточную щель. Это — начало образования внутренней среды зародыша.
Таким образом, процесс дробления включает наряду с процессами перестройки микрофиламентов и цитоскелета, ведущих к образованию «сократимого кольца», также и новообразование участков поверхностных мембран благодаря синтетическим и экскреторным цитоплазматическим процессам.

<< | >>

Источник: Токин Б. П.. Общая эмбриология: Учеб, для биол. спец, ун-тов.—4-е изд., перераб. и доп. 1987

Еще по теме СКОРОСТЬ ДРОБЛЕНИЯ. ПРИЧИНЫ ДРОБЛЕНИЯ ЯИЦ И ДЕЛЕНИЯ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК:

- Биология индивидуального развития - Для внеклассного чтения - История биологии - Книги по биологии - Научно-популярная биология - Теория эволюции - Физиология животных -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животнх - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -