Методы экспериментальной эмбриологии

В XX в., особенно начиная с 20-х годов, широко развернулись экспериментальные исследования эмбрионального развития. Стремление преодолеть виталистическое истолкование эпигенеза, связанное, главным образом, с воззрением Дриша, вылилось в попытки представить формообразовательные процессы в онтогенезе как результат взаимного влияния частей развивающегося зародыша.

Объектом исследования Шпемана, его учеников и многочисленных последователей были преимущественно зародыши амфибий на ранних стадиях развития. Используя простые инструменты — тонко отточенные скальпели, микропипетки, волосяные петли и стеклянные иглы,— эмбриолога шпемановской школы успешно осуществляли удаление определенных, точно локализованных участков зародыша и пересадки таких участков с одного места на другое того же или другого зародыша.

Если на стадии бластулы или ранней гаструлы пересадить участок будущей спинной эктодермы одного зародыша на брюшную или боковую сторону другого, то пересаженный участок развивается не так, как он развивался бы, будучи оставлен на месте. Этот участок дает начало не той или иной области головного или спинного мозга, а, ассимилируясь окружающей покровной эктодермой, принимает участие в образовании кожи. Другими словами, пересаженный участок эктодермы развивается не в соответствии с его происхождением, а в соответствии с местом, где он оказывается после операции. Равным образом, участок будущей покровной эктодермы, взятый с брюшной или боковой области бластулы или ранней гаструлы и пересаженный на спинную сторону, превращается не в кожу, которая должна была бы развиться на месте, откуда этот участок был изъят, а в часть нервной системы хозяина. Достоверность этих результатов обеспечивалась, в частности, применением гетеро- или ксенотрансплантации, т.

дить, какие части химерного зародыша развились из пересаженного материала и какие — из тканей хозяина под влиянием трансплантата.

Результат получается иной, если описанные операции провести на стадии поздней гаструлы. В этом случае участок спинной эктодермы образует на брюшной или боковой стороне включенную в кожу часть центральной нервной системы, а участок брюшной или боковой эктодермы, пересаженной на спинную сторону, дает в центральной нервной системе начало тканям кожи. Иначе говоря, а этой стадии пересаженные. на другое место участки зародыша развиваются уже не в соответствии с новым местоположением, а в соответствии с их происхождением. Из этих опытов был сделан вывод, что при переходе к стадии поздней гаструлы у зародыша утрачивается способность изменять направление развития под влиянием нового окружения и, наоборот, закрепляется способность развиваться в одном определенном направлении.

Детерминация. Открытие первичного организатора

Это закрепление формативных свойств эмбрионального материала получило название детерминации. Источником детерминации частей развивающегося организма Шпеман считал влияние одной части зародыша на другую.

Зависимость развития одной части зародыша от другой Шпеман открыл задолго до того, как было обнаружено упомянутое явление детерминации. В 1901 г. он сообщил об опытах удаления глазной чаши у зародышей травяной лягушки на стадии, когда закладки хрусталика, развивающегося из покрывающей глазную чашу эктодермы, еще нет; в отсутствие глазной чаши хрусталик, а равно и роговица, не развиваются.

Применительно к развитию осевых органов (осевой скелет, мускулатура, центральная нервная система) детерминационное взаимодействие частей доказывалось следующим образом. Во время гаструляции происходит впячивание эмбрионального материала, лежащего в определенной области поздней бластулы; этот материал, как показывают опыты прижизненной красочной маркировки соответствующих участков зародыша, подстилает изнутри спинную эктодерму, дающую начало нервной системе, и образует так называемую крышу первичной кишки, средняя часть которой является будущей хордой: ее боковые мезодермальные участки развиваются в дальнейшем в туловищные мышцы, осевой скелет и выделительные органы. В процессе гаструляции этот погружающийся в глубь зародыша материал постепенно проходит через пограничный участок между анимальной и вегетативной половинами зародыша, ограничивающий сверху отверстие бластопора, т. е. через верхнюю, или спинную, губу бластопора. Если вырезать на стадии поздней гаструлы кусочек верхней губы бластопора и пересадить его другому, несколько более молодому зародышу в бластоцель (полость бластулы или ранней гаструлы), то из трансплантата на новом месте разовьются хорда и органы, в норме образующиеся из осевой мезодермы (мышцы, скелет и каналы пред- почки). Под влиянием этого трансплантата прилежащая к нему эктодерма боковой или брюшной области зародыша изменит направление развития и даст начало не кожным покровам, а добавочной центральной нервной системе. В результате, у оперированного описанным образом зародыша, помимо осевых органов, развивающихся, как это имеет место в норме, на спинной стороне, образуется совокупность осевых органов на необычном месте. Подопытный зародыш имеет вид как бы двух соединенных вместе зародышей — первичного и вторичного.

Позднее было выяснено, что явления индукции свойственны не только амфибиям, но и высшим позвоночным. В частности, было показано, что вторичные осевые органы могут быть индуцированы у куриных зародышей. Аналогичные явления индукции обнаружили и у зародышей кролика.

По представлениям Шпемана и его последователей, все эмбриональное развитие следует рассматривать как цепь индукционных процессов. Верхняя же губа бластопора выступает в роли первичного организатора. Не следует, впрочем, думать, что этот организатор возникает только тогда, когда во время гаструляции образуется спинная губа; он существует у зародыша значительно раньше, вероятно, в еще не начавшем дробиться оплодотворенном яйце в виде определенного участка яйцевой протоплазмы, называемого у амфибий «серым серпом». Наложением волосяной лигатуры можно отделить друг от друга два бластомера. Результаты такой изоляции оказываются не всегда одинаковы. Если при периом дроблении борозда, разделяющая яйцо на два бластомера, проходит чо- рез середину «серого серпа», т. е. разделяет яйцевой материал на части, соответствующие правой и левой половинам зародыша, то из каждого бластомера при их изоляции разовьется целый, нормально сформированный зародыш. Если же положение борозды первого дробления таково, что она проходит на границе между будущими спинной и брюшной половинами, то результат изоляции бластомеров будет иным: из одного, соответствующего спинной стороне зародыша, образуется целый организм, а из другого — бесформенное скопление клеток, которое дальше не развивается.

Первичный организатор характеризуется региональностью: отдельные его участки по длинной оси зародыша индуцируют различные структуры. Участок верхней губы бластопора на стадии ранней гаструлы, т. е. будущая передняя часть крыши первичной кишки, индуцирует преимущественно головные структуры, а такой же участок губы бластопора на стадии поздней гаструлы, т. е. будущая задняя часть крыши первичной кишки, вызывает образование туловищных и хвостовых структур.

Из этих опытов первоначально напрашивался вывод, что реагирующая на индукционное воздействие эктодерма совершенно пассивна. Позднее было установлено, что способность эктодермы реагировать на действие индуцирующего агента (эту способность называют компетенцией) изменяется во времени и, подобно организатору, обнаруживает региональ- ность. Вместе с тем экспериментальные данные показывают, что компетенция ранней эктодермы настолько широка, что можно говорить о ее тотшхотентности; из эктодермальных клеток удавалось под влиянием индукции получать нейральные, эктомезенхимные, мезодермальные и даже энтодермальные образования. Возникающая в эксперименте нейрализация эктодермы может быть получена даже без воздействия индуцирующего агента. Это явление «самонейрализации» еще недостаточно проанализировано. Предполагают, что оно вызывается частичным цитолизом эктодермы под влиянием неблагоприятных условий или токсических воздействий.

Морфогенез отдельных органов

После того, как первичный организатор — хордомезодермальный зачаток — индуцировал в спинной эктодерме образование центральной нервной системы, обнаруживается действие других индукторов — организаторов второго и третьего порядка, которое было раньше всего обнаружено на наиболее подробно изученном морфогенезе глаза позвоночных. На стадиях гаструляции и нейруляции под индукционным действием переднего отдела хордомезодермы в нервной пластинке закладывается глазной материал, который затем обособляется от головного мозга — боковые участки переднего мозгового пузыря разрастаются в стороны, образуя глазные пузыри.

но выше, дело обстоит иначе: образование хрусталика и роговицы есть следствие индукционного влияния глазной чаши на головную эктодерму.

За первыми работами, анализировавшими взаимодействие частей развивающегося глаза (Г. Шпеман, 1901; У. Льюис, 1904), последовало много работ, итоги которых обобщены, в частности, в книге Г. В. JIo- пашова и О. Г. Строевой (1963).

Примером вторичной индукции является образование зачатка внутреннего уха — слухового пузырька — и развитие вокруг него хрящевой капсулы. Индуктором слухового пузырька является средний мозг, а индуктором слуховой капсулы — слуховой пузырек. Последний факт был установлен Д. П. Филатовым (1916), который показал, что удаление одного слухового пузырька у зародыша жабы приводит к отсутствию хрящевой капсулы на соответствующей стороне тела, а пересадка слухового пузырька, освобожденного от окружающих его мезенхимных клеток, в другое место головы зародыша влечет за собой образование вокруг пересаженного пузырька хрящевой капсулы из мезенхимы, которая в норме в хрящевую ткань не превращается.

Естественно, что подобного рода факты заставили задуматься над вопросом о природе индукционного воздействия. Прежде всего было установлено, что индуцировать нервную систему из любого участка эктодермы тритона могут не только организаторы, взятые от зародышей, того же вида, но и от зародышей других видов тритона, а также амфибий другого отряда (бесхвостые) и даже животных другого класса (птицы).

> Вторичные организаторы, например, глазная чаша как индуктор хрусталика, или слуховой пузырек как индуктор хрящевой слуховой капсулы, также не обладают видовой специфичностью. Далее выяснилось, что в эксперименте индуктор может вызывать развитие не только того

органа, который под его влиянием возникает в норме, но и совершенно иного. Б. И. Балинский (1927) показал, что у зародыша тритона пересадка слухового пузырька или носовой плакоды под эктодерму бока в области между местами закладки будущих передней и задней конечностей индуцирует в месте трансплантации образование добавочной, пятой конечности. Кстати, здесь также отсутствует видовая специфичность индуктора, и в опыте с равным успехом может быть использован слуховой пузырек лягушки. Способность к индукции передается от организатора к той части, которая образовалась под его влиянием; уже образовавшаяся закладка нервной системы (медуллярная пластинка) в свою очередь способна индуцировать образование медуллярной цластинки при ее пересадке другому зародышу.