Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Явления самоорганизации в раннем развитии морских гидроидов

ВАК РФ 03.00.11, Эмбриология, гистология и цитология

Автореферат диссертации по теме "Явления самоорганизации в раннем развитии морских гидроидов"

Московский Государственный Университет

имени М.В. Ломоносова.

Г > --)

^ ;.. .1 Биологический факультет.

На правах рукописи.

Краус Юлия Александровна

УДК 591

ЯВЛЕНИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ В РАННЕМ РАЗВИТИИ МОРСКИХ ГИДРОИДОВ. 03.00.11 - гистология-эмбриология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-1998

Работа выполнена на кафедре теории эволюции и проблем дарвинизм| Биологического факультета Московского Государственного Университет; имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

кандидат биологических наук В.Г. Черданцев.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор JI.B. Белоусов, доктор биологических наук, профессор В.В. Малахов.

Ведущее учреждение:

кафедра эмбриологии Санкт-Петербургского Государственной Университета.

Защита состоится « ^ » 1993 года в_на заседали;

Специализированного совета Д.053.05.68 при Московског Государственном Утюерситете.

119899, Москва, Воробьевы Горы, МГУ, Биологический ф-т, кафедр теории эволюции, тел.: (095)9393501, e-mail: Cherdant@l.Evolut.bio.msu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологическог факультета МГУ.

Автореферат разослан 16 марта! 998года.

Ученый секретарь Специализированного совета к.б.н. Е.Н. Каллистратова.

Общая характеристика работы.

Роль самоорганизации в биологическом морфогенезе является одним из актуальных вопросов современной биологии. Принципиальное сходство биологической и физической самоорганизации заключается в понижении порядка симметрии (макроскопическом усложнении) системы в ответ на слабые малоспецифичные воздействия. В живых системах, в отличие от физических, самоорганизация осуществляется на основе уже имеющейся пространственной разметки. Это позволяет им понижать порядок симметрии без потери устойчивости, в т.н. «жестком режиме» (Белинцев,1991). Роль внешнего стимула может выполнять любая локальная неоднородность структуры эмбриона, фиксированное положение которой делает предсказуемым конечный результат формообразования (Белинцев,1991). Это устраняет противоречие между спонтанностью самоорганизации и воспроизводимостью биологических структур, возникающих на ее основе.

Вывод о существовании в эмбриогенезе процессов самоорганизации обычно основывают на распространенности явления эквифиналыюсти -формирования одних и тех же биологических структур различными способами в эксперименте [Дриш, 1915) или в нормальном развитии. Поскольку явление эквифинатьности эаспространено в нормальном развитии достаточно широко, можно 1редположить, что в эволюции реализуются максимально «вырожденные» экологические структуры, т.е. такие, которые можно получить максимальным шелом способов. Именно поэтому явления морфогенетической самоорганизации 1редставляк>т особую важность для изучения механизмов эволюционного 'сложнения биологических структур.

Целью работы является изучение процессов истиной самоорганизации в юрмальном развитии. Для ее выполнения были выбраны морские Ну&огоа, в шнем морфогенезе которых высокий уровень индивидуальной изменчивости очетается с хорошо выраженной эквифинальностью при относительной простоте ервичного плана строения.

Детально изучена морфология и мехаиика раннего развития морского! гидроида Dynamena pumila L., получены новые данные о раннем развитии гидроидов Obelia loveni, Sertularella higantea и Tubularia larynx. Впервые исследован на морфологическом уровне процесс сегрегации эктобласта гидроидов. Показано, что он основан на формировании первичного эпителиального пласта (ЭП) путем кооперативной эпителизации (КЭ) исходно неэпителизованных клеток. Выявлено две фазы КЭ, первая из которых характеризуется отсутствием упругих натяжений и наличием (+) обратной связи между изменением формы клеток, их направленным перемещением в составе отдельных фрагментов формирующегося ЭП и изменением формы этих фрагментов. Для второй фазы характерно формирование непрерывною ЭП, появление упругих натяжений и возникновение (+) и (-) обратных связей между анизотропией поля упругих натяжений, направлением движения клеток (планарной иптеркаляцией) и изменением формы эмбриона как целого. Именно увеличение пространственного масштаба межклеточных взаимодействий с одновременным понижением порядка симметрии обеспечивает эквифинальность раннего развития - упорядочение формы эмбрионов, формирование антеропостериорной оси и дифференцировку ее полюсов. Впервые экспериментально показано, что задняя половина планулы детерминируется точкой замыкания ЭП. Положение этой точки относительно оси первичной полярности яйцеклетки не фиксировано, поэтому процесс формирования передне-задней полярности является примером морфогенетической самоорганизации. Приведены сравнительно-эмбриологические данные доказывающие эволюционную первичность и консервативность описанного в работе механизма формирования первичного ЭП, и основных элементов первичного плана строения многоклеточных.

Апробация работы. Материалы работы были представлены на международных конференциях «Mechanisms of Development: Ontogenetic and Phylogenetic aspects» (Москва, 1994), «6th International Workshop on Hydroid Development» (Munich, Germany, 1995), «7th International Workshop on Hydroic

t

Development» (Munich, Germany, 1997), рабочем совещании «Биомеханика - 96. Теоретические проблемы морфогенеза» (Москва, 1996), на коллоквиумах кафедры теории эволюции и проблем дарвинизма Биологического ф-та МГУ (1995, 1997) и кафедры эмбриологии Биологического ф-та СПбГУ (1997).

По теме диссертации было опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 155 страницах (100 страниц текста и 55 страниц иллюстраций), состоит из введения, изложения материалов и методов, 8 глав и выводов. Список литературы состоит из ИЗ названий.

Материалы и методы. Основной объект работы - беломорский гидроид Dynamena pumïla L. Изучалось также раннее развитие беломорских гидроидов Obeîia loveni, Sertularella higantea, Tubularia larynx. Колонии исследуемых видов гидроидов собирались на Беломорской Биологической Станции МГУ в июле 1993 - 1996 годов. Прижизненные наблюдения осуществлялись за эмбрионами, развивающимися в чашках Петри в профильтрованной морской воде при температуре 14-16 градусов. В опытах по изучению механизма формирования антеропостериорной (АР) оси эмбрионов Dynamena в качестве метки использовали частицы борного кармина. Для световой микроскопии эмбрионы фиксировались 8% раствором формальдегида в профильтрованной морской воде. После тотальной окраски спиртовым раствором борного кармина по стандартной методике изготовлялись парафиновые срезы, докрашивавшиеся 1% водным раствором алцианового синего. На гистологических препаратах измеряли основные характеристики формы клеток. Для СЭМ анализа эмбрионы фиксировались в течении 1 часа 2% раствором глютарового альдегида на 0,1 M какодилатном буфере рН 7,4. Осмолярность фиксатора доводилась до эсмолярности морской воды с помощью сахарозы. После промывания в какодилатном буфере эмбрионы дофиксировались в течении 1 часа 1% раствором гетроксида осмия на 0,1 M какодилатном буфере рН 7,2. Хранились фиксированные объекты в 1% глютаровом альдегиде на 0,1 M какодилатном зуфере. Эмбрионы обезвоживались в восходящем ряду спиртов, доводились до

S

ацетона и высушивались методом перехода критической точки. ОбъектУ исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа S-405A (Hitachi) и AMRAY.

I. Морфология раннего развития Dynamenapumila L.

Из гонотеки, после разрыва эктодермы споросака, выбрасывается акроциста, содержащая 4-24 зрелые яйцеклетки со средним диаметром 0,26мм. В акроцисте эмбрионы находятся до стадии планулы. От начала дробления до стадии планулы проходит 3,5-4 суток.

На стадии первого деления дробления ось первичной полярности яйцеклетки (определяемая по месту закладки первой борозды) ориентирована параллельно, а плоскость первого деления - перпендикулярно стенке акроцисты, или любому искусственному субстрату, с которым соприкасается яйцеклетка. В дроблении Dynamena реализуются практически все варианты расположения бластомеров, ранее наблюдавшиеся разными авторами у других Cnidariaaux.. Степень упорядоченности дробления на стадиях 2-8 бластомеров определяется соотношением темпов первого и второго делений дробления (рис.1).

На стадии 32 - 64 бластомеров (4-6 часов от закладки первой борозды) эмбрион представляет собой «псевдоморулу» - рыхлый клеточный агрегат со слабо выраженной полостью бластоцеля, с изодиаметричными поверхностными и внутренними клетками.

У эмбрионов на этой стадии появляются инвариантные черты пространственной структуры: каждый из них имеет несколько плоских поверхностей, соответствующих зонам контакта эмбриона со стенкой акроцисты или соседними эмбрионами, и «ребра», соединяющие эти поверхности.

Анализ гистологических препаратов показывает, что процесс формирования первичного ЭП начинается, как правило, в зонах с минимальным радиусом кривизны поверхности эмбриона, т.е. первыми в этот процесс вовлекаются клетки «ребер» (рис.2а,Ь).

На первой стадии эпнтслизадпи (7-9 часов от начала дробления) никогда не

(а)

кп

кп

(Ь)

Рисунок 1.

Изменчивость раннего дробления Оупатепа ритПа.

Рисунок 2. Первая стадия эпителизации. Рисунки гистологических срезов. Р - ребра, кп - контактные поверхности, К - розетки.

Рисунок 3. Изменчивость формы эмбрионов в конце стадии митотической пересортировки клеток.

Рисунок 4. Стадия эпителиальных торов, а, Ь,с - изменчивость формы эмбрионов; с! - рисунок гистологического среза; д - дыры торов, дд - дно дыры тора, кп и Р - как на Рис.2.

КП

Рисунок 5. Внешний вид эмбриона в конце стадии сферизации; д - последняя дыра одного из торов.

Рисунок 7. Изменение формы фрагмента ЭП как результат зпителизации (Э) клеток. Толстая линия - клетки, завершившие Э; 1-7 - клетки на последовательных стадиях Э; стрелки - направление распространения Э.

Ш

Рисунок 6. Внешний вид эмбриона на стадии препланулы. а - вид с "вентральной" стороны, Ь -вид сбоку; ш - шов.

Рисунок 8. Переход от стадии эпителиальных торов (а) к стадии сферизации (Ь). На Рис. 8а показано поле мех-х напряжений тороидальной поверхности: М—► линии растяжения, ) ( линии сжатия; стрелка -ось первичного удлинения эмбриона

Рисунок 9. Схема формирования препланулы. а - эмбрион в конце стадии сферизации; стрелками показаны оси удлинения эмбриона как целого и краев шва; пунктирная линия - край шва, имеющий собственную ось удлинения; Ь - тонкая линия - контур эмбриона на предыдущей стадии развития; стрелками показаны направления планарного перемещения клеток.

£

формируется непрерывный ЭП на всей поверхности эмбриона. Как правило, образуются отдельные фрагменты ЭП, включающие не более 10-15 клеток. Эпителизуются не только поверхностные, но и внутренние клетки. Вовлечение внутренних клеток в эпителизацию приводит к образованию замкнутых «розеток», состоящих как из поверхностных, так и из внутренних клеток (рис.2Ь).

Стадия мнтотической пересортировки клеток начинается через 10 часов после начала дробления и занимает примерно 2 часа. Синхронное вступление в митоз клеток, даже прошедших разное число митотических циклов, приводит к разрушению большинства фрагментов ЭП, сформировавшихся после предыдущего деления. После завершения митозов эпителизация продолжается, и, поскольку число клеток возрастает, число фрагментов ЭП, по прежнему состоящих из 10-15 клеток, также значительно возрастает по сравнению с предыдущей стадией. Возрастание числа независимо формирующихся фрагментов ЭП приводит в резкому возрастанию изменчивости (рис.3), которую на этой стадии даже невозможно классифшдаровать. Фактически каждый эмбрион обладает уникальным внутренним и внешним строением. На этом завершается первая стадия эпителизации - стадия создания локальной упорядоченности клеток в составе небольших фрагментов ЭП.

На второй стадии эпителизации - стадии эпителиальных торов (12-18 часов от начала развития) изменчивость сокращается и упорядочивается (рис.4а,Ь,с). Ранее сформированные фрагменты ЭП объединяются в общий ЭП тороидальной формы, и каждый эмбрион можно рассматривать как комплекс эпителиальных торов, причем дырам торов соответствуют центральные участки плоских (контактных) поверхностей (РИС.4а,с1). Число эпителиальных торов соответствует числу контактных поверхностей, имевшихся у эмбриона на стадии морулы. Таким образом, изменчивость на этой стадии, регрессирует к изметгчивости пространственной структуры морулы. На экваторах торов впервые в раннем развитии появляется замкнутый ЭП.

Стадия сфернзацни начинается с сокращения экваториального, увеличения меридионального радиусов и уменьшения диаметра дыр торов (19-21 часы

/

нормального развития). В дальнейшем (22-27 часы) дыры торов постепенно замыкаются. В конце стадии сферизации (28-36 часы) эмбрион по форме приближается к эллипсоиду вращения, т.е. имеет длинную и короткую оси (разница между ними мала). Заживление дыр разных эпителиальных торов происходит с разной скоростью, и в конце сферизации остается след от дыры тора, замкнувшейся в последнюю очередь (рис.5) - точка окончательного замыкания ЭП. Эктобласт становится псевдомногослойным, внутренние клетки, принимавшие участие в эпителизации на предыдущих стадиях, утрачивают эпителиальную структуру.

Формирование препланулы начинается на второй день нормального развития. Возрастает отношение длин осей эллипсоида, и дифференцируются передний и задний концы эмбриона. Начинается формирование эпителиального эндобласта. Оставшийся от замыкания последней дыры тора след в виде «шва» расположен, как правило, в задней половине препланулы, но никогда не находится непосредственно на заднем полюсе (рис.6). Таким образом, препланула имеет билатеральную симметрию, плоскость которой проходит через передний конец, задний конец и след от замыкания ЭП. Эктобласт препланулы становится однослойным. Морфологически планула отличается от препланулы большей длиной АР оси, более четкой дифференцировкой переднего (округлого) и заднего (треугольного) концов, а также завершением эпителизации эндобласта.

Развитие эмбриона на искусственном субстрате. На стадии,, соответствующей первой стадии эпителизации в нормальном развитии, клетки поверхности эмбриона, контактирующей с искусственным субстратом, начинают ползти по нему. В результате эмбрион приобретает форму перевернутой чаши. На стадии, соответствующей стадии сферизации в нормальном развитии, он отрывает свои края от субстрата и развивается в нормальную планулу. Если на стадии, соответствующей второй стадии эпителизации в нормальном развитии, оторвать края эмбриона от субстрата, то они немедленно сворачиваются базальной стороной внутрь, резко сокращая площадь поверхности.

И. Формирование первичного эпителиального пласта (механизмы

<Р

морфогенеза на клеточном уровне) в раннем развитии БупатепаритПа.

В результате морфометрического анализа клеток, входящих в состав фрагмента ЭП, удалось выяснить следующие закономерности процесса эпителизации:

апикобазальное (АБ) вытяжение клеток связано с сокращением их базальной стороны при постояшюй ширине апикальной поверхности и увеличением отношения длин контактных и свободных поверхностей клетки;

в ходе эпителизации клетка десимметризуется - одна из ее контактных поверхностей становится длиннее другой, а их ориентация отклоняется от перпендикулярной к касательным к наружной поверхности фрагмента ЭП;

по завершении эпителизации симметричность клетки и перпендикулярность ориентации контактных поверхностей восстанавливаются (рис.7).

Следующие данные позволяют сделать вывод о том, что формирование первичного эпителиального пласта (эпителизация) является кооперативным процессом, способным распространяться от клетки к клетке.

!. Фрагменты формирующегося эпителиального пласта состоят из клеток, находящихся на последовательных стадиях эпителизации, причем пространственная последовательность форм клеток соответствует временной последовательности изменения формы одной клетки (рис.7), т.е. представляют собой пространственно-временные развертки (Черданцев,1977).

2. Внутренняя клетка эпителизуется только в том случае, если она контактирует с латеральной стенкой наружной клетки (только при этом условии она может вовлекаться в эпителизацшо). Эпителизация внутренних клеток не несет какой-либо функциональной или морфогепетической нагрузки и является одним из примеров «бессмысленных» морфогенезов.

3. Неоднородность клеточной структуры морулы в процессе эпителизации приобретает надклеточный масштаб, что проявляется в огромной морфологической изменчивости промежуточных стадий развития.

4. Эпителизация свободных краев эмбрионов, оторванных от искусственного субстрата, происходит за короткий промежуток времени, порядка

30-60 секунд. |

Кооперативность процесса формирования первичного ЭП в раннем развитии, а также то, что стимул, запускающий этот процесс, неспецифичен (его стартовой точкой может быть практически любая неоднородность структуры эмбриона (любая граница)) позволяет считать его близким к явлениям истинной самоорганизации

Эпителизация клеток связана с их латеральным сдвигом и приводит к выравниванию кривизны поверхности фрагмента ЭП, т.е. продолжается до того момента, пока его контур не будет соответствовать фрагменту окружности (рис.7). Формированием таких фрагментов завершается любая четко выделяющаяся на морфологическом уровне стадия нормального развития, различается только пространственный масштаб этого процесса.

На основе имеющихся данных была построена качественная двухмерная модель процесса эпителизации на "короткой дистанции", т.е. формирования фрагмента ЭП. состоящего из 5-15 клеток. Эта модель дает близкий к естественному механизм распространения процесса эпителизации от одной клетки к другой в плоскости гистологического среза.

Модель подразумевает наличие положительной обратной связи между формообразованием на надклеточном (смещение клеток относительно их исходного положения и изменение формы наружного контура формирующегося ЭП) и клеточном (апико-базальное удлинение клеток) уровнях.

Вовлечение клеток в эпителизацию инициируется механической расшнуровкой контактных поверхностей клеток в зонах с минимальными радиусами кривизны наружной поверхности. Восстановление соотношения дайн свободных и контактной поверхностей клетки связано с изменением ее формы (АБ удлинением) и на первом этапе ведет к десимметризации клетки. Причиной десимметризации является неодновременность одних и тех же событий в контактных зонах одной и той же клетки. Вовлечение новых клеток в формирующийся фрагмент ЭП прекращается, когда в плоскости данного среза его форма приближается к фрагменту окружности. У каждой клетки такого фрагмента

/о

латеральные стороны имеют одинаковую длину, и их ориентация совпадает с радиусом кривизны ЭП (рис.7). Следовательно, именно десимметризация клетки в процессе эпителизации обеспечивает возможность распространения этого процесса от одной клетки к другой.

Когда речь идет о формировании небольших фрагментов ЭП, упругими натяжениями можно пренебречь. Именно поэтому до стадии эпителиальных торов отдельные фрагменты ЭП ведут себя относительно независимо, и изменчивость формы эмбрионов не поддается классификации. В этом состоит принципиальное отличие эпителизации, определяющей ее «ближний порядок», то есть локальное упорядочение клеток внутри данного фрагмента ЭП, от «дальнего порядка», возникающего при выравнивании кривизны поверхности эмбриона как целого на стадиях формирования эпителиальных торов и сферизации.

Переход к «дальнему порядку» эпителизации (формирование эпителиальных торов н сферизация).

Для объяснения объединения фрагментов, эпителизация которых уже завершилась, необходимо перейти от двухмерной к трехмерной картине распространения эпителизации. Эпителизация продолжается во всех направлениях, в которых клетки представляют серии форм, соответствующих пространственно-временной развертке процесса эпителизации. При этом клетки соседних фрагментов образуют единый фрагмент ЭП с большим радиусом кривизны, чем каждый из исходных фрагментов. В результате кривизна различных участков поверхности эмбриона выравнивается.

Поскольку степень эпителизации максимальна на свободных поверхностях («ребрах») эмбриона и мшгамальна в центрах его контактных (плоских) поверхностей, возникают условия для формирования поверхностей, близких к тороидальным. Наименее эпителизованиые участки плоских поверхностей автоматически оказываются ниже уровня формирующейся тороидальной поверхности, образуя дно дыры тора.

Впервые формирующиеся в раннем развитии замкнутые фрагменты ЭП на экваторах торов обеспечивают появление «дальнего порядка» взаимодействий

Л

между клетками поверхности эмбриона. Этим можно объяснить наблюдаемое на этой стадии упорядочение изменчивости. Возможность нелокальной регуляции обеспечивается наличием поля упругих напряжений ЭП тороидальной поверхности. Как у любой механически напряженной тороидальной оболочки (Martynov, 1975), меридианы эмбриона на этой стадии испытывают упругое растяжение, а экватор - упругое сжатие (рис.8).

Дальнейшее формирование замкнутого ЭП связано с планарной интеркаляцией (перемещением в плоскости поверхности ЭП, см. Keller, 1987) клеток, уже завершивших эпителизацию. Морфологическим критерием планарной интеркаляции можно считать наличие большого количества клеток, число соседей которых отличается от шести. По данным СЭМ клетки встраиваются преимущественно в меридианы торов, что обеспечивает уменьшение экваториального и увеличение меридионального радиусов кривизны наружной поверхности. Такое встраивание способствует заживлению дыр, которые как бы застегиваются с помощью застежки «молнии». Клетки перемещаются в плоскости поверхности ЭП так, чтобы ликвидировать анизотропию напряжений тороидальной поверхности.

Краевая зона «дыры» каждого эпителиального тора соответствует свободному краю эпителиального пласта. Заворачивание этого края внутрь дыры приводит к появлению градиента меридионального напряжения с максимумом в краевой зоне. В результате возникает соответствующий градиент меридиональной интеркаляции с максимумом в окрестности дыры, и происходит меридиональное вытяжение эмбриона (рис.8). Интеркаляция продолжается до полного замыкания дыр торов. Поскольку эмбрион представляет собой комплекс эпителиальных торов, направление длиной оси формирующегося на стадии сферизации эллипсоида определяется при замыкании последней дыры. Таким образом, вместо формирования сферы, интеркаляция ведет к первичной дифференцировке длинной и короткой осей эмбриона.

Переход к «дальнему порядку» эпителизации подразумевает возникновение нового масштаба межклеточных взаимодействий, базирующихся на обратной

вязи между перемещениями клеток (в процессе эпителиального морфогенеза или ходе планарной интеркаляции') и формой эмбриона как целого. Эта связь ¡беспечивает как поддержание регулярной формы эмбриона, так и его первичную 1ксиализацию (т.е. дифференцировку длинной и короткой осей).

Ш. Сравнение клеточных механизмов формирования эктобласта у Оупатепа ритИа и у других изученных гидроидов.

Изучение раннего развития беломорских гидроидов ОЪеНа 1о\>ет и $егш\аге\\а ¡^¡¿аМеа позволило получить данные для сравнительного анализа механизмов формирования первичного эпителиального пласта.

Основное различие механизмов эпителизации у Оупатепа и ОЬеИа состоит, по видимому, в различии степени связи между морфогенетическими событиями на уровне клеток и на уровне эмбриона в целом. У Оупатепа любое изменение клетками своей формы немедленно отражается на геометрии поверхности эмбриона. Результатом является огромная индивидуальная изменчивость пространственной структуры на всех стадиях развития до момента сферизации.

Для эмбрионов ОЪеНа характерно сохранение относительно правильной, стабильной формы, которая поддерживается экстраэмбриональными структурами. Возникающая при этом плотная упаковка внутренних клеток приводят к появлению уже на ранних стадиях развития упругих натяжений поверхности. Это ослабляет связь между морфогенезом на клеточном и надклеточном уровне. Форма (кривизна) наружной поверхности изменяется не по мере эпителизации клеток, а только на стадии сферизации, когда эпителизация клеток наружной поверхности практически завершена. Клетки скорее подстраиваются к имеющейся форме поверхности, чем создают ее, как это происходит у Оупатепа.

Особенности морфогенеза эмбрионов ОЪеНа 1очет моделируются в эксперименте с выращиванием эмбрионов Оупатепа на искусственном субстрате. Дополнительное растяжение поверхности эмбриона активным распластыванием его краев делает его форму более правильной и сокращает изменчивость.

ОЪеНа \oveni занимает промежуточное положение между Оупатепа и 5еПи1аге11а в смысле механизма формирования наружного ЭП. Если у ОЬеИа связь

УЗ

между формой клеток и формой эмбриона ослаблена, то у ЗеЫи1аге11а она становится обратной. Из-за того, что экстраэмбриональные структуры ограничивают возможность увеличения площади наружной поверхности, упругие натяжения должны возникать с самого начала развития, регулируя форму и| ориентацию клеток эмбриона, располагающихся таким образом, чтобы минимизировать оказываемое на них внешнее воздействие Подстройка клеток к форме поверхности эмбриона (в том числе и сегрегация наружных клеток от внутренних) может осуществляться как за счет ориентированных митозов (чему способствуют особенности клеточного цикла), так и за счет кооперативных межклеточных взаимодействий, как у Рупатепа.

IV. Формирование антеропостернорной полярности в раннем развитии гидроидов.

В первой серии экспериментов использовались эмбрионы Бупатепа, выращивавшиеся на стекле. На стадии, соответствующей стадии начала сферизации в нормальном развитии, эмбрионы были оторваны от субстрата. На поверхность, контактировавшую со стеклом, т.е. на свободные края ЭП, завернувшиеся базальной стороной внутрь, были нанесены частицы борного кармина. На стадии препланулы в 100% случаев метка располагалась вблизи того конца длинной оси, который дифференцировался впоследствии как задний.

Поскольку на стороне, контактировавшей с субстратом, формирование замкнутого эпителиального пласта задерживается, можно предположить существование причинно-следственной связи между положением точки замыкания ЭП и формированием задней половины (и заднего конца) планулы. Для проверки этой гипотезы были выполнены серии экспериментов, в которых слабоэпителизованный участок ЭП создавался искусственно и его положение определялось на поверхности планулы с помощью метки. С этой целью надрезалась поверхность эмбрионов и на края разреза наносились карминовые частицы.

Опыты с эмбрионами на стадии формирования эпителиальных торов не выявили связи между положением «шрама», оставшегося от надреза, и направлением передне-задней оси планулы.

В серии экспериментов с эмбрионами в середине стадии сферизации (48 операций) в статистически значимом большинстве случаев (р<0.05), метка располагалась в задней половине планулы (77%).

В следующих сериях экспериментов ставилась задача определить стадию нормального развития, начиная с которой детерминация передне-задней полярности становится необратимой.

Эксперименты с эмбрионами в конце стадии сферизации показали, что надрез, сделанный па одном из концов эллипсоида, не влияет на ориентацию передне-задней оси планулы. После нанесения надреза перпендикулярно длинной оси эллипсоида, на полпути между его концами, длинная ось эмбриона формировалась заново, причем метка концентрировалась вблизи того из концов этой оси, который впоследствии дифференцировался как задний. Таким образом, новая передне-задняя ось формировалась перпендикулярно исходной, и заново определялось положение заднего конца эмбриона искусственно созданным участком задержки эпителизации.

Любые надрезы поверхности эмбрионов на стадии препланулы не приводили к переопределению направления передне-задней оси.

Дополнительные эксперименты (например, по сращиванию половинок эмбрионов) подтвердили значение точки замыкания ЭП для детерминации АР полярности. При этом не удалось выявить какую-либо преемственность между осью первичной полярности яйцеклетки и АР осью планулы.

Связь между поляризацией и окончательной аксиализацией препланулы.

Опыты с надрезами показывают, что тот участок поверхности, из которого впоследствии будет формироваться задний полюс планулы, детерминирован положением естественной топологической особенности, соответствующей последней незамкнутой точке эпителиального пласта. Выбор этой точки на

поверхности эмбриона ограничен центральными зонами плоских поверхностей морулы, но в остальном случаен. Таким образом, процессы аксиализации и поляризации обладают основными чертами самоорганизационных процессов: случайным образом расположенные неоднородности исходной формы морулы становятся триггером, запускающим эти процессы.

Наибольшая интенсивность меридиональной интеркаляции в краевой зоне дыры тора детерминирует направление длинной оси эмбриона. При этом сама краевая зона не представляет собой идеальной окружности. Это вызывает асимметрию соответствующего поля натяжений, и интеркалирующие клетки должны встраиваться (и преимущественно удлинять) наиболее растянутые меридианы краевой зоны дыры. Из-за конкуренции за клеточный материал только несколько меридианов получат преимущество при удлинении. Формирование радиалыю симметричной препланулы становится невозможным, зато у нее появляется билатеральная симметрия, плоскость которой проходит через передний и задний ее концы и след от замыкания дыры (или заживления раны). Он никогда не бывает точечным, а представляет собой шов, расположенный поперек длинной оси планулы, являясь границей того отдела, который условно можно назвать хвостовым. Можно ожидать, что при формировании препланулы именно этот отдел будет иметь и собственную ось удлинения (рис.9).

При формировании препланулы псевдомногослойный эктобласт превращается в однослойный за счет процесса радиальной интеркаляции, ведущего к увеличению площади наружной поверхности. Клетки эктобласта, встраивающиеся в его наружный слой, испытывают давление со стороны своих соседей. Силы латерального давления максимальны в поперечном сечении эллипсоида, то есть в сечении, имеющем минимальный радиус кривизны. Для того чтобы уйти от избыточного латерального давления, клетки должны вновь перейти к планарной интеркаляции, встраиваясь в меридианы эллипсоида. Эш и приводит к увеличению отношения его длинной и короткой осей (рис.9).

При формировании преллаггулы окончательно устанавливается направление АР оси, т.е. завершается аксиализация эмбриона, определяется положение

переднего конца этой оси, и формируется задний конец, т.е. поляризация эмбриона завершается.

Дифференцировка краев раны, связанная с предварительной аксиализацией эмбриона и определением положения его заднего конца, создает условия для возникновения аналога дорсо-вентралъной оси у планулы (рис.6 и 9). Нет никаких оснований предполагать, что эта ось имеет какое-либо значение в жизни взрослой планулы. В данном случае ее возникновение является еще одним примером самоорганизации в раннем развитии.

Сравнение механизмов формирования АР полярности у изученных гидроидов.

Механизмы первичной аксиализации и механизм окончательной дифференцировки длигаюй оси эмбриона у Dynamena и Obelia достаточно близки. Об этом свидетельствует совпадение результатов экспериментов по навязыванию длинной оси эмбрионам Obelia loveni (Остроумова, Белоусов, 1971) и Dynamena. Кроме того, необратимая детерминация АР оси и у Obelia loveni (Остроумова, Белоусов, 1971), и у Dynamena связана с формированием эпителиального эктобласта.

Прижизненные наблюдение за развитием гидроида Tubularia larynx показало, что в формировании АР полярности также большую роль играет характер деформации эмбрионов. Поверхность эмбриона, контактирующая с спадиксом или соседним эмбрионом, становится плоской. Впоследствии па ее границе со свободной поверхностью (на ребре) начинают дифференцироваться щупальца, т.е. она становится оральным концом взрослого гидроида. Направление передне-задней оси эмбриона Tubularia larynx относительно гонофора предсказать достаточно просто, поскольку асимметрия внешней среды, как и при развитии Obelia loveni, направленна.

Факторы, внешние по отношению к эмбриону (например, различные экстраэмбриональные структуры), можно назвать триггерами первого порядка, поскольку они сами не инициируют процессы раннего развития. Они только способствуют формированию локальных неоднородностей на поверхности

d?

эмбриона, которые и являются настоящими триггерами (можно назвать и) триггерами второго порядка). В эмбриогенезе гидроидов спсцифичносп триггеров как первого, так и второго порядка очень мала (например, эпителизаци; может инициироваться любыми неоднородностями структуры эмбриона). Это сближает события, происходящие в их раннем развитии с явлениями истинной самоорганизации.

V. Эволюционно консервативные элементы морфогенезов гидроидов.

При сравнении эпителиальных морфогенезов в нормальном развитии Оупатспа с репарационным эпителиальным морфогенезом изолированных фрагментов эмбриональных тканей амфибий было установлено практически полное сходство этапов формирования замкнутого ЭП: от формирования отдельных фрагментов ЭП с пространственно-временной разверткой процесса АБ вытяжения клеток, идентичной описанной для изученных гидроидов, до возникновения дальнего порядка межклеточных взаимодействий на основе связи между структурой полей упругих натяжений и направлением движения клеток в ходе планарной интеркалящш и формирования единого ЭП. В эксперименте механизмы формирования АР оси высших беспозвоночных оказываются очень близкими к используемым в нормальном развитии теми гидроидами, у которых анимально-вегетативная полярность отсутствует. Искусственно созданная особая точка (дыра в кортикальном слое) на поверхности яйца у морского ежа детерминирует вегетативный полюс эмбриона (Преснов, 1985). У морской звезды при формировании личинки в экспериментах с диссоциацией-реагрегацией бластомеров механизм детерминации заднего полюса по-видимому идентичен описанному для Оупатепа. Результаты этих экспериментов показывают, что анимально-вегетативная и АР полярность могут быть переопределены с помощью неспецифического воздействия даже у организма с четко заданными проспективными значениями областей яйцеклетки. Как и в случае эпителиальных морфогенезов, элементы нормального развития низших Ме1агоа сохраняются как механизмы эмбриональных рефляции высших беспозвоночных.

Роль эпителиального пласта и его особой точки сохраняется и в

■а

морфогенезах, на основе которых формируется АР ось эмбриона у позвоночных и дифференцируются ее полюса. Достаточно сопоставить на морфологическом уровне эти процессы в развитии Dynamena pumila и в развитии позвоночных животных (Черданцев, 1993; Белоусов, 1996). В обоих случаях наличие особых точек (бластопора или его аналога) приводит к тому, что при дифференцировке АР оси нарушается радиальная симметрия эмбриона (т.е. появляется плоскость билатеральной симметрии). Положение особой точки вблизи одного из концов передне-задней оси делает различными условия, в которых находятся полюса во время ее удлинения. В результате, задний конец, вблизи которого расположена особая точка, больше отличается от исходной формы эмбриона (до начала вытяжения), чем передний конец.

VI. Эволюция раннего развития Cnidaria.

Сравнение наших дашгах с литературными данными по развитию других Cnidaria позволяют сделать вывод о том, что в различных таксонах одни и те же этапы формирования первичного плана строения оказываются на разных традиционно выделяемых стадиях нормального развития. Например, эпителиальный эктобласт у Scyphozoa формируется на стадии поздней бластулы, а у гидроидов его формирование завершается только на стадии препланулы. Разделение развития на стадии имеет смысл только для каждого конкретного таксона (иногда ранг этого таксона не выше видового). Гомологизация реальных этапов формирования первичного плана строения у представителей разных таксонов невозможна. Следовательно, перемещение признаков (в данном случае -этапов формировагаы первичного плана строения) с одной стадии на другую можно считать одним из основных способов эволюции раннего развития Cnidaria. Можно попытаться найти причины этого процесса.

Наиболее очевидной является связь особенностей раннего развития с жологией представителей той или иной группы Cnidaria (Buss, 1987). У Оупатепа i Obelia эмбрионизация развития (более поздний выход из материнского )рганизма) приводит к тому, что часть признаков, которыми обладали эмбрионы федков, вторично утратили функционатьность. Разрушение системы корреляций,

имевшихся у эмбрионов предковых форм, привело к появлению механизме формирования первичного плана строения, которые описаны в данной работе дл Оупатепа и ОЪеИа. Совпадение этих механизмов с теми, которые можно считат эволюционно первичными (т.е. такими, которые предполагают большую рол| самоорганизации, неустановившуюся систему предразметки, использование факторов внешней среды как триггеров) вторично и не является доказательство! «древности» Нуйгохоа. Это совпадение объясняется тем, что структуры возникающие на основе таких механизмов, не контролируется естественны» отбором (до стадии препланулы, которая за счет эквифинальности универсальна) Вне селекционного контроля оказываются и структуры, которые можно считат] эволюционными новшествами, которые возникают на эписелекционной основ' (СЬегёатБеу ег. а1., 1996) и еще не приобрели функции. Хотя для современны: МеЮгоа АР полярность не является эволюционным новшеством ) функциональна, у эмбрионов Оупатепа формирование АР оси 1 дифференцировка ее концов осуществляются на основе самоорганизации и, такт образом, для каждого конкретного эмбриона ее формирование равносильш созданию новой информации, отсутствовавшей в системе. Таким же образо» можно рассматривать и появление новых структур на макроэволюционно» уровне. Появление в эмбриогенезе Оупатепа БУ полярности является настоящий примером возникновения структуры на эписелекционной основе, поскольку эх; полярность нефункциональна. Появление БУ полярности как побочного эффект; морфогенеза, связанного со сферизацией эмбриона Оупатепа, позволяв предположить такой же (или близкий к нему) способ ее появления в эволюцш высших беспозвоночных. Это предположение хорошо согласуется с гипотезой ( происхождении предка современных Вйа1епа от фагоцителлообразноп организма, или от паренхимулообразной личинки низших Мс(агоа за сче' неотении (Беклемишев, 1964, Иванов, 1968).

Наконец, удается выявить связь эволюции структуры колоний с эвoлюциei раннего развития. По архитектонике колонии и степени редукции половой поколения Оупатепа является более продвинутым видом, чем ОЪеИа (Марфепш!

ЛО

1993). Между тем, рационализации раннего развития у Dynamena нет, т. е. прямая селекционная связь эволюции эмбриональных и дефинитивных стадий развития отсутствует. В то же время, у Dynamena за счет увеличения количества яйцеклеток в каждом споросаке возрастает неоднородность среды, внешней по отношению к каждому данному эмбриону. Это ведет к реорганизации изменчивости раннего развития, но не влияет на его конечный результат. Особенности развития Dynamena (огромная изменчивость, большая роль случайных факторов) можно рассматривать как побочное (не имеющее адаптивного значения) следствие эволюции репродуктивной стратегии данного вида.

Выводы.

1. Кооперативность процесса формирования первичного ЭП в раннем развитии Dynamena и неспецифичность запускающего его стимула (стартовой точкой может быть практически любая неоднородность структуры эмбриона) позволяет считать этот процесс близким к явлениям самоорганизации.

2. В раннем развитии Dynamena pumila можно выделить две фазы, связанные с формированием первичного эпителиального пласта: формирование локальной упорядоченности эшггелизованных клеток в отдельных фрагментах ЭП («ближний порядок» эпителизации), и эпителизация «дальнего порядка» в масштабе эмбриона как целого.

3. Эпителизация «дальнего порядка» связана с возникновениеМнового масштаба межклеточных взаимодействий, базирующихся на (+) и (-) обратных связях между перемещением клеток, изменением формы эмбриона и анизотропией поля упругих натяжений.

4. Обратная связь между клеточным и надклеточным уровнями процесса эпителизации обеспечивает как поддержание регулярной формы эмбриона, так и его первичную аксиализацию (т.е. дифференцировку его длинной и короткой осей).

5. Дифференцировка заднего полюса длинной оси эмбриона детерминируется естественной топологической особенностью (точкой

ЛI

замыкания ЭП), причем ее положение не фиксировано относительно оси первичной полярности яйцеклетки.

6. Формирование замкнутого ЭП представляет собой эволюционно первичный механизм поддержания стабильной формы, морфологической и физиологической полярности многоклеточных животных.

7. Побочным следствием формирования замкнутого ЭП является формирование билатеральной симметрии и дорсовентральной оси эмбриона, не имеющее для планулы гидроидов функционального значения и являющееся примером самоорганизации.

8. Основной причиной эквифиналыюсти раннего морфогенеза является увеличение пространственного масштаба межклеточных взаимодействий и понижение порядка симметрии развивающейся системы.

9. Эпителиальные морфогенезы гидроидов имеют эволюционно консервативные компоненты, которые сохраняются практически без изменений как в нормальном развитии высших животных, так и в их репарационных морфогенезах.

10.Эволюционно консервативпым компонентом морфологической дифференцировки полюсов АР оси у эмбрионов многоклеточных животных является ее связь с топологическими особенностями наружного ЭП.

11.Эволюцию раннего морфогенеза Cnidaria можно рассматривать как эписелекционный эффект эволюции эмбриональных экологических адаптации, репродуктивной стратегии вида и его дефинитивных морфологических признаков.

Публикации по материалам диссертации:

1.Первичная эпителизация клеток в раннем развитии морского гидроида Dynamena pumila. Онтогенез (Russian Journal of Developmental Biology), 1995, T.26, c.223-230. (соавтор В.Г. Черданцев)

2.Gastrulation in the marine hydroid Dynamena pumila: An example of evolutionary anticipation based on developmental self-organization. Evolutionary

Л2

Theory, 1996.V.11, p.89-98. (соавтор В.Г. Черданцев)

3.The early development of marine hydroids Obelia loveni and Obelia flexuosa. Systematica Rossica, СПб, 1997 (в печати).(соавтор Л. А. Родимов)

Были опубликованы тезисы следующих докладов:

1. Self-organization phenomena in gastrulation of the marine hydroid Dynamena pumila L (международная конференция «Mechanisms of Development: Ontogenetic and Phylogenetic aspects», Москва, август, 1994, p.68)

2. The formation of epithelial sheet from non-epithelial cells in the early development of the marine hydroid Dynamena pumila (тезисы доклада на «6th International Workshop on Hydroid Development», Munich, Germany, September,1995, p.84)

3. The formation of the anteroposterior polarity in the early development of marine hydroid polyps (тезисы доклада на «7lh International Workshop on Hydroid Development», Munich, Germany, September 1997, p.89).

Л5