Третья ветвь билатеральных животных — Вторичноротые, или Deuterostomia была выделена как особая группа еще в начале XX века на основании морфологических особенностей индивидуального развития. По современным представлениям, ко Вторичноротым относятся Иглокожие (Echinodermata), Полухордовые (Hemichordata) и Хордовые (Chordata).
Основными отличительными признаками вторичноротых ранее считались способ закладки ротового отверстия и ануса, а также особенности образования мезодермы. В отличие от первичноротых (современные Lophotrochozoa и Ecdysozoa), у которых ротовым отверстием становится бластопор, у вторичноротых рот закладывается независимо от бластопора. Бластопор у вторичноротых превращается в анальное отверстие или в нервно-кишечный канал в задней области зародыша. Хотя имеется целый ряд отклонений от этого правила и судьба бластопора не может служить универсальной характеристикой первично — и вторичноротых, тем не менее возникновение Deuterostomia связывают с такой перестройкой онтогенеза, при которой закладка рта развивающегося животного сдвигается вперед от бластопора по брюшной стороне (В. Н. Беклемишев, 1964). Поскольку поверхность зародыша замкнута, эта тенденция смещения закладки рта вперед могла привести к изменению положения рта, который с нейрогенной стороны должен был переместиться на противоположную, контрнейрогенную сторону. Расположение рта на контрнейрогенной стороне тела, и те преимущества, которые получало животное при обращении ротового отверстия к донной поверхности, могли способствовать превращению контрнейрогенной стороны тела в вентральную область животного, обращенную к центру силы тяжести. Этот процесс некоторые исследователи рассматривают как своеобразную инверсию дорсо-вентральной оси взрослого животного, которая происходит в ходе эволюции хордовых животных (В. В. Малахов, 1982). Так или иначе, эволюция вторичноротых связана с существенными изменениями дефинитивной полярности тела. Закладка ротового отверстия у вторичноротых смещается в анимальную область, а нейрогенная область зародыша становится у взрослых животных дорсальной.
Типичным для низших вторичноротых признается энтероцельный способ образования мезодермы. В этом случае мезодерма закладывается в виде эпителиальных мешочков, которые обособляются от стенки архентерона. Типичным для первичноротых считается телобластический принцип образования мезодермы. При этом мезодермальный зачаток образуется благодаря пролиферации особых стволовых клеток — мезотелобластов, коммитирование которых происходит на стадии дробления.
В действительности у билатеральных животных имеются разнообразные способы формирования мезодермы. Мы видели, например, что у многих членистоногих, мезодерма специфицируется в виде двух симметричных вентролатеральных полосок, расположенных вдоль длинной оси зародыша, которые погружаются в глубь зародыша, сохраняя эпителиальную структуру. Наоборот, у позвоночных мезодерма образуется главным образом в результате иммиграции клеток зародышевой полоски. В наиболее отчетливом виде телобластический и энтероцельный способы образования мезодермы сохранились лишь у наиболее примитивных представителей, соответственно первично — и вторичноротых.
Иглокожие представлены рядом ископаемых и современных классов. Среди последних — морские лилии, морские звезды, морские ежи, офиуры и голотурии. Это донные обитатели морей — сидячие или ведущие свободный образ жизни. Взрослые животные радиально-симметричные, обычно 5-лучевые. Радиальную симметрию иглокожие приобрели вторично, что находит свое отражение в процессе онтогенеза. На личиночных стадиях это типично билатерально-симметричные животные. Достижение дефинитивной стадии развития, однако, сопряжено у них с радикальным изменением типа симметрии. В ходе метаморфоза иглокожих происходит коренная перестройка плана строения тела, в результате которой они превращаются в радиально-симметричных животных.
Характерной особенностью иглокожих является наличие биоминерального эндоскелета, представленного различного рода пластинками и иглами, лежащими в соединительной ткани. Другой особенностью иглокожих служит наличие амбулакральной, или водно-сосудистой системы, которая обеспечивает локомоторную функцию органов движения.
Для иглокожих характерно наружное оплодотворение. Дробление обычно полное, радиальное, завершающееся формированием подвижной целобластулы. Два первых деления меридиональные, их плоскости проходят перпендикулярно друг другу. Третья борозда — экваториальная. У многих иглокожих (морские звезды, голотурии) дробление равномерное. У морских ежей, начиная с четвертого цикла, дробление приобретает неравномерный характер, так как бластомеры анимального полушария делятся меридионально, тогда как вегетативная четверка делится широтной бороздой на мелкие вегетативные клетки и крупные, лежащие в экваториальной области Таким образом, на стадии 16-бластомеров образуются 8 анимальных мезомеров, за которыми следуют 4 макромера и, наконец, на вегетативном полюсе располагаются 4 микромера. При следующем делении микромеры дают большие, прилегающие к макромерам, и малые микромеры, которые занимают вегетативную оконечность зародыша. Как обнаруживается в опытах с прижизненной маркировкой бластомеров, а также в опытах по изоляции бластомеров, мезомеры анимального полушария представляют собой зачаток эктодермы зародыша и по завершении дробления образуют жгутики.
Известный шведский исследователь Свен Херстадиус (Horstadius, 1939) изолировал разные области зародыша морского ежа на стадии 64 клеток. Из изолированных анимальных венцов бластомеров возникали миниатюрные бластулоподобные зародыши, в составе которых были только эктодермальные клетки. Такие зародыши получили наименование «вечной бластулы», так как они активно плавали, но их развитие дальше не шло, гаструляция не происходила, и никаких иных дифференцированных элементов кроме эктодермальных жгутиковых клеток не возникало. Клетки вегетативного полушария имеют более широкий круг производных, включая эктодерму, энтодерму и мезодерму. При изоляции анимальных венцов вместе с вегетативными клетками развивались аномальные зародыши, но тем не менее с кишечником и элементами скелета.
Ведущая роль в спецификации клеток развивающегося зародыша морского ежа принадлежит микромерам. В частности, микромеры способны индуцировать образование энтодермы. Как было показано в экспериментах Герстадиуса, при объединении мезомеров анимальной половины с микромерами часть клеток презумптивной эктодермы превращалась в энтодермальный зачаток, и формировался плутеус. Роль микромеров в индукции энтодермы была продемонстрирована в опытах по пересадке микромеров на анимальное полушарие зародыша морского ежа на стадии 16 клеток. После такой трансплантации у зародыша энтодерма возникала и на вегетативном и на анимальном полюсе. Соответственно возникали две области инвагинации и формировались два архентерона.
Ранняя спецификация клеток в разных областях бластулы коррелирует с экспрессией разных генов, что позволило Эрику Дэвидсону выделить у зародышей морского ежа в конце дробления пять зон, каждая из которых экспрессирует свой уникальный набор генов (Davidson, 1989, 1991). В числе этих зон: оральная эктодерма, аборальная эктодерма, крупные микромеры, дающие скелетогенные клетки; малые микромеры, производные которых образуют целомическую мезодерму; наконец, вегетативная пластинка, материал которой используется на построение кишечника и отчасти дает вторичную мезенхиму.
Формирование бластулы сопряжено с эпителизацией зародыша, в ходе которой возникают специализированные клеточные контакты и начинается выработка наружного и внутреннего внеклеточного матрикса. В клетках бластулы образуется также особый фермент вылупления, благодаря которому облегчается разрыв желточной оболочки (оболочки оплодотворения) и выход активно плавающей бластулы в окружающую среду.
Для иглокожих типична гаструляция путем инвагинации эпителия вегетативной области бластулы. Вегетативная пластинка изгибается, образуя впячивание. Одновременно с изгибанием происходит инволюция, или перемещение клеток, расположенных по периметру возникшего широкого бластопора, внутрь зародыша. Благодаря этим двум процессам образуется относительно короткая и широкая первичная кишка — архентерон. У морского ежа процесс инвагинации предваряется ингрессией (вселением) в полость бластулы первичной мезенхимы, клетки которой образуются из крупных микромеров. Первичная мезенхима представляет собой популяцию скелетогенных клеток, которые образуют кольцо и два симметричных скопления в вегетативной области, где и начинается формирование скелетных игл личинки.
Следующий этап гаструляции обусловлен реаранжировкой клеток архентерона, в результате которой первичная кишка становится длинной и узкой. Из вершины архентерона у морского ежа выселяется вторичная мезенхима, клетки которой образуют длинные нитчатые отростки — филоподии. Полагают, что эти клетки соединяются при помощи своих отростков с архентероном и стенкой бластулы и благодаря сокращению филоподий могут участвовать в растяжении архентерона. По-видимому, вторичная мезенхима участвует и в морфогенетических процессах, связанных с изгибанием первичной кишки в сторону будущей оральной области. При этом изгибании архентерона происходит его сближение с эктодермой личинки, которая инвагинирует и образует стомодеум. В области контакта образуется ротовое отверстие, тогда как первичный рот — бластопор становится анусом личинки.
Одновременно с этим у морских ежей происходит сужение анимальной области гаструлы и расширение вегетативной так, что личинка приобретает коническую форму — стадия призмы. На этой стадии становится отчетливой орально-аборальная ось. Бывшая вегетативная область с бластопором становится брюшной стороной личинки.
Если спецификация анимально-вегетативной оси зародыша, которая проявляется в образовании венцов эктодермы, энтомезодермы и скелетогенной мезенхимы, обусловлена процессами, происходящими в период гаметогенеза, то положение орально-аборальной оси у морских ежей фиксируется уже после оплодотворения, на стадии дробления. Заметную роль в предопределении местоположения орально-аборальной оси играет, как оказалось, интенсивность окислительно-восстановительных процессов. Усиление окислительных процессов способствует формированию оральной области, их подавление, наоборот, дает преимущество развитию аборальных структур. Асимметрия дыхательных процессов коррелирует с дифференциальной активностью гена РЗА2, который служит негативным регулятором, репрессирующим ген Cyllla в проспективной оральной эктодерме (Coffman, Davidson, 2001).
Непосредственно перед образованием ротового отверстия из состава первичной кишки выделяется целомическая мезодерма. Этот процесс у разных видов иглокожих протекает различно. Чаще всего целомический мешок возникает на вершине архентерона (непарный энтероцель), хотя иногда целомические мешки возникают как парное образование на боковых стенках первичной кишки. Непарный мешок личинки морского ежа подразделяется на правый и левый целомы. Они, в свою очередь, делятся перешнуровками на передний, средний и задний отделы — аксоцель, гидроцель и соматоцель соответственно. На основе левых аксо — и гидроцеля происходит развитие амбулакральной системы животного Левый аксоцель дает начало поровому каналу, а левый гидроцель в ходе развития принимает форму 5-лопастного диска и впоследствии формирует амбулакральное кольцо, основу водно-сосудистой системы взрослого животного. Правые аксо — и гидроцели часто дегенерируют, а соматоцели обычно образуют мезентерий и целомическую выстилку полости тела.
Развитие иглокожих обычно непрямое, хотя у многих видов развитие с личинкой может утрачиваться. При непрямом развитии после гаструляции формируется личинка, которая затем претерпевает метаморфоз и превращается во взрослое животное.
Имеется два основных типа развития с личинкой: развитие с планктотрофной личинкой типа диплеврулы, которая питается микроскопическими организмами планктона, и развитие с лецитотрофной личинкой, т. е. личинкой, имеющей большие запасы питательных веществ в виде желтка, синтезированного еще в период оогенеза в материнском организме. В первом случае личинки имеют разнообразные приспособления к пелагическому образу жизни. У морских звезд пелагическая личинка носит название бипиннарии, голотуриям свойственны личинки аурикулярии (от лат. auricula — мочка уха). Для этих личинок характерны разнообразные лопасти тела, по которым проходит ресничный шнур, основной локомоторный орган личинки. На более поздних стадиях, перед метаморфозом, у голотурий образуются долиолярии (от лат. doliolum — бочонок). У долиолярии нет извилистого ресничного шнура. Ее тело окаймлено четырьмя — пятью ресничными кольцами. Долиолярии не питаются и претерпевают быстрый метаморфоз.
У морских ежей и офиур формируются так называемые плутеусы (от лат pluteus — стена из ивовых прутьев), соответственно эхиноплутеусы и офиоплутеусы. Плутеусы обладают длинными, поддерживаемыми внутренним скелетом выростами — руками («ивовые прутья»), по периметру которых, окаймляя оральную поверхность личинки, проходит ресничный шнур.
При развитии с лецитотрофной личинкой независимо от таксономической принадлежности у иглокожих обычно образуются личинки типа долиолярии.
Метаморфоз у иглокожих животных сложный и, пожалуй, не имеющий аналогий морфогенетический процесс, в ходе которого происходит преобразование билатерального типа организации тела в радиальный. В настоящее время о механизмах этого процесса, в том числе и о его молекулярно-биологических основах, практически ничего не известно. Увлекательная расшифровка этого своеобразного явления еще впереди.
При метаморфозе у иглокожих в теле билатеральной личинки образуется радиально-симметричный зачаток будущей дефинитивной формы, который называют имагинальным диском, или имагинальным зачатком. У морского ежа образование этого зачатка связано с перестройкой левого гидроцеля, который принимает форму 5-лопастного диска. Другой составляющей имагинального зачатка служит впячивание эктодермы на левой же стороне тела личинки. Это впячивание называют амниотическим. Амниотическое впячивание иногда полностью отшнуровывается от поверхности тела в виде замкнутого мешочка, хотя у некоторых видов оно может сохранять связь с внешней средой. Утолщенная эктодерма, которая образует дно амниотической полости, в области 5-лучевого гидроцеля также становится 5-угольной и представляет собой зачаток органов оральной области будущего животного. Во время метаморфоза на правой стороне личинки начинают формироваться органы аборальной области морского ежа. Одновременно происходит редукция личиночных органов, перестройка кишечника и развитие дефинитивного скелета.