Исследований по развитию рептилий сравнительно немного, но тем не менее они свидетельствуют о принципиальном сходстве эмбриогенеза рептилий и птиц.
Напротив, развитие птиц исследовано весьма детально, хотя и в этом случае обращает на себя внимание очень ограниченный круг объектов: подавляющее большинство работ выполнено на курином зародыше. Среди исследователей эмбрионального развития цыпленка были такие выдающиеся естествоиспытатели, как Аристотель, Гарвей, Мальпиги, Вольф, Бэр. Подробное современное описание последовательных стадий развития куриного эмбриона после откладки яиц дано Гамбургером и Гамильтоном (Hamburger, Hamilton, 1951), а до откладки яйца — Эйял-Гилади и Кохав (Eyal-Giladi, Kochav, 1976).
Строение яйца. Яйцеклетка Sauropsida непосредственно после овуляции имеет вид крупного желточного шара, на поверхности которого расположена в виде небольшого диска цитоплазма с ядром. У курицы диаметр этого диска составляет 3-4 мм. В верхних отделах яйцевода ооцит окружается несколькими слоями белковых оболочек. Эти оболочки служат источником влаги, а на заключительном этапе развития используются как пищевой ресурс. В более дистальных отделах яйцевода формируются пленчатые подскорлуповые оболочки. Процесс формирования оболочек завершается в конечном отделе яйцевода, где образуется внешняя известковая скорлуповая оболочка. Скорлупа, будучи механической защитой зародыша, вместе с тем служит для него источником кальция.
Снесенное яйцо курицы окружено известковой скорлупой, под которой располагается пленчатая подскорлуповая оболочка, ограничивающая пространство, заполненное белковой оболочкой. Подскорлуповая оболочка у тупого конца яйца расслаивается, образуя воздушную камеру. По своему происхождению все эти оболочки являются третичными, т. е. они образуются благодаря активности клеток яйцевода. На поверхности самой яйцеклетки находится желточная оболочка, которая имеет сложный состав. В ее основе лежит первичная желточная оболочка, вырабатываемая самой яйцеклеткой, и вторичная оболочка — zona radiata, которая образуется при участии фолликулярных клеток. Позднее, при попадании яйца в выводящие половые пути, возникает третий компонент желточной оболочки, представленный белковыми нитями, которые прочно связываются с основой. Свободные концы этих нитей отходят в экваториальной области яйцеклетки в виде двух диаметрально расположенных массивных белковых тяжей. По мере прохождения яйца по яйцеводу белковые тяжи спирально закручиваются и образуют халазы. Эти своего рода эластичные опорные элементы удерживают яйцеклетку в одном и том же положении относительно длинной оси яйца.
После овуляции и попадания в воронку яйцевода яйцеклетка, не имеющая еще третичных оболочек, оплодотворяется проникающими в эту область спермиями. Через поры желточной оболочки в яйцо попадает несколько сперматозоидов, из которых только один превращается в мужской пронуклеус. Оплодотворение инициирует завершение мейотического деления. Спустя примерно пять часов после оплодотворения, когда яйцо попадает в дистальную часть яйцевода, где расположена известковая железа, начинается дробление.
Дробление. У Sauropsida дробление меробластическое. Оно затрагивает лишь цитоплазматический диск, т. е. носит дискоидальный характер. Первые две борозды проходят перпендикулярно друг другу. На этой стадии бластомеры разделены только в центральной области диска, тогда как на периферии они сохраняют между собой связь. Следующие борозды проходят параллельно первой, приводя к образованию восьми бластомеров. Начиная с четвертого деления дробления, когда возникает кольцевая борозда, появляются обособленные центральные бластомеры и соединенные между собой маргинальные периферические. Возникающие в это время горизонтальные борозды, которые проходят в плоскости, параллельной поверхности яйца, отделяют центральные бластомеры от желтка. В результате этого в центральной области бластодермы формируется подзародышевая полость. К моменту снесения яйцо проходит приблизительно 14 делений зиготы, так что бластодерма только что отложенного яйца насчитывает около 60 тыс. клеток.
Детерминация передне-задней оси. В период нахождения яйца в матке, который продолжается около 20 часов, благодаря перистальтическим сокращениям мускулатуры матки яйцо вращается вокруг своей длинной оси со скоростью 10— 15 оборотов в час. При этих условиях бластодерма также несколько смещается в направлении вращения так, что зародышевый диск располагается под некоторым углом к горизонтальной плоскости. При этом скорлупа и белковая оболочка вращаются вокруг желтка, положение которого относительно центра тяжести стационарно. Оказалось, что это имеет большое значение для детерминации будущего заднего конца и оси билатеральной симметрии зародыша. Выяснилось, что задний конец зародыша формируется именно в области бластодиска, приподнятой относительно горизонтальной плоскости. Зависимость детерминации заднего конца зародыша птиц от силы гравитации была доказана экспериментально в опытах на неснесенных яйцах, взятых из матки до детерминации передне-задней оси зародыша (Kochav, Eyal-Giladi, 1971).
Гипобласт. Дробление завершается образованием бластодиска, который состоит из нескольких слоев клеток. Бластодиск отделен от желтка суббластодермальной полостью, которая заполнена жидкостью, секретируемой клетками бластодермы. Центральная область бластодиска истончается в результате выселения клеток в полость, где они, по-видимому, погибают. Периферические клетки диска, лежащие на желтке, в этом процессе не участвуют. Таким образом в центральной части бластодиска образуется светлая зона, или area pellucida (от лат. pellucidus — прозрачный), представленная одним слоем клеток. На периферии бластодиска расположена кольцеобразная непрозрачная темная область, area opaca (от лат. opacus — тусклый, темный), состоящая из нескольких слоев клеток, которые лежат непосредственно на желтке. На стадии своего формирования бластодиск морфологически характеризуется радиальной симметрией area pellucida и area ораса. Тем не менее, экспериментально показано, что на этой стадии уже специфицирована переднезадняя ось зародыша.
Особенностью эмбрионального развития птиц является формирование еще до начала гаструляции провизорного внутреннего листка зародыша — гипобласта. Образование гипобласта происходит в два этапа. Сначала из бластодермы выселяются клетки, которые дают разрозненные группы в подзародышевой полости — так называемый первичный гипобласт. Следующий этап связан с активностью задней области зародыша, которая характеризуется высоким уровнем метаболизма и интенсивной клеточной пролиферацией.
В задней области area pellucida расположен серповидный клеточный гребень, так называемый серп Раубера Коллера. Из области серпа происходит выселение клеток, которые активно перемещаются с помощью амебоидных движений. Образовавшийся клеточный фронт распространяется под эпибластом в переднем направлении, соединяясь по мере продвижения с выселившимися ранее отдельными клетками первичного гипобласта. В результате описанной ингрессии клеток и их направленному движению в центральной области бластодиска формируется внутренний, лежащий под эпибластом слой — вторичный гипобласт, который часто называют просто гипобластом.
Клетки гипобласта связаны между собой плотными контактами, но лежат изолировано от клеток area ораса. Оказалось, что клетки эпибласта и гипобласта имеют разные антигенные свойства, и при смешивании дезагрегированные клетки этих зачатков обнаруживают способность к сортировке.
Возникший таким способом гипобласт выполняет исключительно важную роль в формировании оси зародышевой полоски, а именно играет роль своего рода индуктора, под действием которого в бластодиске позднее возникает продольно ориентированный зародыш — первичная полоска. Таким образом, появление гипобласта определяет положение трех осей будущего тела животного: передне-задней, или рострокаудальной, дорсо-вентральной и, наконец медиальной.
Гаструляция. Начало гаструляции обусловлено возникновением двигательной активности клеток эпибласта. Движение клеток в левой и правой половинах зародыша зеркально симметрично. В левой половине зародыша клетки эпибласта обнаруживают круговое движение против часовой стрелки, направленное в сторону каудальной области. В правой половине аналогичное движение происходит по часовой стрелке. В результате этого движения, которое иногда называют «движением полонеза», на заднем конце эпибласта образуется скопление клеток — зачаток первичной полоски.
Первичная полоска на этой стадии имеет вид небольшого клина, своим острием направленного вперед. Впоследствии этот зачаток распространяется по срединной линии вперед и превращается в среднюю, а затем в дефинитивную первичную полоску. Первичная полоска птиц представляет собой область зародыша, в которой клетки эпибласта превращаются в зародышевые листки — эктодерму, мезодерму и энтодерму. Энтодерма и мезодерма образуются вследствие миграции клеток эпибласта из состава полоски. Этот процесс выселения клеток из пласта называют ингрессией. В ростральной половине зародышевого диска входящие в состав эпибласта проспективные эктодермальные клетки движутся в направлении полоски и путем ингрессии попадают под эпибласт и оттесняют клетки гипобласта в ростральном направлении к границе между area pellucida и area ораса. Аналогичным образом мигрируют в гипобласт и первичные половые клетки, а также клетки презумптивной внезародышевой мезодермы.
В каудальной половине зародышевого диска в направлении полоски движутся клетки, потомки которых образуют мезодерму. Сначала образуется внезародышевая мезодерма, входящая в состав провизорных органов. Позднее сходным образом образуется и мезодерма зародыша. После ингрессии через первичную полоску клетки мезодермы располагаются между эпибластом и формирующейся энтодермой, при этом зародыш становится трехслойным. Через ростральный конец полоски, который называется гензеновским узелком, в переднем направлении поступает материал мезенхимы головы и будущей хорды. В средней части первичной полоски в латеральном направлении выселяется мезодерма, образующая впоследствии сомиты и латеральную мезодермальную пластинку.
Важным элементом формообразования на стадии гаструляции служит регрессия полоски: в результате смещения гензеновского узелка в каудальном направлении полоска укорачивается. Поскольку одновременно с этим движением гензеновского узелка продолжается ингрессия хордомезодермы, материал зачатка хорды постепенно занимает медиальное положение вдоль всего тела формирующегося зародыша. Благодаря миграции клеток мезодермы и энтодермы в эпибласте остаются лишь эктодермальные элементы, дающие начало нервной системе и покровам зародыша. На завершающем этапе регрессии первичная полоска образует хвостовую почку, материал которой является источником как нервных, так и мезодермальных элементов хвоста.
Таким образом, можно констатировать, что плоскостная организация зародыша птиц и значительные линейные параметры бластодиска коррелируют с видоизменением механизмов гаструляции у птиц. Образование первичной полоски, в области которой происходит ингрессия клеток презумптивной энтодермы и презумптивной мезодермы, у птиц предваряется формированием гипобласта. Наличие гипобласта, обладающего способностью индуцировать образование первичной полоски, — новый элемент раннего морфогенеза, который реализуется перед собственно гаструляцией и который отсутствует у амфибий.
Обращают на себя внимание и масштабные перемещения материала презумптивной мезодермы и энтодермы еще в составе эпибласта. Ингрессия этих клеток и формирование из них разнообразных зачатков (проспективная энтодерма, проспективная мезодерма головы, хордомезодерма, проспективная мезодерма сердца, проспективная мезодерма сомитов и т. д.) происходят по мере того, как они достигают соответствующих позиций вдоль зародышевой полоски. Процесс ингрессии не беспорядочен: он сосредоточен в области медиальной оси зародыша, что морфологически проявляется в образовании первичной бороздки в области полоски и ямки в области гензеновского узелка.
Это эволюционное новшество, которое присуще птицам и которое, судя по сведениям о раннем развитии крокодилов, характерно и для некоторых современных рептилий, берущих, как и птицы, свое начало от псевдозухий, возникло в глубокой древности. Можно предположить, что описанное видоизменение гаструляции возникло после ответвления линии, ведущей к черепахам.
У черепах процесс гаструляции сохраняет черты сходства с гаструляцией Anamnia. В ходе дробления у черепах также образуется бластодиск, подразделенный на светлое и темное поля. Поверхностные клетки бластодиска в области area pellucida имеют вид однослойного столбчатого эпителия и образуют зародышевый щиток. Клетки, лежащие в глубине диска, отграничивают полость бластулы от желтка. В периферической зоне зародышевого щитка в области будущего заднего конца зародыша образуется округлое скопление клеток, или первичная пластинка. В центре первичной пластинки возникает гастральное впячивание и образуется бластопор. Через переднюю (верхнюю) губу бластопора происходит инволюция клеток зародышевого щитка, лежащих впереди от первичной пластинки. Через боковые губы инволюирует материал, лежащий латерально относительно бластопора. Дно архентерона образуется за счет клеток, поступающих сюда из задней области первичной пластинки. Проходящие через верхнюю губу бластопора клетки после подворачивания под эктодерму движутся в переднем направлении и дают хордомезодерму. Презумптивная мезодерма, образующая нижнюю часть архентерона и находящаяся в контакте с энтодермой, начинает смещаться в верхнем направлении. При этом мезодермальный материал в виде однослойной пластинки распространяется под зародышевым щитком между эктодермой и энтодермой. Вследствие этого перемещения клеток нижняя стенка архентерона разрыхляется, а затем и полностью исчезает, в результате чего бластопор через возникший нейрокишечный канал получает связь с полостью желточного мешка.
Отмеченные различия процессов гаструляции у птиц и черепах иногда объясняют (П. П. Иванов, 1937) тем, что эволюция онтогенеза птиц была связана, в частности, с преобразованием первичной пластинки предковых форм в первичную полоску. Это видоизменение привело к утрате открытого бластопора и к превращению его в щелевидную вытянутую вдоль всей полоски область ингрессии клеток эпибласта. К сожалению, раннее развитие рептилий изучено совершенно недостаточно для построения эволюционных гипотез.
Туловищные складки. Особенностью эмбриогенеза Amniota является образование туловищных складок, в состав которых входят производные всех трех зародышевых листков, и которые отделяют зародыш от внезародышевых структур. Появление в эмбриогенезе туловищных складок— головной, двух боковых (латеральных) и хвостовой (каудальной) — служит прологом к формированию трехмерной организации зародыша, до этого распластанного на поверхности желтка в виде диска.
Головная туловищная складка возникает непосредственно впереди зачатка головного мозга в виде полумесяца, выпуклая сторона которого обращена кпереди. Головная складка распространяется в каудальном направлении, обособляя формирующуюся голову от бластодиска. Вследствие углубления головной складки в заднем направлении возникает субцефалический (подголовной) карман. выстланный эктодермой, и короткая энтодермальная трубка — передняя кишка.
Распространяясь назад, головная складка соединяется с боковыми туловищными складками, которые растут в медиальном направлении, формируя кишечную трубку и приподнимая тело зародыша над желтком.
Несколько позднее закладывается хвостовая туловищная складка. Эта складка врезается в переднем направлении, образуя субкаудальный (подхвостовой) карман и заднюю кишку. Туловищные складки, двигаясь в направлении центра бластодиска, смыкаются и образуют стебелек, который соединяет среднюю кишку с желточным мешком. С помощью стебелька зародыш связан с расположенными вне зародыша оболочками.
Зародышевые оболочки. Как уже отмечалось, зародыши Amniota имеют сложную систему оболочек, провизорных органов, обеспечивающих развитие зародыша. Среди этих органов различают желточный мешок, амнион и аллантоис.
Желточный мешок образуется в результате разрастания внезародышевой спланхноплевры по поверхности желтка. Энтодерма желточного мешка переходит непосредственно в энтодерму средней кишки зародыша. Область соединения средней кишки с желточным мешком в ходе развития сужается и превращается в желточный проток. В мезодермальном листке желточного мешка (внезародышевая висцеральная мезодерма) формируется обширная сосудистая сеть. Растворимые продукты, которые образуются при переваривании желтка энтодермой, через желточные вены поступают в зародыш.
Амнион и хорион закладываются одновременно в виде единой амниотической складки внезародышевой соматоплевры, состоящей из эктодермы и париетального мезодермалыюго листка. Сначала эта складка появляется впереди головы — головная амниотическая складка, затем она распространяется в каудальном направлении. В области туловища образуются боковые складки, которые растут дорсомедиально и срастаются по средней линии. Наконец, образуется и хвостовая амниотическая складка, рост которой направлен вперед. В области соединения растущих навстречу друг другу складок сначала образуется амниотический шов. Затем эктодермальные и мезодермальные листки встретившихся складок сливаются, в результате чего возникают две оболочки. Наружная оболочка, или хорион состоит из внезародышевой эктодермы, обращенной к подскорлуповой оболочке, и мезодермы. Внутренняя оболочка, или амнион состоит из наружной мезодермы и обращенной к зародышу эктодермы. Эктодерма и мезодерма амниона являются непосредственным продолжением соответствующих листков зародыша. Эктодермальный эпителий амниона дифференцируется и секретирует амниотическую жидкость, заполняющую амниотическую полость, пространство между зародышем и амниотической оболочкой. Полость между хорионом и амнионом представляет собой экзоцелом, выстланный внезародышевой соматической мезодермой. В мезодермальном листке амниона формируются кровеносные сосуды и гладкие мышечные элементы, обеспечивающие ритмические сокращения амниона.
Аллантоис представляет собой вырост клоакального отдела задней кишки. Внутренняя полость этого органа формируется за счет энтодермального эпителия. Снаружи аллантоис покрыт висцеральной мезодермой. Разрастаясь, аллантоис попадает в экзоцелом. Внешняя стенка аллантоиса, покрытая висцеральной мезодермой, срастается с мезодермой хориона. В результате этого срастания возникает новый орган — хориоаллантоис. Клетки эктодермы хориона сильно уплощаются, и многочисленные капилляры, формирующиеся в мезодермальном листке хориоаллантоиса, оказываются в непосредственной близости от подскорлуповой оболочки. Такая топография обеспечивает высокий уровень газообмена, т. е. выведения углекислого газа и поглощения кислорода. Кровеносная сеть хориоаллантоиса связана с кровеносной системой зародыша пупочными венами и артериями. Кроме функции дыхания хориоаллантоис обеспечивает извлечение из известковой оболочки кальция и его транспорт, который используется зародышем, в частности при формировании костного скелета. Кроме того аллантоис, будучи выростом клоакального отдела пищеварительной системы, куда открываются и выводные протоки почек, служит органом накопления продуктов обмена, которые выводятся из зародыша в течение эмбрионального периода развития.