Млекопитающие — высшая ступень эволюции животных.
В процессе эволюции млекопитающих в отряде приматов возникло семейство Hominidae, представленное в настоящее время одним видом Homo sapiens, что означает Человек разумный. Мыслительная способность Человека разумного вывела Природу на принципиально новую ступень развития, на ступень самопознания.
Млекопитающие насчитывают, по оценкам специалистов, до 4500 видов, которые заселяют все страны света. Млекопитающие характеризуются огромным разнообразием форм. Наряду с наземными животными имеются настоящие водные звери — ластоногие, которые только размножаются вне водной среды, а также китообразные и сиреновые, у которых и размножение происходит в воде. Хорошо известны рукокрылые, освоившие воздушную среду.
Класс Млекопитающие подразделяется на два подкласса. Подкласс Первозвери (Prototheria), в составе которого имеется лишь один отряд — Однопроходные (Monotremata), и подкласс Настоящие звери (Tlieria), насчитывающий 19 отрядов. Подкласс Theria состоит из двух инфраклассов: Низшие звери (Metatlieria) и Высшие звери (Eutheria). Metatheria представлены одним отрядом — Сумчатые (Marsupialia) (от лат. marsupium — небольшая кошелка).
Внешними отличительными особенностями млекопитающих служат волосяной покров и наличие молочных (грудных) желез. Волосяной покров способствует поддержанию гомеотермии. Молочные железы — важнейшее завоевание эволюции животных— представляют собой видоизмененные потовые железы. С помощью этих желез обеспечивается вскармливание детенышей. Именно от латинского названия грудной железы (mamma) происходит и наименование всего класса — Mammalia. Из многочисленных анатомических особенностей млекопитающих отметим лишь наличие двух желудочков в сердце, альвеолярные легкие и гипертрофированный мозг.
Названные выше крупные таксономические группы млекопитающих различаются стратегией размножения.
Однопроходные, объединяющие ехидн и утконосов, — яйцекладущие млекопитающие. Оплодотворенное яйцо поступает по яйцеводу в клоаку, а затем откладывается. Оно снабжено прочной скорлупой. У ехидн самки вынашивают яйца в особой сумке. Утконосы высиживают яйца в гнезде, как птицы.
У сумчатых млекопитающих из отряда Marsupialia зародыш развивается в матке в течение кратковременной беременности. У сумчатой мыши, например, она длится всего 9 дней. После рождения развитие зародышей продолжается в сумке, где расположены соски грудных желез.
У высших, или плацентарных млекопитающих зародыш вскоре после дробления имплантируется в ткани матки так, что между тканями плода и матери устанавливается непосредственная связь. У этих животных образуется настоящая плацента, которая через кровеносную систему обеспечивает плод необходимым питанием и осуществляет газообмен. Продолжительность беременности у высших млекопитающих существенно больше, чем у сумчатых. У слонов она длится почти два года.
Дробление. Яйца у однопроходных, так же как у рептилий и птиц, телолецитальные. Они имеют сравнительно крупные размеры и богаты желтком. Дробление меробластическое. В результате дробления, как у Sauropsida, формируется бластодиск. Периферические клетки бластодиска отличаются амебоидной подвижностью. Они образуют окаймляющее диск зародышевое кольцо. Клетки зародышевого кольца и диска распространяются по поверхности желтка центробежно. В результате этого образуется однослойная бластодерма, и зародыш принимает сферическую форму. Зародыш на этой стадии называют бластоцистой. За счет желтка бластоциста быстро растет. Из бластодермы в подзародышевую полость выселяются клетки, которые оседают на поверхности желтка и, делясь, образуют внутренний эпителиальный пласт, после чего зародыш становится двухслойным. Внешний слой клеток называют эпибластом, тогда как внутренний, лежащий на желтке, гипобластом.
У сумчатых яйца мелкие с ограниченным содержанием желтка. Диаметр яйца опоссума составляет 130 мкм, сумчатой куницы — около 200 мкм. В начале дробления происходит дейтоплазмолиз, т. е. выталкивание желтка из бластомеров под яйцевую оболочку. Дробление имеет голобластический характер. Важную роль в формировании зародыша играет гликопротеиновая оболочка яйца — zona pellucida. Внутренняя поверхность zona pellucida обладает сильными адгезивными свойствами. Клетки дробящегося зародыша распластываются на этой поверхности и образуют эпителиальный слой, окружающий бластоцель, в котором находится вытолкнутый из яйца желток. Образуется однослойная бластоциста.
Особенностью эмбрионального развития сумчатых, которая, по-видимому, характерна для всего подкласса Tlieria, является ранняя спецификация клеток бластоцисты. В бластоцисте различают эмбриобласт, из которого образуется собственно зародыш, и трофобласт, который обеспечивает имплантацию зародыша и его взаимодействие с тканями матки. Механизмы этой спецификации еще не раскрыты, хотя у некоторых сумчатых отмечается определенная топографическая связь между местом образования эмбриобласта и локализацией желтка.
У высших млекопитающих яйца имеют небольшие размеры, варьируя обычно в пределах 70-120 мкм. Так, у крысы диаметр яйца составляет 70 мкм, у мыши — 75 мкм, у кролика и человека — 120 мкм. По количеству желтка их можно отнести к алецитальному или олиголецитальному типу. Дробление асинхронное, голобластическое часто неравномерное происходит во время перемещения яйца по яйцеводу. Клеточные циклы в период дробления у млекопитающих отличаются значительной продолжительностью (12 часов и более), что, возможно, связано с ранней спецификацией клеток. Тип дробления — ротационный. Положение плоскостей дробления в каждом бластомере устанавливается автономно. Бластомеры обладают ярко выраженными адгезивными свойствами.
У многих высших млекопитающих, в том числе у лошади, летучей мыши, крысы, также обнаружен дейтоплазмолиз (Г. А. Шмидт, 1953). Этот желток утилизируется зародышем, по-видимому, благодаря тому, что клетки образующегося позже трофобласта вырабатывают протеазы, которые способствуют разрушению оболочки яйца перед имплантацией.
На стадии восьми бластомеров заметно изменяются адгезивные свойства клеток. Между бластомерами образуются плотные контакты. В результате происходит компактизация зародыша — явление, характерное, по-видимому, только для высших млекопитающих. В ходе компактизации отдельные бластомеры утрачивают внешнюю индивидуальность, и тесно прилегают друг к другу. Наличие плотных контактов изолирует внутреннюю область зародыша от внешней среды. На стадии 16 клеток зародыш принимает вид морулы. Клетки, находящиеся внутри морулы, связаны между собой щелевыми контактами. Как и у сумчатых, клетки зародыша высших млекопитающихся рано специфицируются, образуя расположенный снаружи трофобласт и внутреннюю область — эмбриобласт. За счет трофобласта впоследствии формируется хорион зародыша, который участвует в имплантации и входит в состав детской части плаценты. Эмбриобласт, или зародышевый узелок представляет собой полярно расположенное скопление клеток, известное в современной литературе как внутренняя клеточная масса (ВКМ). Клетки ВКМ при дальнейшем развитии образуют сам зародыш, а также его провизорные органы — амнион, аллантоис, желточный мешок. На стадии 64 клеток на долю ВКМ приходится примерно 25% клеток зародыша.
Эпителиальные клетки трофобласта осуществляют активный транспорт ионов и создают осмотический градиент, благодаря которому в морулу поступает жидкость. При этом происходит образование полости — процесс, который называется кавитацией (от лат. cavitas — полость). Пузыревидный зародыш, или бластоциста состоит из трех областей: 1) клетки трофобласта, отграничивающие полость бластоцисты, так называемый муральный (от лат. murus — стена) трофобласт, 2) клетки трофобласта, находящиеся на поверхности ВКМ, — полярный трофобласт, или рауберов слой; 3) зародышевый узелок, или внутренняя клеточная масса. Некоторые авторы называют зародышевый узелок с учетом плюрипотентности составляющих его клеток плюрибластом.
Начальная дифференциация ВКМ состоит в обособлении гипобласта — тонкого слоя клеток, который непосредственно граничит с полостью бластоцисты. Из гипобласта образуется внезародышевая энтодерма, которая впоследствии входит в состав желточного мешка. Клетки ВКМ, находящиеся в контакте с рауберовым слоем, образуют эпибласт — зачаток, клетки которого в ходе гаструляции дают все три зародышевых листка.
Развитие бластоцисты у однопроходных, сумчатых и плацентарных млекопитающих представляет собой яркий пример так называемой эквифиналъности, в ходе которой у разных типов животных одна и та же структура возникает за счет активности различных механизмов. У однопроходных в образовании сферического зародыша ведущую роль играет перемещение клеток по поверхности желтка. Возможно, что движению клеток, как и у птиц, способствует желточная оболочка. У сумчатых распространение клеток происходит по zona pellucida, в то время как у высших млекопитающих бластоциста образуется прежде всего за счет кавитации зародыша.
Гаструляция. Принципиальная схема формирования зародышевых листков у млекопитающих в известной мере сходна с процессами, происходящими у птиц. У однопроходных наблюдается ингрессия клеток бластодиска. Попадая в подзародышевое пространство, эти клетки образуют гипобласт — сначала рыхлый, а позднее плотный слой клеток, подстилающий эпибласт. Между эпибластом и гипобластом формируется полость. В эпибласте возникает зародышевая полоска, которая служит источником эктодермы, мезодермы и энтодермы. Производные этих трех листков распространяются по поверхности желтка и образуют желточный мешок.
У сумчатых способы образования гипобласта несколько варьируют. У некоторых видов образуются гигантские клетки-родоначальницы, которые мигрируют под эпибласт и путем интенсивной пролиферации формируют гипобласт. У других видов происходит ингрессия клеток, которые по размерам не отличаются от клеток эпибласта. Так или иначе, но первым шагом к образованию зародышевых листков у сумчатых служит формирование двухслойного зародыша. Позднее формируется зародышевая полоска с гензеновским узелком, клетки которой мигрируют с образованием энтодермы и мезодермы.
Наиболее подробно процесс гаструляции исследован у высших млекопитающих. Здесь гипобласт образуется путем своеобразной деламинации, в ходе которой клетки эмбриобласта, обращенные к полости бластоцисты, отделяются от клеток наружных слоев базальной мембраной. Клетки гипобласта распространяются по внутренней поверхности трофэктодермы, которая ограничивает полость бластоцисты, образуя таким образом энтодерму провизорного органа, который, как у сумчатых и однопроходных, называют желточным мешком. Позднее, когда сформируется и мезодермальный листок этого органа, за счет которого развивается плотная сеть кровеносных сосудов, «желточный мешок», который, естественно, не содержит желтка и лишь ограничивает полость бластоцисты, превращается в орган, обеспечивающий связь зародыша с материнским организмом.
Полярная трофэктодерма, находящаяся в непосредственном контакте с ВКМ, пролиферирует и образует заметное клеточное скопление. Внешние слои этого скопления, разрастаясь в слизистой оболочке матки, у мышевидных грызунов дают эктоплацентарный конус, с помощью которого зародыш закрепляется в тканях матки. Внутренние слои скопления, лежащие между эктоплацентарным конусом и эмбриобластом, являются источником внезародышевой эктодермы, которая впоследствии входит в состав хориона.
Эпибласт, т. е. те клетки ВКМ, которые остаются после выделения гипобласта, как и у птиц, является зачатком, который, как было уже сказано, дает начало всем тканям собственно зародыша, а также внезародышевые мезодерм альные компоненты амниона, желточного мешка, хориона и аллантоиса.
Появлению зародышевых листков предшествует образование у мыши яйцевого цилиндра в результате направленного роста эпибласта в полость бластоцисты. При этом эпибласт, который первоначально представляет собой диск столбчатых клеток, складывается в виде уплощенного мешочка. Область, оказавшаяся внутри мешочка, соответствует поверхности диска птиц. Наружная стенка мешочка покрыта первичной энтодермой и гомологична внутренним слоям бластодиска птиц. Соответственно этой топографии первичная полоска у мышевидных грызунов формируется на внутренней (вогнутой) поверхности яйцевого цилиндра. Возникновение полоски, как и у других Amniota, знаменует собой формирование продольной билатеральной оси зародыша. Дальнейшее развитие полоски связано с возникновением гензеновского узелка, ингрессией материала энтодермы и мезодермы, и формированием комплекса осевых зачатков, типичных для всех позвоночных. Вселяющиеся под поверхностный слой эпибласта клетки образуют энтодерму зародыша, хорду и осевую мезодерму. Сопоставление карт презумптивных зачатков у высших млекопитающих и птиц выявляет большое сходство в топографии презумптивных зачатков.
Зародышевые оболочки. У млекопитающих имеются все виды провизорных органов, характерных для A mniota, — желточный мешок, амнион, хорион и аллантоис. Эти структуры, за исключением хориона, образуются за счет материала зародышевого узелка.
Амнион у целого ряда млекопитающих закладывается на стадии дефинитивной первичной полоски в виде складок соматоплевры, которые затем смыкаются над зародышем, образуя, как и у птиц, обращенную к зародышу амниотическую оболочку, экзоцелом и хорион. У многих млекопитающих, однако, механизм формирования амниотической оболочки утратил свои примитивные черты, и мезодермальная составляющая этого органа, которая отсутствует в начальный период, появляется существенно позже эктодермальной. Например, у человека, обезьяны, мыши амнион закладывается в результате расхождения клеток зародышевого узелка. Такой способ формирования амниона называют схизоцельным, или кавитационным (от лат. Cavitus — полость). Клетки, которые ограничивают образующуюся таким образом полость, имеют эктодермальную природу. С одной стороны, это эктодерма зародыша, которая находится в контакте с гипобластом, а с другой — эктодерма амниона, которая располагается под трофобластом. В некоторых случаях полость амниона поначалу ограничивается с одной стороны непосредственно трофобластом. Позднее, однако, боковые стенки эпибласта образуют направленные в сторону полости складки, которые растут и соединяются, образуя полость, ограниченную клетками эктодермы эпибласта. О гомологичных амниону и серозе птиц зародышевых оболочках этих млекопитающих можно говорить лишь после врастания мезодермы. Разные способы формирования амниона могут служить еще одним примеров эквифинальности.
Хорион имеет выраженную гомологию с хорионом птиц только у тех видов, у которых амниотическая оболочка образуется складками соматоплевры. У большинства плацентарных млекопитающих хорион формируется за счет трофэктодермы, без участия эктодермы. На ранних стадиях трофобласт не имеет ворсинок — предворсиночный трофобласт. Позднее образуются первичные ворсинки, имеющие эпителиальную структуру. После вселения в ворсинки мезенхимы говорят о вторичных ворсинках, а после развития в них кровеносных сосудов — о третичных ворсинках.
Аллантоис млекопитающих, будучи выростом спланхноплевры, полностью гомологичен соответствующему провизорному органу птиц. Он разрастается в экзоцеломе, объединяется с хорионом и обеспечивает связь кровеносной системы зародыша с сосудами хориона. По мере ослабления функции желточной плаценты аллантоис все в большей степени берет на себя функцию связующего звена с плацентой. У человека аллантоис остается рудиментарным органом, расположенным в ножке тела плода.
Имплантация. Важным завоеванием, которое от крыло широкие возможности адаптивной эволюции млекопитающих, следует считать возникновение имплантации и плацентации. Живорождение у млекопитающих стало не только средством освоения новых ниш обитания, но и прежде всего условием, обеспечивающим относительно большую продолжительность развития плода, что, в свою очередь, послужило предпосылкой формирования животных с более сложной и совершенной системой дифференциации. В конечном счете эти предпосылки стали одной из причин возникновения приматов, включая и Человека разумного.
Процесс имплантации (от лат. im/in — в, plantatio — посадка) обеспечивает внедрение зародыша в стенку матки. Он характерен для всех представителей подкласса Theria, т. е. для сумчатых и высших млекопитающих. В ветви, которая привела к возникновению Высших зверей, имплантация была дополнена плацентацией, или формированием особого органа — плаценты, выполняющего функцию снабжения зародыша кислородом и питанием за счет материнского организма. Нельзя не заметить, впрочем, что плацента возникает и у некоторых сумчатых (например, у сумчатого барсука Perameles iscodon), и даже у живородящих ящериц, а также у акул и скатов.
Имплантация зародышей происходит на стадии бластоцисты, которая формируется по мере продвижения зародыша по яйцеводам в матку. У человека зародыш попадает в матку на 6-7-й день после оплодотворения. Имплантация становится возможной после освобождения зародыша от яйцевой оболочки zona pellucida. Эта оболочка разрушается под действием своего рода «фермента вылупления» — трипсиноподобной протеазы, которую вырабатывают клетки трофобласта. Под давлением увеличивающейся в объеме бластоцисты ослабленная протеазой zona pellucida разрывается, и зародыш приходит в непосредственный контакт с эпителием, выстилающим полость матки.
Имплантация подразделяется на две фазы: фазу адгезии и фазу инвазии. Благодаря специфической адгезивности клеток трофобласта и прежде всего его клеток, граничащих с эмбриобластом, зародыш связывается с белками внеклеточного матрикса эпителиальной выстилки эндометрия матки. Это прикрепление опосредовано интегринами клеток трофобласта, которые взаимодействуют с коллагеном, фибронектином и другими белками матрикса. Инвазия зародыша в стенку матки происходит вследствие секреции клетками трофобласта протеаз, которые разрушают и матрикс и эпителий матки. При этом клетки трофобласта начинают активно пролиферировать и проникают между клетками стромы матки. Быстрорастущий трофобласт дифференцируется на две области. Если внутренний слой, именуемый цитпотрофобластом, сохраняет клеточное строение, то наружный слой, который непосредственно контактирует с соединительной тканью матки, характеризуется делениями без цитокинеза. В результате образуется синцитиальная структура, называемая синтрофобластом, или синцитиетрофобластом. У человека инвазия зародыша в эндометрий матки происходит на II 12-й день после оплодотворения. Трофобласт после образования гипобласта и мезодермы называют трофэктодермой, а позднее, когда трофэктодерма соединяется с соматическим листком мезодермы, эта структура именуется хорионом. Хорион образует ворсинки и входит в состав плаценты.
Плацентация. Плацента (от лат. placenta — лепешка) представляет собой орган, который формируется тканями плода и материнского организма. Она осуществляет трофическую функцию в период беременности, обеспечивая плод питанием и кислородом.
Со стороны плода в образовании плаценты участвует хорион, который обеспечивает взаимодействие с тканями матки. Хорион срастается с желточным мешком или с аллантоисом, которые у высших млекопитающих служит связующим звеном между плацентой и зародышем. В зависимости от того, связана ли плацента с сосудами желточного мешка или аллантоиса, различают соответственно хориовителлиновую (желточную) и хориоаллантоидалъную плаценту. У одного и того же вида на разных стадиях могут функционировать разные типы плаценты. Желточная плацента описана у броненосцев, летучих мышей, грызунов, насекомоядных, некоторых сумчатых и других млекопитающих. Хориоаллантоидальная плацента имеется у всех Eutheria.
Непосредственный контакт тканей плода с материнским организмом, как уже отмечалось, осуществляет хорион. Иногда эта связь ограничивается, как, например, у свиней, контактом клеток хориона с эпителиальной выстилкой матки — эпителиохориалъная плацента. У жвачных эпителий матки разрушается, и клетки хориона погружаются в соединительную ткань матки. Такая плацента носит название синдесмохориалъной. У хищных клетки хориона контактируют непосредственно с эндотелием кровеносных сосудов матки, что характерно для эндотелиохориалъной плаценты. У приматов, насекомоядных и грызунов образуется гемохориалъная плацента. У этих животных в области контакта тканей матки с хорионом разрушается и эндотелий капилляров. При этом материнская кровь изливается в соединительнотканные лакуны и непосредственно омывает клетки хориона. У некоторых грызунов описана гемоэндотелиальная плацента. В этом случае происходит истончение хориального эпителия, так что его наличие обнаруживается только методами электронной микроскопии. У этих животных кровь матери максимально приближена к эндотелиальной стенке капилляров плода.
Хориоаллантоидальные плаценты различаются топографией ворсинок хориона, обеспечивающих контакт с материнским организмом. Ворсинки могут располагаться в виде единого поля, образуя своего рода диск. Плаценты такого типа называют дисковидными. Дисковидные плаценты характерны для приматов, грызунов и некоторых других млекопитающих. Зональная плацента характеризуется наличием округлой полосы хориальных ворсинок (хищники, тюлени). Наконец, ворсинки могут группироваться в виде отдельных пятен — котиледонов (от фр. cotyledon — семядоля). Котиледонная, или диффузная плацента характерна для жвачных животных.
Проникновение клеток хориона в ткани эндометрия вызывает ответную реакцию. Фибробласты стромы матки в области имплантации зародыша интенсивно пролиферируют, полиплоидизируются и заметно увеличиваются в размерах, образуя эпителиоидную ткань. Эта видоизмененная ткань входит в состав материнской части плаценты и во время родов вместе с зародышевыми оболочками (послед) отторгается от матки. Поэтому ее называют децидуальной тканью (от лат. decido падать, ниспадать). Децидуальная реакция, в результате которой возникают специализированные децидуальные клетки, играет важную роль в создании иммунологического барьера, предотвращающего взаимодействие иммуноглобулинов и иммуноцитов матери с антигенами отцовской природы на поверхности зародыша. Вероятно, децидуальная оболочка способствует также защите плода от инфекций, препятствуя проникновению микроорганизмов из материнского организма. Вместе с тем децидуальная реакция не допускает неконтролируемую инвазию клеток трофобласта. Плацента, в состав которой входит децидуальная ткань, называется отпадающей, или децидуальной, в отличие от контактной (недецидуальной) плаценты эпителиохориального типа.