Проблемы биологии развития

У организмов, размножающихся половым путем, развитие индивидуума начинается с процесса оплодотворения – слияния яйца со сперматозоидом. Биологический смысл оплодотворения двоякий: 1) активация яйца – воздействие на него сперматозоида, пускающее в ход начальные процессы развития, дробление яйца; 2) кариогамия, т. е. соединение в яйце носителей наследственной информации отцовского и материнского организмов, содержащейся в хромосомах сперматозоида и яйца. Кроме того, в отдельных случаях внедрение сперматозоида вызывает изменение топографии цитоплазматических компонентов яйца, обеспечивающее возникновение гетерогенности его строения или изменение исходной гетерогенности, чем определяется расположение передне‑задней и спинно‑брюшной осей будущего зародыша, а также появление структур, взаимодействие которых детерминирует последующую дифференцировку.

В изучении различных сторон единого процесса оплодотворения приняли участие цитологи, биофизики, биохимики (а впоследствии и представители молекулярной биологии), эмбриологи и генетики.

После того как Ф. Лилли и Ж. Лёб в первом десятилетии XX в. обнаружили в яйцах и сперматозоидах существование веществ, оказывающих влияние на гаметы того же или противоположного пола, эти вещества детально изучались, однако и до настоящего времени их значение для процессов оплодотворения окончательно не установлено. Вслед за Лилли А. Тайлер (1948) продолжал называть вещество яйца, стимулирующее подвижность сперматозоидов, фертилизином, а М. Гартман – гиногамоном I; вещество, вызывающее агглютинацию сперматозоидов, Гартман называл гиногамоном II. В свою очередь, в сперме было обнаружено вещество, подавляющее движение сперматозоидов, – андрогамон I (Гартман), а также андрогамон II, препятствующий действию агглютинирующего агента. В монографии А.С. Гинзбург (1968) отмечено, что роль агглютинирующего сперматозоиды агента не подтвердилась; не прав оказался и Гартман, утверждавший, что при оплодотворении играет роль взаимодействие андро‑ и гиногамонов. По мнению Гинзбург, эти вещества имеют лишь вспомогательное значение, облегчая встречу и соединение гамет. Агглютинину, содержащемуся в яйцах иглокожих и рыб, она приписывает роль защиты от проникновения сверхчисленных спермиев.

Активация яйца.

В 70‑х годах XIX в. еще не отличали активацию яйца от кариогамии (О. Гервиг, 1875), так как считалось, что именно слияние пронуклеусов (ядер мужской и женской гаметы) и является причиной дробления яйца. Т. Бовери, основываясь на цитологических наблюдениях, возражал против такого понимания источника активации; соображения Бовери подтверждались прежде всего фактами естественного и вызванного экспериментально партеногенеза (развития яйца без оплодотворения), когда активация яйца осуществляется без участия сперматозоида, т. е. независимо от кариогамии, а также возможностью оплодотворения и последующего развития безъядерных фрагментов яйца (О. и Р. Гертвиги, 1887; И. Делаж, 1901).

Исходя из этих соображений, Бовери выдвинул теорию, согласно которой яйцо побуждает к дроблению вносимая сперматозоидом центросома. По мнению Бовери, яйцо содержит все структурные компоненты, необходимые для начала дробления, кроме центросомы, а сперматозоид, в котором имеется центросома, лишен цитоплазмы, которая могла бы реагировать на наличие центросомы образованием ахроматической фигуры деления. Иными словами, яйцо и сперматозоид взаимно дополняют друг друга, и после их соединения образуется система, способная к осуществлению начальных процессов эмбрионального развития.

Встреча сперматозоидов с яйцом обеспечивается анатомическими (при внутреннем оплодотворении) или экологическими условиями – выбрасыванием сперматозоидов в воду поблизости от отложенных яиц. Длительно дискутировался вопрос, существует ли у сперматозоидов хемотаксис по отношению к выделяемым из яйца веществам. Хотя и было показано (Ф. Лилли), что сперматозоиды морского ежа собираются вокруг капель вытяжки из яиц, это не исключало предположения, что скопление сперматозоидов возле яйца осуществляется по принципу «физиологической западни», т. е. что они наталкиваются на яйцо случайно и удерживаются около него в силу физико‑химических условий, препятствующих их удалению от яйца. Роль физиологической западни приписывали фертилизину – гипотетическому веществу из студенистой оболочки яйца (Ф. Лилли, 1924), вызывающему агглютинацию сперматозоидов.

В раннем периоде изучения явлений активации яйца попытки выяснить основные компоненты этого сложного процесса страдали односторонностью. Из комплекса относящихся сюда явлений вычленяли отдельные частные моменты и приписывали им ответственность за всю совокупность событий, разыгрывающихся в течение начальных этапов оплодотворения. Эти соображения справедливы, в частности, в отношении классических работ американского зоолога Лёба, пытавшегося выяснить смысл явлений активации во время нормального оплодотворения, исходя из наблюдений над искусственной активацией неоплодотворенного яйца, т. е. при помощи искусственного партеногенеза. После того как было установлено, что дробление неоплодотворенных яиц может быть пущено в ход различными агентами – термическими, электрическими или механическими раздражениями (в том числе уколом), действием гипертонических растворов, жирных кислот (в частности, масляной кислоты) и т. п., выяснилось, что в большинстве случаев эти воздействия приводят к нарушению нормального хода развития, которое рано или поздно останавливается. Все эти агенты вызывают лизис поверхностного слоя яйца за счет освобождающихся протеолитических ферментов и стимуляции окислительных процессов. Лёб показал, что вызванные при этом нарушения нормального состояния яйца могут быть устранены, если яйца морского ежа вслед за воздействием масляной кислотой поместить на некоторое время в гипертоническую морскую воду. По аналогии с наблюдениями, сделанными на искусственно активированных яйцах, Лёб предположил, что и в норме активация начинается с лизиса кортикального слоя яйца и стимуляции его дыхания, за чем следует нормализация нарушенного состояния яйца пока еще неизвестным фактором.

Французский эмбриолог Э. Батайон (1910) видел смысл активации яйца при оплодотворении в том, что накапливающиеся в неоплодотворенном яйце токсические продукты обмена веществ удаляются из него в перивителлиновое пространство, возникающее после оплодотворения. Эта детоксикация яйца и служит, по мнению Батайона, стимулом к дроблению.

Исходя из аналогии с агглютинацией эритроцитов, являющейся реакцией между антигеном и антителом, Лилли высказал предположение, что взаимодействие между яйцом и сперматозоидом при оплодотворении также относится к числу иммунологических процессов и заключается в реакции фертилизина яйца с антифертилизином сперматозоида. А. Дальк (1928) справедливо заметил, что теория Лилли в лучшем случае может объяснить только начальный момент оплодотворения.

Американский цитолог Л. Гейлбрун (1956) пытался сопоставить явления оплодотворения и свертывания крови. Исходя из факта освобождения кальция, Гейлбрун сделал вывод, что желатинизирование цитоплазмы в активированном яйце имеет то же значение, что и в плазме крови 80‑ время коагуляции.

Автор современной сводки по биохимической эмбриологии бельгиец Ж. Браше (1960) не без основания утверждает, что ни одна из теорий оплодотворения, принимающих частные стороны этого явления за его подлинную сущность, не вскрывает последней. Для этого необходимы новые исследования, распространяющиеся как вширь (с охватом возможно большего числа различных объектов), так и вглубь, позволяющие учесть стороны явления в их взаимной связи.

Активацию яйца в ответ на проникновение сперматозоида связывают с процессами, изменяющими строение кортикального слоя яйца. В свое время эту идею высказал Ж. Лёб (1913); она получила подтверждение в новейших исследованиях. Изменения поверхностной структуры яйца выражаются в выделении содержимого кортикальных гранул, что является отражением зрительно невоспринимаемого импульса активации, который начинается локально, в месте контакта с акросомной нитью сперматозоида, и распространяется по поверхности яйца; скорость распространения этого импульса для яиц осетровых рыб определила Т.А. Детлаф (1961). Детально изучены физико‑химические характеристики кортикальной реакции – разыгрывающиеся в кортикальном слое биоэлектрические явления, изменения его проницаемости для различных веществ, его коллоидной структуры, оптических свойств (изменение свечения в темном поле, двойное лучепреломление). Изучались также метаболические и структурные изменения в цитоплазме яйца, выражающиеся в нарушении исходного состава ее белков, ферментативной активности (содержания протеаз, липазы, щелочной фосфатазы), количества липопротеидов, мукополисахаридов и т. д.

Попытки выяснить природу активации яйца в процессе оплодотворения привели к важным сопоставлениям явлений в яйце с процессами, протекающими в мышцах при их сокращении. Для обеих этих систем характерны повышение теплопродукции, увеличение ионной проницаемости, наличие тока покоя, прохождение биоэлектрической волны, обратимая денатурация белков, участие медиаторов возбуждения, образование фосфатов и изменение сложных фосфорных эфиров, уменьшение содержания свободного калия и освобождение кальция, образование молочной кислоты и т. д. Обнаружена также аналогия между процессами, происходящими в кортикальном слое яйца во время активации, и явлениями возбуждения нерва.