Рассмотрение филогенетического древа рыб убеждает в том, что два типа развития низших позвоночных, с полным и дискоидальным дроблением, которые определяются объемом и, возможно, плотностью запасаемого в яйце желтка, возникают независимо.
Трудно сказать, случайностью или закономерностью является тот факт, что богатые желтком яйца, которые обусловливают дискоидальный тип дробления, характерны для процветающих ныне селахий и костистых рыб, тогда как полное дробление типично для современных двудышащих, кистеперых, хрящевых ганоидов, костных ганоидов, т. е. для классов, имеющих в настоящее время весьма ограниченное число видов.
При описании развития костистых рыб акцент будет сделан на особенностях эмбриогенеза Danio rerio, в англоязычной литературе известной как zebrafish. D. rerio за последние десять-пятнадцать лет стала модельным объектом молекулярной биологии развития. Этому способствовала интенсивная разработка проблем генетики данио, выявление и идентификация разнообразных мутаций, затрагивающих ранние этапы онтогенеза. Немаловажную роль имели и некоторые особенности биологии этой рыбы: данио прекрасно размножается в лабораторных условиях, достигает половозрелости за относительно короткий период, икринки достаточно крупные и прозрачные, что позволяет вести непосредственное наблюдение за развитием и его аномалиями.
Размеры ооцитов у рыб находятся в обратной зависимости от количества половых продуктов, выметываемых самкой: наименьшие размеры ооцитов характерны для видов с высокой продуктивностью женских гамет. Имеется определенная зависимость между размерами икринок и стадией, на которой происходит вылупление личинки. У видов с крупными ооцитами вылупляются мальки, близкие по форме взрослым животным. У видов с мелкими ооцитами, напротив, вылупляются скорее личинки, которые существенно отличаются от взрослых форм.
Яйцо рыб окружено первичной по своему происхождению лучистой оболочкой — zona radiata, имеющей, как правило, довольно сложную структуру и радиальную исчерченность. Эта исчерченность обусловлена наличием многочисленных микроканальцев. В период оогенеза в канальцы zona radiata заходят микроворсинки ооцита и фолликулярных клеток, что обеспечивает транспортировку питательных веществ в ооцит. У некоторых видов рыб кроме zona radiata образуются вторичные и третичные оболочки. Например, у видов с придонным икрометанием яйца имеют вторичную студенистую оболочку (А. С. Гинзбург, 1968). Яйцевая оболочка рыб непроницаема для спермиев. Для их проникновения служит особое отверстие — микропиле.
Яйца костистых рыб имеют ярко выраженный телолецитальный характер. Почти вся цитоплазма сосредоточена на периферии яйца. После оплодотворения цитоплазма стягивается в анимальную область, где расположено ядро, образуя здесь цитоплазматический бугорок, или бластодиск. Вегетативная часть ооцита занята плотной желточной массой, в которую вкраплены жировые включения.
Дробление яйца дискоидальное, при котором борозды затрагивают только бластодиск. Первые четыре деления обычно меридиональные. На стадии 16 бластомеров лишь четыре центральные клетки обособлены от желтка, тогда как бластомеры, лежащие по периферии диска, сохраняют связь с желтком. Позднее начинаются деления, плоскость которых проходит в широтном направлении. Благодаря этому образуются клетки внешнего слоя (кроющий слой) и внутренние клетки. Последние сохраняют связь с желтком. На стадиях дробления судьба клеток еще не специфицирована. Показано, что потомки одной и той же клетки могут попасть в разные ткани и в разные области тела зародыша (Kimmel, Warga, 1987).
Существование связи между бластомерами, а также между бластомерами и желтком подтвердилось в опытах с инъекцией родаминдекстрана, красителя, который благодаря небольшим размерам молекул (17 Да) свободно проходит из желтка к бластомеры (Kimmel, Law, 1985). Вместе с тем оказалось, что более крупные молекулы техасского красного декстрана (2000 кДа) не способны свободно диффундировать между бластомерами, что указывает на ограниченный диаметр цитоплазматических мостиков, связывающих бластомеры и желток.
Дробление завершается образованием дискобластулы. После эпителизации клеток кроющего слоя бластомерная бластула становится эпителиальной. Дно бластулы выстлано синцитиальным перибластом, который связан с желтком. На стадии бластулы специфицируются только самые наружные клетки кроющего слоя, которые впоследствии дают внешний покров зародыша — перидерму.
На ранних этапах дробления деления синхронные. Например, у данио синхронными являются шесть первых делений. Позднее, когда на стадии бластулы происходит нормализация ядерно-цитоплазматического отношения, длительность клеточного цикла увеличивается, и синхронность клеточных делений утрачивается. Изменения длительности и структуры клеточного цикла коррелируют с началом зиготической транскрипции. Этот переломный момент в развитии называют точкой перехода на стадии средней бластулы (МВТР, midblastula transition point).
Важной особенностью стадии средней бластулы является то, что клетки зародыша приобретают способность к автономным движениям, а это создает предпосылки для начала морфогенетических процессов. Одним из первых событий, связанных с движением клеток, является обрастание желтка, в ходе которого бластодерма распространяется по направлению к вегетативному полюсу. Направленный рост бластодермы происходит по наружной поверхности желточного синцития с его развитой системой микротрубочек. Деполимеризация микротрубочек или их повреждение ультрафиолетом тормозят распространение бластодермы по желтку, обнаруживая тем самым важность микротрубочек в этом процессе.
Процесс обрастания желтка часто называют эпиболией, подчеркивая его функциональную близость одному из элементов гаструляции. Следует отметить, однако, что у костистых рыб обрастание начинается до наступления собственно гаструляции, отличительным признаком которой может служить формирование бластопора и первичной кишки. Обрастание желтка в эмбриональном развитии костистых рыб находится в прямой связи с меробластическим типом дробления и необходимостью утилизировать запасы питательных веществ, сосредоточенные в недробящейся части зародыша.
Начало гаструляции знаменуется образованием по периферии бластодиска зародышевого кольца, или краевого валика. Масса внутренних клеток, которая находится под слоем кроющих клеток, подразделяется на два зачатка — эпибласт, лежащий непосредственно под кроющим эпителием, и мезэнтодерму, находящуюся в контакте с желточным синцитиальным слоем. Обособление этих зачатков происходит различными способами. У Danio и многих других костистых рыб описана инволюция края бластодиска. У Fundulus гипобласт возникает путем ингрессии. У форели расслоение происходит вследствие центробежного движения части клеток внутренней массы.
Прослеживая судьбу маркированных клеток из разных областей ранней гаструлы, Ч. Киммель с сотрудниками (Kimmel etal., 1995) построили карту презумптивных зачатков данио. На анимальном полюсе располагаются клетки эктодермальной природы, потомки которых дают на вентральной стороне эпидермис, а на дорсальной стороне — органы чувств, головной и спинной мозг. В экваториальной области расположены клетки энтодермальной природы, формирующие глотку, печень и кишку. В промежуточной зоне находится мезодермальный зачаток, содержащий материал будущей хорды, сердца, сомитов и клеток крови. Судя по этой карте, на стадии ранней гаструлы уже в определенной степени предопределены дорсовентральная и передне-задняя оси.
Следующий этап гаструляции связан с образованием зародышевого щитка, который возникает в результате конвергенции клеток внутренней массы. Клетки и эпибласта и гипобласта начинают концентрироваться в зоне одного из меридианов экваториальной области. В результате широтного перемещения клеток, причины которого пока не раскрыты, в экваториальной области образуется утолщение — зародышевый щиток. Зародышевый щиток, или краевой узелок является гомологом спинной губы бластопора амфибий. При эктопической трансплантации он способен вызвать развитие вторичного зародыша, т. е. обнаруживает, как и спинная губа бластопора амфибий, свойства организатора.
В области зародышевого щитка происходит медиолатеральная интеркаляция клеток, в результате которой область щитка суживается, а сам этот зачаток вытягивается в длину. Конвергенция и растяжение материала, из которого формируется зародыш, четко прослеживаются при изучении характера экспрессии некоторых генов. Так, экспрессия гена по tail (ntl) первоначально наблюдается в области зародышевого кольца. Затем паттерн экспрессии меняет свой характер — зона экспрессии заметно суживается и сильно растягивается в длину по одному из меридианов в анимальной области зародыша, где происходит закладка осевой мезодермы. Экспрессия гена snaill (snal) происходит иначе. В период конвергенции этот ген экспрессируется в клетках зародышевого кольца, за исключением области зародышевого щитка. В фазе растяжения зародыша клетки, экспрессирующие snal, располагаются в виде двух полос параксиальной мезодермы, по обе стороны от осевой мезодермы.
В ходе гаструляции в области зародышевого щитка в первую очередь происходит инволюция материала головной энтодермы. Вслед за ним уходит материал хорды и продолжается перемещение энтодермальных клеток из боковых частей. Через боковые же участки происходит перемещение клеток будущей мезенхимы. Существенным отличием гаструляции костистых рыб от гаструляции амфибий является то, что у рыб не образуются ни вентральная, ни боковые губы бластопора. Инволюирующий в области краевого узелка пласт распространяется в переднем направлении, плотно вклиниваясь между наружным слоем и перибластом. Клетки, которые инволюируют позднее, занимают и периферию задней части бластодиска, образуя здесь мезодермальный зачаток.
Наряду с конвергенцией и растяжением, которые ведут к образованию осевых структур зародыша, в ходе гаструляции продолжается процесс эпиболии. Обрастание желтка происходит неравномерно. Быстрее всего оно идет в передней и латеральных областях бластодиска. В задней области, где продолжается инволюция клеток, эпиболия несколько замедлена. В результате обрастания поверхность перибласта и желтка оказывается покрытой внезародышевой эктодермой и мезенхимой, дающей начало желточной кровеносной системе. Таким образом образуется особый зародышевый орган — желточный мешок, обеспечивающий переработку и транспортировку созданного в период оогенеза запаса питательных веществ. Возникновение желточного мешка происходило в эволюции неоднократно и независимо у животных с такой организацией яйцеклетки, которая основана на сегрегации желтка и других питательных веществ в особой не дробящейся зоне.
Благодаря неравномерности обрастания (эпиболии) передний край диска, огибая желток, приближается к заднему концу зародыша, где некоторое время остается незакрытым небольшое округлое пространство, так называемая желточная пробка. Вскоре желточная пробка замыкается, и передний край бластодиска соединяется с задним концом зародыша.
После завершения эпиболии растяжение зародыша в переднем направлении заканчивается. Тем не менее рост зародыша продолжается в заднем направлении, благодаря чему возникает хвостовая почка — обособленный от желтка задний отдел зародыша.
Становление характерного для позвоночных плана строения тела продолжается и после гаструляции. Основными событиями постгаструляционного периода являются обособление и дифференциация хорды и нервной системы, а также сегментация тела. Процесс дифференциации тела зародыша происходит в передне-заднем направлении.
Сегментация затрагивает прежде всего параксиальные мезодермальные полоски, лежащие по обе стороны от хорды. Возникающие борозды последовательно, в переднезаднем направлении отделяют обособленные скопления мезодермальных клеток — сомиты. Число сомитов заметно варьирует у разных видов рыб. У данио оно достигает 30-34, у лосося — 63-64. В составе сомита у рыб имеются, по крайней мере, две субпопуляции клеток, образующие миотом мышечный зачаток и склеротом — зачаток скелетных структур. Возможно, в составе сомита рыб имеется и типичный для более высокоорганизованных позвоночных третий зачаток — дерматом, производные которого дают клетки дермы.
Дифференциация сомитов связана со сложными транслокациями клеток, значение которых пока остается невыясненным. Клетки, дающие мышечные элементы, в мезодермальной полоске локализованы в непосредственной близости от хорды и экспрессируют ген snal. После обособления сомита эти клетки мигрируют в латеральном направлении и дифференцируются как поверхностные мышцы («медленные» мышцы), тогда как оставшиеся в глубине сомита клетки дают «быстрые» мышцы. Клетки склеротома исходно располагаются в вентральной области сомита, но затем мигрируют в дорсальном направлении, достигают уровня хорды, где впоследствии участвуют в образовании позвонков.
В конце гаструляции нейроэктодерма принимает вид нервной пластинки, образованной столбчатыми клетками. На стадии нейрулы симметрично расположенные левая и правая полосы пластинки сближаются и образуют плотное скопление нейральных клеток — нейральный киль. При этом клетки, расположенные на латеральной границе пластинки, занимают дорсальное положение, а клетки центральной области пластинки оказываются в вентральном положении. Позднее нейральный киль округляется и принимает вид цилиндрического стержня, проходящего по медиальной линии вдоль тела зародыша. Наконец, путем расхождения клеток, или кавитации (от лат. cavitas — полость) образуется полая нервная трубка.
На переднем конце нервная трубка несколько расширена. У данио на стадии 18 сомитов передний оnдел нервной трубки, который образует головной мозг, подразделяется небольшими перетяжками на 10 участков, нейромеров. Два передних нейромера представляют собой зачатки переднего мозга, соответственно конечного (telencephalon) и промежуточного (diencephalon) мозга, третий нейромер — зачаток среднего мозга (mesencephalon), наконец, семь задних нейромеров относятся к заднему мозгу (rhombencephalon) и называются ромбомерами.