Цитоплазма яиц многих видов животных отчетливо разделена на области еще до оплодотворения, а у еще большего числа видов такое разделение цитоплазмы происходит после оплодотворения или перед дроблением.
В качестве примера можно привести распределение желтка и пигмента в яйцах амфибий и образование серого серпа после оплодотворения. При нормальном развитии судьба каждого участка цитоплазмы предопределена. Однако обязательна ли такая предопределенность или судьба определенных участков может меняться? По-видимому, возможно как то, так и другое.
Если яйца морских ежей подвергнуть центрифугированию перед оплодотворением, то их цитоплазматические компоненты, по крайней мере те, которые расположены внутри от тонкого, но прочного кортикального слоя, разделяются в соответствии с их относительной плотностью. При этом происходит существенное и хорошо заметное их перераспределение, которое может сохраняться в течение некоторого времени после прекращения действия ускорения. Тем не менее, при оплодотворении такие яйца развиваются в нормальных личинок. Еще яснее этот эффект проявляется в случае разделения яйца при центрифугировании на два или четыре фрагмента разной плотности. Каждый фрагмент может быть оплодотворен, и, хотя только один из них будет содержать женский пронуклеус, все они развиваются в личинок. Ясно, что ни одна часть цитоплазмы на этой стадии не содержит информации, которая присуща только этой части и в то же время необходима для развития.
В противоположность этому перераспределение компонентов яйца у брюхоногих моллюсков или асцидий может вызывать серьезные нарушения в последующей дифференцировке. В обоих случаях направление, в котором будут дифференцироваться клетки зародыша, по-видимому, в значительной мере определяется особенностями цитоплазмы, которую они содержат. Если сместить участки цитоплазмы перед дроблением, некоторые ткани разовьются в не характерных для них местах. В связи с этим определенные участки цитоплазмы яиц таких животных раньше называли «органообразующими зонами».
При большинстве методов смещения компонентов цитоплазмы яйца более устойчивый наружный слой, кортекс, не затрагивается. В настоящее время имеются серьезные основания полагать, что кортекс может быть носителем морфогенетической информации независимо от того, обладает ли он видимой дифференцировкой или нет. Убедительное подтверждение этому мы находим в работах по пересадке кортекса у яиц лягушек.
Серый серп при нормальном развитии всегда расположен в месте будущей спинной губы бластопора — участке, в котором во время гаструляции прежде всего становятся заметны движения клеток. Если спинную губу бластопора, взятую от ранней гаструлы, пересадить в необычное для нее место на поверхности другой гаструлы, то она будет вести себя в основном так же, как вела бы себя на своем обычном месте в зародыше-доноре. Ее клетки активно перемещаются внутрь зародыша и вовлекают в процесс инвагинации окружающие их клетки реципиента, а позднее клетки пересаженной спинной губы бластопора дифференцируются в элементы осевых органов. Таким образом, в реципиенте могут образоваться две эмбриональные оси: одна — связанная с активностью собственной спинной губы, а другая — с активностью пересаженной губы. Пересадка других участков гаструлы, например любой части анимального полушария, не приводит к таким результатам. Эти участки развиваются в соответствии с их новым положением. Такие явления мы будем разбирать дальше, а сейчас хотелось бы только подчеркнуть, что две оси могут возникнуть также в результате пересадки кусочков кортекса из области серого серпа на гораздо более ранних стадиях развития. Основываясь на этих данных, можно прийти к важному заключению, что у амфибий будущее поведение бластомеров зависит от того, какая часть кортекса оплодотворенного яйца придется на их долю.
Таким образом, ранее упоминавшийся нами парадокс можно в общем объяснить, допустив, что в ранних зародышах цитоплазматическое окружение ядер может быть различным, по-разному влияя на функцию этих ядер. В таком случае цитоплазма может определять, какие участки ДНК должны считываться и с какой интенсивностью.
Поскольку очевидно, что цитоплазма яйца обусловливает возникновение разнокачественности клеток зародыша, было бы естественно ожидать, что ее структура будет значительно отличаться у разных видов животных. Хотя, с другой стороны, мы привыкли считать, что возникновение новых видов животных под влиянием естественного отбора осуществляется через генетический аппарат клетки — хромосомы — и что именно они контролируют наследственные различия между животными. Представляет ли в таком случае структура яйца независимую генетическую систему или это лишь один из признаков фенотипа самки, который, подобно другим признакам, сам находится под контролем генов? Этот вопрос подводит нас к самому существу одной из важнейших проблем современной биологии развития.
Есть данные, свидетельствующие о том, что в некоторых случаях цитоплазматическая структура яйца отражает генотип самки. Классическим примером служит наследование левозакрученности раковины у моллюсков. У большинства особей прудовика (Limnaea) раковина закручена вправо; если смотреть на нее сверху, то спираль раковины идет по часовой стрелке от вершины к устью. Встречаются также особи с левозакрученной (против часовой стрелки) раковиной. Оказалось, что этот признак определяется менделирующим: рецессивным аутосомным геном, который ведет себя нормально во всех отношениях, кроме одного. Направление закручивания раковины моллюска определяется материнским генотипом, а не генотипом самой особи. Так, из зиготы с ядром, гомозиготным по гену левозакрученности, развивается правозакрученная особь, если мать была гетерозиготной. Передача генетических инструкций через цитоплазму подтверждается результатами наблюдений за ранними делениями дробления, в процессе которых у брюхоногих моллюсков бластомеры смещаются либо вправо, либо влево.
Вторым примером менделирующего признака, который передается через структуру яйца, служит стерильность, возникающая в результате мутаций у Drosophila. У двукрылых и некоторых других насекомых забитые желтком яйца имеют небольшую зону чистой цитоплазмы на заднем конце — так называемую полярную плазму. В таких яйцах в результате дробления сначала образуется синцитий: цитоплазма, в которой оказываются образующиеся ядра, не разделена мембранами на отдельные клетки; однако к концу дробления эти ядра отходят в полярную и остальную часть периферической плазмы, и затем возникают настоящие одноядерные клетки, окруженные мембраной. Клетки, содержащие полярную плазму, — полярные клетки — представляют собой предшественников половых клеток взрослого насекомого. Есть гены, которые не влияют на общее нормальное развитие животного, но вызывают его стерильность. По крайней мере в одном случае действие гена проявляется только в следующем поколении. Самки гомозиготные по мутантному гену, сами фертильны, тогда как их потомство всегда стерильно. В яйцах, которые продуцируют эти самки, полярная плазма отсутствует.
Гены, определяющие свойства цитоплазмы яйца, известны также и у позвоночных (в частности, у аксолотля); и в этом случае было доказано, что, инъецируя цитоплазму одних яиц в другие, можно вызвать появление признаков, наследуемых через цитоплазму.
Таким образом, имеются достаточные основания полагать, что свойства цитоплазмы яйца, имеющие большое значение для более позднего периода развития, контролируются генами. Можно смело утверждать, что в дальнейшем все большее внимание будут уделять исследованию механизма действия этих генов. Изучение оогенеза имеет решающее значение для эмбриологии будущего.