Тема 10. Органогенез

Органогенез – предмет исследования эмбриологии, гистологии, анатомии, физиологии и других наук, так как он является совокупностью процессов изменения формы, тканевого строения, возникновения и изменения биохимических и физиологических явлений и т.д.

При изучении органогенеза надо учесть, что классификация органов по их генезису (производные эктодермы, энтодермы и мезодермы) вполне оправданы эмбриологическими данными и теорией зародышевых пластов в том смысле, что возникновение зачатка (закладки) органа связано с локальными изменениями определенных участков того или иного зародышевого пласта. Однако в большинстве случаев органы позвоночных – это производные двух или всех трех зародышевых листков (например, яичник, кишечная трубка, орган слуха, нос и т.д.), при этом подчас невозможно выделить какой-либо главенствующий клеточный материал, от которого бы зависел механизм развития органа. Поэтому классификация органов на эктодермальные, энтодермальные и мезодермальные стол же доступна сомнениям, критике, ограничениям, как и теория зародышевых пластов, на которой эта классификация основана.

Производные эктодермы. Нервная система. Эмбриогенез нервной системы слагается из ряда очень важных процессов, происходящих в зародыше. О первичной индукции со стороны хорды мы уже с Вами говорили и о раннем эмбриогенезе нервной системы тоже. Итак. Почти сразу после своего обособления передний конец нервной трубки начинает заметно увеличиваться в размерах. Эта разростающая область представляет собой зачаток головного мозга, а лежащие каудальнее части нервной трубки сохраняют относительно постоянный диаметр и позднее дают начало спинному мозгу.

Увеличиваясь, зачаток головного мозга разделяется на 3 отдела: передний мозговой пузырек (prosencephalon), средний (mesencephalon) и задний (rhombencephalon). Стадия трех пузырей длится недолго. Передний делится на 2 отдела: конечный мозг (Telencephalon) и промежуточный (diencephalon). Средний остается без изменения, а область заднего разделяется на задний мозг (metencephalon) и продолговатый мозг (myelencephalon). В результатет образуется пять пузырей головного мозга и эта стадия хорошо видна у зародышей длиной 8-17 мм.

Ранняя нервная трубка окружена рыхлой мезенхимо, которая образует тонкую первичную мозговую оболочку. Во время раннего плодного периода первичная мозговая оболочка разделяется на 2 слоя: сравнительно толстый внешний слой (ectomeninx) мезенхимного происхождения и тонкий внутренний слой (endomeninx), видимо произошедший из клеток нервного гребня. Из ectomeninx формируется твердая оболочка (dura mater). Из endomeninx образуется мягкая мозговая оболочка (pia mater) и находящаяся между двумя последними паутинная оболочка (arachnoidea encephali). Вскоре пространство между мягкой и паутинной оболочками заполняется омывающей мозг цереброспинальной жидкостью.

При изучении гистогенеза головного мозга мы сталкиваемся с уникальной проблемой – локализация серого и белого вещества в головном мозге. В спинном мозге и стволе головного серое вещество, содержащее тела нервных клеток, находится в центре, а по периферии, окружая его, располагается белое вещество, образованное миелинизированными отростками нейронов. В переднем могу и мозжечке серое вещество лежит на периферии, часто в виде нескольких отдельных слоев, а белое вещество – внутри.

У ранних зародышей нервная трубка тянется по всей длине туловища и хвоста. С образованием позвоночника растущие нервные дужки заключают спинной мозг в спинномозговой канал. Примерно до трех месяцев спинномоговой канал и спинной мозг совпадают в размерах, и сегментарно расположенные выходят наружу через межпозвонковые отверстия, непосредственно против мест своего образования. После трех месяцев рост частей зародыша изменяется так, что ни позвоночник, ни нервная трубка не поспевают за ростом каудальной части тела. Причем спинной мозг отстает в росте в значительно большей степени, чем позвоночник. Спинной мозг к моменту рождения оканчивается приблизительно на уровне третьего поясничного позвонка, далее спинной мозг продолжается в виде концевой нити – fillum terminale. После рождения этот дифференциальный рост продолжается, так что у взрослого человека конец спинного мозга располагается уже на уровне первого поясничного позвонка. Поэтому крестцовые и копчиковые нервы, выйдя из спинного мозга, направляются вниз на довольно значительное

расстояние. Эта группа нервов, заполняющая нижнюю часть спинномозгового канала, образует так называемый конский хвост (cauda equina).

Занимаясь морфологией и развитием нервной системы, не следует забывать её главной роли – генерации и координации многих функций организма. У большинства развивающихся систем форма и функция тесно связаны друг с другом. Это особенно справедливо в отношении нервной системы, поскольку для осуществления координационной функции необходимо одновременное завершение формирования нервных путей и иннервируемых ими областей.

Движения зародыша отражают степень развития его нейромышечной системы. Вплоть до 6-недельного возраста движения зародыша исчерпываются лишь пассивным смещением в амниотической жидкости. В конце 2 месяца наблюдаются первые спонтанные движения зародыша, проявляющиеся просто в подергиваниях из стороны в сторону, что указывает на функциональное созревание мускулатуры стенок тела. (На самом же деле зародыш способен реагировать неделей раньше слабым изгибанием шейной области в ответ на прикосновение тонкой щетинкой к губам или носу). Такие реакции свидетельствуют о том, что произошло замыкание первых функциональных рефлекторных дуг. В последующие дни способность к движениям и простым рефлекторным реакциям в соответствии с краниокаудальным градиентом развития распространяется в каудальном направлении.

В начале 3-его месяца развития могут быть вызваны рефлекторные движения рук, а неделей позже – рефлекторные движения ног. Одновременно с началом функционирования конечностей, происходит быстрое развитие мускулатуры лицевой области. У 10-11 недельных зародышей можно наблюдать глотательные движения и первые ритмические движения грудной области, напоминающие дыхательные. Создается впечатление, что плод, как бы готовясь к постнатальному существованию, развивает прежде всего глотательные, дыхательные и хватательные движения. К концу 3-го месяца беременности почти вся поверхность кожи зародыша чувствительна к прикосновению, и, хотя движения слабы, но зародыш весьма активен в это время. Однако, мать, как правило, не воспринимает эти движения, поскольку зародыш настолько мал, что может полностью уместиться на ладони. Двигательные движения до 12 недель спонтанные и неадекватны. Но вскоре эти реакции исчезают, замещаясь более направленными рефлекторными реакциями.

К концу 4-го месяца беременности мать уже нередко чувствует движения плода, которые становятся сильнее и даже возможны слабые дыхательные движения. Плод вскоре начинает перемежать периоды покоя с периодами активности. Живые пятимесячные плоды-выкидыши способны самостоятельно дышать в течении короткого периода времени. В оставшийся период беременности происходит упрочение уже заложенных простых и сложных рефлекторных актов, а также быстро развиваются в определенной последовательности органы чувств. Обычно наблюдается такая последовательность: после раннего появления общего кожного чувства, возникает вкусовая и вестибулярная функция, а затем функции слуха и зрения. Становление функций нервной системы продолжается в течение нескольких лет постнатальной жизни.

Органы чувств. При их помощи организм воспринимает окружающую его среду и образуются они из наружного зародышевого листка – эктодермы. У анамний они развиваются из утолщенных эктодермальных плакод, каждая из которых возникает в результате вторичных индукций, обусловленных определенной частью нервной системы. Наиболее важными и сложными в структурном отношении органами чувств позвоночных являются зрение и слух. Органы обоняния и вкуса морфологически очень тесно связаны со структурами лица и ротовой полости. Кожная чувствительность обеспечивается периферическими нервами.

Глаз – очень сложный орган, компоненты которого возникают из нескольких различных эктодермальных и мезодермальных тканевых закладок в головной области зародыша.

Первым морфологическим признаком формирования глаза является образование карманоподобных выпячиваний стенок промежуточного мозга. У человеческого зародыша в середине 3-ей недели в ещё незамкнутой нервной пластинке в области будущего переднего мозга появляются углубления – глазные бороздки (sulci optici), которые углубляются и превращаются в первичные глазные пузыри.

В конце 4-ой недели полость первичного глазного пузыря соединяется широким просветом с полостью переднего мозга, а стенки его по строению практически не отличаются от стенок переднего мозга. В начале 5-ой недели дистальная область глазного пузыря начинает впячиваться и однослойный пузырь превращается в двухслойную чашу. По мере инвагинации первичная полость уменьшается и превращается в узкую щель между наружным и внутренним листками чаши. Одновременно происходит быстрая дифференцировка обоих листков. Наружный листок истончается и превращается в пигментный эпителий (появляются гранулы меланина). Внутренний слой превращается в сетчатку. Клетки этого слоя будут воспринимать зрительные раздражения и трансформировать их в сигналы, которые по зрительному нерву будут передаваться в головной мозг. Глазной стебелек вместе с отростками дифференцирующихся в сетчатке клеток, прорастают по направлению к головному мозгу и называется зрительным нервом.

Закладка хрусталика происходит благодаря индукционному влиянию первичного глазного пузыря на головную эктодерму, обуславливает утолщение области эктодермы, лежащей над глазным пузырем, в результате чего образуется хрусталиковая плакода. По мере углубления глазной чаши, хрусталиковая плакода погружается в её полость, вначале это открытый хрусталиковый пузырек. На протяжении 5-ой недели хрусталиковый пузырек замыкается и отшнуровывается от головной эктодермы, превращаясь в округлое эпителиальное тело –хрусталик, лежащее в полости глазной чаши. В конце 6-ой недели клетки проксимальной стенки хрусталика начинают вытягиваться, формируя длинные прозрачные структуры, и называются хрусталиковыми волокнами. По мере того, как хрусталик увеличивается в размерах, он опускается в глазную чашу, и края чаши начинают прикрывать края хрусталика. Это тонкая покрывающая часть глазной чаши представляет эпителиальную часть радужки, а уменьшенное отверстие перед хрусталиком – зрачок. В радужке имеются ресничные мышцы, которые регулируют размер зрачка. Эти мышцы интересны тем, что произошли из нейроэктодермы, а не из мезенхимы.

У 5-ти месячных плодов легко обнаружить ресничную область, складки, соединяющие радужку со стенками глазной чаши. Ресничная мышца образуется из мезенхимы, изменяя натяжение связки, поддерживающей хрусталик, регулирует кривизну, и таким образом фокусирует на сетчатке изображение, отстоящих на различных расстояниях объектов. Мезенхимные клетки, возникающие из нервного гребня, довольно рано образуют наружную оболочку глазной чаши. Реагируя на индукционное влияние от глазной чаши, этот мезенхимный покров дифференцируется на внутреннюю сильно васкуляризованную оболочку, которая называется сосудистой оболочкой, и наружную оболочку, образованную плотной соединительной тканью и называется склерой. Она придаёт форму глазному яблоку и позволяет осуществлять жесткое прикрепление мышц, движущих глаз в глазной впадине. Склера в передней части глаза переходит в структуру, покрывающую хрусталик и радужку – роговицу. В постнатальном периоде эта многослойная прозрачная структура, которая подобно хрусталику должна без искажений пропускать световые лучи к сетчатке.

У человека веки начинают развиваться на 7-ой неделе внутриутробной жизни в виде складок кожи, растущих над роговицей. К концу 9-ой недели развития обе разросшиеся складки встречаются друг с другом, закрывая глаз, и срастаются. В срастании век участвуют только эпителиальные слои вдоль их краев. Пространство между веками и передней части глазного яблока называется коньюктивальным мешком. Наиболее крупными железами, открывающиеся в него, являются слезные. Они возникают из множества эпителиальных почек, появляющихся на 9-ой неделе. В процессе развития положения глаз у зародыша меняется. У 6-ти недельного зародыша глаза находятся по бокам головы (бинокулярное зрение не возможно, угол зрения – 160 градусов). В конце 7-ой недели угол зрения становится 120 градусов, на 8-ой неделе – глаза начинают смотреть вперед, а к 10-ой недели (длина зародыша 40-50 мм) угол зрения равен 70 градусам, т.е. на 10 градусов больше, чем у взрослого человека.

Орган слуха. У млекопитающих ухо делится на части – наружную, среднюю и внутреннюю. Наружная – это ушная раковина и наружный слуховой проход. Среднее ухо – звукопроводящий аппарат, включающий 3 слуховые косточки, которые воспринимают вибрацию барабанной перепонки и передают её внутреннему уху. Внутренняя часть представляет сложную систему выстланных эпителием и заполненных жидкостью камер и каналов, образующих так называемый перепончатый лабиринт, который в свою очередь лежит в костном лабиринте – полости височной кости, повторяющей форму перепончатого лабиринта. Узкое пространство между стенками костного и перепончатого лабиринта называется перилимфатическим и заполнено перилимфатической жидкостью. Часть перепончатого лабиринта, воспринимающего звук, называется улиткой. С улиткой тесно связан вестибулярный комплекс, который является органом равновесия. Вестибулярная часть перепончатого лабиринта состоит из мешочка (sacculus), маточки (utriculus) и трех полукружных каналов. Филогенетически это наиболее древняя часть уха, появившаяся ещё у рыб.

Первым закладывается перепончатый лабиринт или внутреннее ухо. Закладка слухового пузырька из головной эктодермы индуцируется тканями заднего мозга. У человека в начале 3-ей недели по сторонам ещё открытой нервной пластинки возникает незначительное утолщение головной эктодермы, что указывает на начало формирования слуховых плакод. В середине 3-ей недели плакоды хорошо выражены, а в конце 3-ей недели слуховые плакоды приобретают форму четко очерченной эктодермы по бокам развивающегося продолговатого мозга. В течении 4-ой недели плакоды инвагинируют и образуется слуховая ямка, которая становится все глубже, отшнуровывается и закладка уха называется слуховым пузырьком. Увеличиваясь, слуховой пузырек удлиняется дорзо-вентральном направлении. В том месте, где эпителий отшнуровывается от поверхности эктодермы, развивается трубчатый отросток пузырька – эндолимфатический проток. Дорзальная часть, связанная с эндолимфатическим протоком, является закладкой вестибулярной части перепончатого лабиринта, а более тонкая вентральная часть – закладкой улитки.

В конце 6-ой недели развития на вестибулярной части слухового пузырька появляются гребневидные выросты, что указывает на начало дифференциации полукружных протоков. Всего формируется 3 протока. Каждый лежит а плоскости перпендикулярной двум другим. Одновременно с образованием полукружных каналов, вестибулярная часть слухового пузырька подразделяется на более дорсальную область, называемая маточкой, и более вентральную область – мешочек. После завершения этого разделения полукружные каналы открываются в маточку. Один из концов канала, открывающихся в маточку расширен, образует ампулу. Внутри каждой ампулы развивается специализированная область – гребешок (crista), содержащий нейроэпителиальные клетки, волосовидные отростки которых выступают в полость ампулы. Эти специализированные рецепторы снабжаются ветвями вестибулярной части 8 черепного нерва. При изменении положения головы жидкость внутри полукружных каналов в силу своей инерции движется в обратном направлении и раздражает чувствительные клетки гребешка. В мешочке и маточке развиваются специализированные области называемые пятнами (maculae), образованы они нейроэпителиальными клетками, иннервируемые вестибулярной веточкой 8 нерва. Импульсы в пятнах несут информацию о статическом положении тела; импульсы от полукружных каналов – об изменениях положения.

Из улитковой части перепончатого лабиринта развивается звуковоспринимающая область внутреннего уха. Улитка состоит из трех параллельных протоков: центрального улиткового протока и двух перилимфатических протоков: дорсального и вентрального. Улитковый проток – кортиев орган, звуковоспринимающий орган, связан с терминальными волокнами в спиральном ганглии. Звуковая волна деформирует барабанную перепонку, её движения через слуховые косточки в среднем ухе механически передают мембране овального окна, которая в свою очередь колеблет жидкость внутри улитки; затем воспринимаются кортиевым органом, которые переделывает их из механических в нервные импульсы.

Одновременно образованием звуковоспринимающего аппарата развивается и звукопередающий механизм среднего уха. Первый глоточный карман простирается латерально, до тех пор, пока выстилающая его энтодерма не соприкасается с эктодермой первой жаберной дуги. Из дистальной части его образуется закладка полости среднего уха (барабанная полость), а проксимальная часть вскоре сужается и образует слуховую (евстахиеву) трубу. Контакт энтодермы глоточного кармана и эктодермы дна жаберной борозды продолжается недолго. Слепой конец кармана (закладка барабанной полости) отходит от поверхности и окружается мезенхимой, по мере развития, из мезенхимы дифференцируются хрящевые закладки слуховых косточек.

Филогенетически слуховые косточки гомологичны костям подвеска из сочленения челюстей низших позвоночных животных с нейрокраниумом. Молоточек и наковальня происходят из первых жаберных дуг и гомологичны сочленовной (articulare) и квадратной (quadratum) костям, образующим сочленение верхним и нижним челюстям низших позвоночных, включая рептилий. Третий элемент – стремечко у млекопитающих – происходит из наиболее дорсально расположенной части второй (гиоидной) висцеральной дуги. Это гиомандибуляре. У амфибий она стала костью в среднем ухе.

Мышцы и нервы, связанные с косточками среднего уха, в соответствии со своим фило- и онтогенетическим происхождением, возникают из первых и вторых жаберных дуг.

Ушная раковина (наружное ухо) образуется из мезенхимы, окружающей первую (гиомандибуляре) жаберную борозду раннего зародыша. У зародыша человека в течении второго месяца развития появляется группа бугорков, некоторые из них возникают из тканей нижнечелюстной дуги и расположены ростральнее первой жаберной борозды, другие из гиоидной дуги и лежат вдоль каудальной границы этой борозды. Сращение этих бугорков и их дальнейшее развитие приводит к образованию ушной раковины. В зависимости от количества бугорков изменяется конфигурация раковины. Европейская полиция пользуется конфигурацией ушной раковины для идентификации интересующих её лиц.

Развитие эпидермиса. Большая часть эктодермы, остающейся на поверхности зародыша после нейруляции, развивается в эпидермис кожи. Но мы уже знаем, что и различные другие структуры являются дериватами эктодермы. Она участвует в формировании глаза, уха. Большое число других органов и частей органов развиваются в связи с дифференциацией эпидермиса: перья, чешуи, потовые и сальные железы, млечные железы у млекопитающих и др.

Эпидермис раннего эмбриона птиц и млекопитающих сначала состоит из одного слоя клеток. У куриного зародыша он, дифференцируясь взаимозависимо с подлежащей соединительной тканью, на 7-ой день развития становится двухслойным. И лишь на поздних стадиях развития птиц и млекопитающих возникает внутренний листок, состоящий из ряда слоев размножающихся клеток – так называемый мальпигиев слой эпидермиса. У куриного зародыша на 17-ый день развития эпидермис становится многослойным. В теснейшей взаимозависимости дифференцируются эпителий и соединительно-тканная часть кожи – дерма. Вместе они и составляют кожу как орган. Соединительно-тканная часть кожи развивается из мезенхимы, которая является производной мезодермального пласта зародыша (дерматом) и нервного гребня.

Роговой покров, который является производным эктодермы у наземных позвоночных имеет, по-видимому, первоначальную задачу предохранения кожи от высыхания, и состоит из 2-х слоев: нижний – мальпигиев слой, верхний – роговой. У рептилий утолщение рогового слоя происходит небольшими участками, между которыми он остается более тонким, благодаря чему сохраняется подвижность животного. Таким образом, развиваются бугорчатые чешуи, представляя собой наиболее примитивную форму. Иногда чешуй бывают в виде пластинок – черепицеобразные чешуй (ящерицы и змеи). Иногда чешуи преобразуются в шипы и различные сложные выросты. У других позвоночных роговые чешуи покрывают только нижние части ног (у птиц), а у млекопитающих встречаются, в виде исключений, на хвосте (бобры, крысы и др.).У рыб филогенетически закладываются и развиваются плакоидные, ганоидные и костные чешуи, выполняющие у них роль кожного скелета.

У птиц тело покрыто роговыми образованиями более сложного строения – перьями. Как они развиваются? Молодой зачаток пера является в виде скопления мезодермальных клеток, которые приподнимают эпидермис в виде бугорка, который затем начинает расти назад. На этом этапе зачаток пера сходен с зачатком чешуи. Затем кожа, окружающая основание зачатка, углубляется, образуя влагалище пера, а сам зачаток состоит из центральной массы мезодермы (мякоть пера), окруженной довольно толстым эпидермисом. Поверхностный слой эпидермиса состоит из плоских клеток, глубокий – из цилиндрических. Затем в эпидермисе образуются продольные утолщения, которые более или менее глубоко вдаются в мякоть пера и затем вполне отделяются от поверхностного слоя, образующего чехлик на молодом пере. Сами утолщения ороговевают и дают бородки эмбрионального пуха, которые свободно распадаются на коротком стержне, когда чехлик сбрасывается. Мезодермальная мякоть пера отстает от эпидермиса и является сосочком у его основания и обильно снабжается кровеносными сосудами.

Волосы также представляют роговое образование довольно сложного строения. Развитие волоса в отличии от чешуи и пера, начинается в эпидермисе. Эпидермический зачаток погружается глубоко в мезодермальную часть кожи и здесь в массе клеток начинается дифференцировка – наружные слои дают начало наружному и внутреннему влагалищу (а также и сальным железам, образующимся в виде боковых выростов зачатка), а глубокая масса клеток превращается в зачаток собственного волоса. Снизу в зачаток вдается питающий его мезодермальный сосочек. Клетки зачатка волоса начинают ороговевать, и волос начинает нарастать за счет луковицы снизу, и конец его пробивается через влагалище наружу.

Клетки эпидермиса обнаруживают способность к секреторной деятельности, вырабатывая жидкие вещества, в частности, слизи. Такие железистые клетки рассеяны в эпидермисе низших позвоночных, иногда в большом количестве. У земноводных эпидермис также содержит большое количество железистых клеток. У рептилий и птиц кожа лишена желез. У млекопитающих – обилие кожных желез. Так, потовая железа развивается в виде плотного выроста основного слоя эпидериса, растущего вглубь кориума. Обычно закладка (трубчатой) потовой железы связана с закладкой волоса. К типу альвеолярных желез относятся сальные, которые развиваются как выросты от влагалища волос. Млечные железы есть результат видоизменения трубчатых потовых желез. Секрет последних иногда также содержит и белки и жиры.