Введение к работе
Актуальность проблемы.
Типы циклов развития и метаморфоза у разных животных сильно варьируют, но, по современным представлениям, в их основе должны лежать общие принципы (Nielsen, 2000). Морские беспозвоночные с широким спектром онтогенезов являются хорошими объектами для выявления этих закономерностей. Огромный вклад в изучение эволюции жизни и жизненных циклов был сделан благодаря исследованиям, проводимым на иглокожих (тип Echinodermata). Эмбрионы и личинки иглокожих не только удобные модельные объекты, они вызывают интерес исследователей в связи с проблемой происхождения хордовых.
Иглокожие (тип Echinodermata) и полухордовые (тип Hemichordata) являются группами филогенетически близкими к хордовым (тип Chordata). И именно сходство эмбрионального и личиночного развития легли в основу представления о близком родстве этих трех типов, что подтверждают данные молекулярного анализа (Adoutte et al., 2000 цит. по: Nielsen, 2002). В современной эмбриологии иглокожих с полухордовыми объединяют в группу вторичноротых животных с личинкой типа диплеврула (Иванова-Казас, 1995). Предполагается, что и предки хордовых когда-то имели аналогичную личинку.
В эволюционной эмбриологии иглокожих существует несколько основных спорных моментов. Во-первых, это вопрос происхождения личинок у иглокожих и полухордовых. Общепринято мнение о гомологии личинок, но высказывается предположение о конвергентном сходстве личинок. В этой связи с каждым годом увеличивается количество работ, посвященных внутреннему строению и особенно нервной системе личинок иглокожих и полухордовых (Даутов, Незлин, 1991; Lacally, 1996; Nezlin, 2000; Byrne and Cisternas, 2002; Cistemas and Byrne, 2003 Nakajima et al., 2004a, b; Nezlin and Yushin, 2004).
Другая проблема иглокожих связана с возникновением личиночного скелета в двух классах иглокожих: у офиур (Кл. Ophiuroidea) и морских ежей (Кл. Echinoidea). Только эти два класса иглокожих имеют очень схожих личинок - плутеусов со сложным скелетом, при этом метаморфоз у данных личинок проходит с существенными отличиями. Остается непонятным, как возникли эти личинки, и чем
*)2).
обусловлено их сходство: конвергенцией ил(| гррюИИЩЯЮИ#ЬЩ#
С О»
В последнее время большое внимание привлекает еще одна «загадка» иглокожих - феномен клонирования (почкования) у личинок. Исследования в этом направлении находятся на начальном этапе, и ничего не известно о механизмах, обеспечивающих цитодифференцировку и морфогенез при развитии клонов. Чтобы ответить на вопрос, насколько процесс нормального развития из зиготы сходен с клонированием, необходимо сначала подробно изучить обычное развитие (Balser, 1998).
Ультраструктурное изучение ранних онтогенетических стадий иглокожих, совместно с молекулярными и гистохимическими исследованиями, может дать необходимые факты для последующего сравнительного эволюционно-эмбриологического анализа, который, возможно, ответит на выше указанные вопросы (Hart, 2002). Электронно-микроскопическое исследование офиур особенно актуально, так как их онтогенез наименее изучен и содержит много пробелов. Большинство работ по развитию этих самых многочисленных в видовом отношении иглокожих выполнено с применением только светооптических методов. Необходимы ультраструктурные работы, которые расширят границы понимания происходящих во время онтогенеза процессов.
Цель и задачи исследования.
Целью данной работы было провести сравнительный ультраструктурный анализ дифференцировки клеток во время эмбриогенеза, личиночного развития и метаморфоза представителей двух классов иглокожих - офиуры Amphipholis kochii и морского ежа Scaphechinus mirabilis. Выявить клеточные механизмы морфогенеза и дегенерации клеток во время катастрофического метаморфоза иглокожих. Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:
-
Провести электронно-микроскопическое изучение личиночного развития двух видов иглокожих: офиуры Amphipholis kochii и морского ежа Scaphechinus mirabilis - от момента оплодотворения до стадии компетентного к оседанию плутеуса.
-
На ультраструктурном уровне выявить клеточные механизмы, обеспечивающие дегенерацию провизорных органов при метаморфозе плутеусов обоих видов.
-
Исследовать в сравнительном аспекте преемственность личиночных органов в ходе метаморфоза двух видов.
-
Провести сравнительный анализ развития офиур и морских ежей, имеющих
5 планктотрофных плутеусов, с развитием других животных с личинками типа диплеврула.
Научная новизна.
Впервые на ультраструктурном уровне изучено эмбриональное, личиночное развитие и метаморфоз офиур. Прослежено формирование таких личиночных органов, как желудочно-кишечный тракт, ресничный шнур у офиуры Amphipholis kochii и морского ежа Scaphechinus mirabilis. Прослежена дифференцировка клеток эктодермального, энтодермального и мезенхимного рядов. Проведено сравнительное исследование двух личинок со сложным скелетом, которое показало, что, несмотря на отличия в последовательности закладки и пространственном положении личиночных рук, личинки очень похожи на всех этапах развития.
Получены дополнительные данные по личиночному развитию и метаморфозу морских ежей на ультраструктурном уровне. Установлены клеточные механизмы, обеспечивающие перестройки во время метаморфоза офиур и морских ежей. Обнаружены морфологические свидетельства апоптоза в клетках личиночного эпидермиса и задней кишки плутеусов, свидетельства автофагии и фагоцитоза в клетках желудка и амебоцитах личинок.
Теоретическое и практическое значение работы.
Полученные данные расширяют наше понимание процессов эмбриогенеза, личиночного развития и метаморфоза иглокожих, дают дополнительные сведения о клеточных механизмах, обеспечивающих морфогенез в этот период. Сравнение личиночного развития офиур и морских ежей с развитием других иглокожих подтверждает гомологию личинок иглокожих, а возникновение провизорного скелета только в двух классах иглокожих: у офиур и морских ежей - вероятно, обусловлено параллелизмом, а не конвергенцией. Ранняя закладка скелета у личинок двух классов возникла, по-видимому, в результате гетерохронии в развитии с ранней дифференцировкой скелетогенных клеток. Полученные данные могут быть включены в программу общих и специализированных курсов по биологии развития для высших учебных заведений.
Апробация работы.
Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на 2 и 3-й Региональных конференциях по актуальным проблемам морской биологии и экологии (Владивосток, 1999, 2000); 5-ой Международной конференции по
личиночной биологии (Испания, Виго, 2002); конференции студентов, аспирантов и молодых ученых НОЦ ДВГУ "Фундаментальные исследования морской биоты" (Владивосток, 2002); Региональной конференции молодых ученых ДВО РАН (Владивосток, 2002); ежегодных научных конференциях института биологии моря ДВО РАН (Владивосток, 2002,2003).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 работ и 1 находится в печати.
Структура и объем диссертации.