ОНТОГЕНЕЗ, 2011, том 42, № 5, с. 378-389
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭМБРИОЛОГИЯ
УДК 597.828:591.34
КРИТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ В ЭМБРИОГЕНЕЗЕ R. arvalis. ЧАСТЬ 1: ЛИНЕЙНЫЕ РАЗМЕРЫ ЗАРОДЫША1
© 2011 г. Е. А. Северцова, А. С. Северцов
Московский государственный университет им М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Ленинские горы
E-mail: Severtsova@mail.ru Поступила в редакцию 27.01.2010 г. Окончательный вариант получен 13.09.2010 г.
Постадийный анализ изменения значений коэффициентов вариации признаков, характеризующих линейные размеры зародыша остромордой лягушки (Rana arvalis Nills.), позволил выявить критические периоды в эмбриональном развитии этого вида. Эти критические периоды соответствуют стадиям поздней гаструлы (18—20 стадии), стадии вылупления личинок из оболочек (32—33 стадии) и, по-видимому, стадии начала метаморфоза (39 стадия). Однако процесс формирования хвостовой пластины, в частности, значимость ее ширины, становится критическим на 34-й стадии развития, когда наблюдается переход головастиков от прикрепленного к свободноплавающему образу жизни. Эти данные позволяют предположить, что адаптивные преобразования в эмбриогенезе происходят как раз во время критических периодов развития (в понимании П.Г. Светлова) или на узловых стадиях (в понимании В.Г. Черданцева) и могут определять эволюцию не только всего зародыша в целом, но и его отдельных структур, несущих самостоятельную функциональную нагрузку. На межузловых стадиях развития мы наблюдали различия в уровне вариабельности эмбриогенеза между районами с разным характером антропогенной нагрузки.
Ключевые слова: критические периоды развития, изменчивость, Rana arvalis.
Исторически термин и понятие "критический период" зародились на рубеже XIX и XX веков в экспериментально-эмбриологических работах по изучению влияния повреждающих факторов окружающей среды на развитие. Эта проблема получила широкое развитие благодаря работам А. Вейсмана. Экспериментируя на личинках и куколках бабочки СНгузопоштрЫавз, Вейсман (^Ыятапп, 1894) показал, что длительные температурные воздействия, отклоняющиеся от физиологического оптимума, приводят к изменению ряда признаков у взрослых особей. В исследованиях Штандфуса на насекомых был выяснен интересный факт, а именно: "В проведенных экспериментах выявляются строго определенные фазы развития, являющиеся чрезвычайно реакционноспособными по отношению к применяемым факторам" (81апё]те8, 1896, с. 324, цит. по Пучков, 1978).
Термин "критические периоды" в 1897 году ввел ботаник П.И. Броунов. Он говорил о периодах наибольшей чувствительности сеянцев злаков, всходов картофеля и иных растений, отмечая, что в эмбрио-
1 Предлагаемая статья является первой частью серии статей. Часть 2 будет посвящена изучению критических периодов в эмбриогенезе остромордой лягушки на основе анализа размеров головных структур, а часть 3 — на основе пропорциональных характеристик.
нальном и постэмбриональном развитии происходит смена периодов, во время которых организм стоек к различным воздействиям, на периоды, когда он чувствителен, в равной степени, к действию различных агентов. Работами С.Р. Стоккарда ^оскагё, 1907, 1921) и С. Келликота (КеШс^, 1916), проведенными на эмбрионах ВыМШш Нв1вго-е1Шз, было положено начало серии исследований, так называемых критических периодов в ходе развития эмбрионов позвоночных. Стоккард ^оск-агё, 1921) "критическими периодами" называл периоды, когда происходит нарушение темпов развития отдельных закладок органов у эмбрионов. Эти представления получили дальнейшее развития в работах Р. Гольдшмита (Оо1ё8сЬт1ё1, 1938), создавшего представление о координированной системе скоростей в перемещении клеточного материала, которая особенно легко нарушается в период закладки органов.
Классическими работами по изучению критических периодов развития признаны труды П.Г. Светлова (1960, 1978). Он писал: "Главным признаком, характеризующим критические периоды развития, является высокая чувствительность клеток зародышей к действию внешних агентов, обусловленная пониженной регулятивной деятельностью в эти периоды" (цит. по Светлов, 1960, с. 281). Эмбриологи-
ческий смысл критических периодов заключается в том, что в это время происходит детерминация процессов развития до конечного состояния, достигаемого теми или иными единицами развивающейся системы к концу данного этапа онтогенеза. Внешние факторы, к которым особенно велика чувствительность в эти периоды, могут ускорять, замедлять или совсем приостанавливать развитие (Токин, 1987). Принято считать, что у низших позвоночных одним из таких критических периодов является стадия гаструлы, а у млекопитающих — стадия бласто-цисты, в период ее имплантации в стенку матки (Светлов, 1978). Однако выявление этих периодов проводилось на основе оценки увеличения числа проявляющихся в фенотипе нарушений морфогенеза в ответ на воздействие факторов окружающей среды. Иной подход был применен Дорфманом и Черданцевым, в работах которых был введен термин "узловые стадии развития" (Дорфман, Чердан-цев, 1977). И хотя, по мнению авторов, "они (т.е. узловые стадии) должны соответствовать так называемым "критическим периодам развития" (с. 167), их выделение основано на оценке вариабельности нормального развития зародышей.
Проведенные ранее исследования по изучению влияния антропогенного загрязнения нерестовых водоемов на эмбриогенез бесхвостых амфибий показали, что при анализе морфометрии развития зародышей можно выявить стадии, для которых значения коэффициентов вариации оказываются близкими для разных кладок (Северцова, 2002). Это соответствует понятию "узловые стадии развития", т.е. стадии, где происходит "сглаживание индивидуальных вариаций морфологии и зародыш приобретает более или менее стандартное строение..." (Дорфман, Черданцев, 1977, с. 167). Тем не менее, выделение критических периодов или узловых стадий на постгаструляционных этапах развития не проводилось.
Задачей данного исследования было выявление критических периодов (или узловых стадий) в развитии остромордой лягушки (Rana arvalis Nills.) с использованием метода оценки вариабельности морфогенеза. Кроме того, нас интересовал вопрос о влиянии такого эволюционно нового фактора окружающей среды, как антропогенное загрязнение нерестовых водоемов, на характер динамики изменчивости эмбриогенеза.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследование проводилось на эмбрионах остромордой лягушки Rana arvalis Nills., собранных на нулевой стадии развития из водоемов двух районов города Москвы и подмосковного водоема. В районе Южное Бутово из водоема, расположенного на окраине Битцевского парка, примерно в полукилометре от внешнего кольца МКАД, были взяты пробы от 6 кладок. Водоем представляет собой глубо-
кую яму, заполняемую талой водой и содержащую большое количество бытового и промышленного мусора (полиэтиленовые пакеты, автомобильные покрышки и т.п.). Второй водоем располагался в районе Востряково, в 200 метрах от внутреннего кольца МКАД, рядом с бензозаправкой. Этот водоем является постоянным, пополняемым как за счет талой воды, так и за счет воды, поступающей из соседних, более крупных прудов. Из него были собраны пробы от 6 кладок. Третий водоем, из которого осуществлялся сбор проб икры остромордой лягушки от пяти кладок, расположен в 50 км к западу от Москвы, на территории Звенигородской биологической станции МГУ, рядом с деревней Луцино. Этот водоем представляет собой зарастающее болото с достаточно кислой водой (рН 5.2).
Пробы икры, объемом около 100 икринок от каждой кладки, переносились в лабораторию и помещались в кристаллизаторы с водой из нативных водоемов. Температура воды поддерживалась в пределах 15—19°С. Стадии развития определялись согласно таблицам Дабагян и Слепцовой (1975), разработанным для травяной лягушки, но часто применимым и для развитие остромордой лягушки. Каждые 3—4 часа по 10—15 зародышей, развивающихся в кристаллизаторах, фотографировали при помощи фотокамеры, установленной на бинокуляре фирмы Zeisse. На стадиях от 33-34-й до 39-й головастиков фиксировали каждые 3—4 ч по 10—15 штук. По достижении 39-й стадии эксперимент прекращали и фотографировали фиксированных зародышей.
На основе полученных фотографий, с помощью программы Axio Vision (Zeisse) проводились промеры зародышей по следующим признакам (рис. 1). У зародышей до стадии поздней нейрулы измерялся апико-базальный диаметр икринки (01), что позволяло сопоставить эти промеры с промерами общей длинны зародыша (Lo), полученными для более поздних стадий. На стадиях, начиная со стадии хвостовой почки, помимо Lo, отдельно измерялась длина тела зародыша (Lb), от наиболее выступающей части головы до анального отверстия; длина хвостовой пластины (Lx), от анального отверстия до конца хвостовой пластины; и ширина хвостовой пластины (Wx), по наиболее широкой части середины хвостовой пластины.
Полученные данные обрабатывались при помощи программ Excel и Statistica 6.0. Рассчитывался коэффициент вариации для каждой стадии каждой кладки. На основе однофакторного дисперсионного анализа вычислялся коэффициент внутриклассовой корреляции по Фишеру (п2 (%)), с помощью которого определялась доля (в %) внутрикладочной и межкладочной изменчивости.
39-я стадия
Рис. 1. Морфометрические признаки на примере трех стадий развития остромордой лягушки (Rana arvalis). Обозначения признаков см. в тексте.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В ходе экспериментальной работы нами регистрировались случаи возникновения аномалий развития и гибели зародышей (рис. 2). Две кладки из районов Луцино (№ 5) и Бутово (№ 6) погибли полностью на стадиях поздней гаструлы (16-19-й стадии развития). Поскольку аномалии, которые мы фиксировали, в природных условиях не совместимы с жизнью, мы объединили имеющиеся данные в единый показатель "смертность". Наиболее высокий показатель такой "смертности" наблюдался в кладках из района Бутово. Так, пик "смертности" наблюдался на стадиях 32-33 в четырех кладках и составлял от 2 до 30%. В дальнейшем развитии "смертность" не велика, менее 2%, и только к
39-й стадии развития присутствовала в трех кладках и составляла от 2 д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.