ОНТОГЕНЕЗ, 2012, том 43, № 3, с. 193-201
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭМБРИОЛОГИЯ ^
УДК 597.828:591.34
КРИТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ В ЭМБРИОГЕНЕЗЕ R. arvalis. ЧАСТЬ 2: РАЗВИТИЕ ГОЛОВНЫХ СТРУКТУР1
© 2012 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 17.09.10 г. Окончательный вариант получен 27.09.10 г.
Анализ динамики вариабельности формирующихся головных структур головастиков остромордой лягушки (R. arvalis) позволил выявить периоды, на которых происходит сужение пределов изменчивости их характеризующих признаков. Эти, так называемые "критические периоды", для одних структур в процессе индивидуального развития сменяются критическими периодами для других структур. Однако для некоторых головных структур исследование индивидуальной изменчивости не позволило выявить критические стадии развития в эмбриогенезе. Возможно, это связано с анализом непродолжительного периода развития и на более поздних стадиях будет возможно выделить критические периоды в формировании таких структур.
Ключевые слова: критические периоды развития, изменчивость, Rana arvalis.
Представление о действии естественного отбора исключительно на поздние этапы эмбриогенеза основано еще на работах Геккеля о консервативности раннего развития и онтогенетически более позднем формированием специфических для каждого таксона черт (Richardson, 1999). Аналогичный подход используют и некоторые молекулярно-ге-нетические исследователи (Slack et al., 1993). Тем не менее, нельзя не учитывать, что ранние стадии развития, включая деление и гаструляцию, могут сильно различаться даже среди родственных видов (Wray, 1995; Chipman, 2002). При этом наблюдающееся ранее морфологические различия по мере развития "сходятся", формируя так называемую филотипическую стадию, которая может совпадать с геккелевскими консервативными стадиями (Hall, 1997; Richardson, 1998). Понятие "филоти-пическая стадия" в современном виде определяет стадии с большим числом консервативных морфологических признаков, по сравнению с количеством специализированных признаков (Hall, 1997).
Одним из методов, позволяющим выделить такие периоды в раннем развитии может быть использование тератогенов (Shenefelt, 1972). При их воздействии происходит закономерное кратковременное повышение чувствительности зародышей
1 Предлагаемая статья является второй частью серии статей. Часть 1 посвящена изучению критических периодов в эмбриогенезе остромордой лягушки на основе анализа общих размеров зародыша, а часть 3 — на основе пропорциональных характеристик.
на раздражение даже ничтожной силы и, как следствие, включение цепей морфогенетических реакций и/или нарушение темпов развития отдельных закладок органов у эмбрионов (Stockard, 1921; Goldschmidt, 1938). Так формируется пластичность развития, при генетической ассимиляции которой возможны эволюционные преобразования развития (Waddington, 1953, 1956). Такой подход сближает представления классических работ Светлова о "критических периодах развития", как о периодах детерминации (Светлов 1960, 1978) с современной теорией "филотипических стадий развития" и данных генетики развития (Richardson, 1999), в частности данных по паттерну экспрессии гоме-обоксных генов (Slack et al., 1993).
Еще в 1956 году Уоддингтон писал: "Есть промежуточные периоды развития, когда эмбрионы наиболее сходны; возможно, потому, что в это время быстро закладываются основные структуры эмбрионов и для эволюции очень трудно что-то изменить в этот период без ввергания всего развития в полный беспорядок" (Waddinton, 1956, с. 9). С точки зрения исследования эволюционных преобразований онтогенеза важно выявить такие стадии и не только на ранних этапах эмбриогенеза, но и на ранних этапах органогенеза. Классическим методом выявления критических периодов в развитии является оценка возрастания смертности и/или доли аномалий развития. На это указывалось и в работах Светлова и его последователей, работавших в основном с эмбрионами рыб (Трифонова, 1954). Этот же подход применяется и в современ-
ных работах, подтверждающих представление о некоторых стадиях развития, в частности стадии вылупления и предметаморфозных стадиях, как критических в развитии амфибий (Журавлева, 2009; Greulich, Pflugmacher, 2003; Mortensen et al., 2006; Gross et al., 2009).
Однако мы применили иной подход, основываясь на анализе изменчивости формирующихся структур, используя оценку вариабельности нормального развития зародышей. Впервые этот метод был предложен Дорфманом и Черданцевым, в чьих работах было введено представление об "узловых стадиях развития", соответствующих "критическим периодам" (с. 167, Дорфман, Черданцев, 1977).
В нашей предыдущей статье, используя этот метод, мы показали, что развитие остромордой лягушки характеризуется несколькими периодами сужения пределов вариабельности анализируемых признаков (Северцова, Северцов, 2010). Эти периоды соответствовали общеизвестным критическим (узловым) периодам в эмбриогенезе: стадиям поздней гаструлы, стадии вылупления и, возможно, стадии почки задней конечности. Однако мы анализировали только признаки, характеризующие размеры тела и изменения, тесно связанные с процессами роста. В предлагаемой работе нам хотелось проанализировать динамику вариабельности признаков, характеризующих не столько рост, сколько дифференциацию структур переднего отдела тела головастика. Этот интерес, прежде всего, связан с тем, что как показывают наблюдения аномальные и погибшие головастики во время критических периодов развития (например, вылупле-ния) не имели ярко выраженных аномалий этих структур. Наиболее часто отмечались искривления позвоночника (Северцова, Северцов, 2010).
Задачей данного исследования было выявление критических периодов в формировании головных структур головастиков на отрезке онтогенеза со стадии хвостовой почки до стадии почки задней конечности.
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 глубокую 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 постоянный водоем пополняется 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 градусов. Стадии развития определялись согласно таблицам Дабагян и Слепцовой (1975), разработанным для травяной лягушки, но часто аппроксимируемым и на 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 до 39 головастиков фиксировали каждые 3— 4 часа 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): длина морды (Dl) — от основания жабр до наиболее выступающей части морды; высота морды (Vis) — от края ротовой присоски до точки наиболее выступающей части морды; ширина головы (Wg) — расстояние, измеренное по линии жаберных щелей у головастика, лежащего на спине; длина головы (Dlg) — расстояние, измеренное у головастика, лежащего на спине от линии жаберных щелей до наиболее выступающей точки морды; ширина ротовой присоски (W) — расстояние между валиками ротовой присоски; высота ротовой присоски (H) в сагиттальном направлении; ширина ротового отверстия (R) — расстояние между уголками ротового отверстия; расстояние между зрачками глаз (eye). Помимо вышеперечисленных признаков нами использовались признаки, подробный анализ которых проводился в статье, посвященной критическим периодам ростовых процессов зародышей остромордой лягушки (Север-цова, Северцов, 2010). Эти признаки отмечены на рис. 1 серым цветом: общая длинна зародыша (Lo); длина тела зародыша (Lb); длина хвостовой пластины (Lx) и ширина хвостовой пластины (Wx).
Полученные данные обрабатывали при помощи программ Excel и STATISTICA 6.0. Рассчитывался коэффициент вариации для каждой стадии каждой кладки. На основе однофакторного дисперсионного анализа вычислялся коэффициент
Рис. 1. Морфометрические признаки на примере 38 стадии развития остромордой лягушки (Rana arvalis). Обозначения признаков см. в тексте.
внутриклассовой корреляции по Фишеру (п2 (%)), с помощью которого определялась доля (в %) внутрикладочной и межкладочной изменчивости. Так же рассчитывались общие коэффициенты вариации (Суобщ), рассматриваемые нами как обобщенная характеристика вариабельности развития зародыша в целом, и коэффициенты детерминации (К2), выступающие как показатели согласованности развития формирующихся структур зародыша.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В этой статье проанализированы признаки, характеризующие развитие размеров тела головастика, его ротового аппарата и месторасположения глаз. Поскольку морфометрия этих структур проводилась на довольно поздних стадиях, то мы, для обеспечения репрезентативности выборок, объединили данные для трех анализированных по
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.