Оплодотворение—сложный процесс, его основные компоненты таковы: 1) физический контакт гамет,2) взаимодействие мембранной поверхности, ведущее к слиянию двух клеток;
3) физиологическая реакция оболочки яйца, препятствующая дальнейшему проникновению спермы и обычно называемая блокадой полиспермии;
4) активация метаболизма ооцита;
5) слияние пронуклеусов с формированием нового диплоидного генома зиготы;
6) инициация раннего дробления.
В понимании общих принципов этого процесса особую роль сыграли морские беспозвоночные с наружным оплодотворением.
Точная последовательность событий зависит от степени зрелости «яйца» в момент слияния гамет. У некоторых беспозвоночных они сливаются до окончания мейоза и отделения полярных телец. В других случаях мейоз заканчивается до оплодотворения. Например, у морского ежа он к этому моменту завершен, а яйцеклетка морской звезды вступает в метафазу I мейоза непосредственно перед выметыванием (см. гл. 16) и, если не будет оплодотворена, он дальше не пойдет, т.е. полярные тельца появляются уже после взаимодействия между яйцом и сперматозоидом.
Большинство морских беспозвоночных выметывают яйца и сперму в воду, где и происходит оплодотворение. Можно было бы ожидать, что между мужской и женской гаметами существует какое-то притяжение, но, по сути дела, это бывает довольно редко. В морской воде сперматозоиды становятся активными и совершают хаотические движения, которые в случае достаточно высокой концентрации яиц и сперматозоидов приводят к физическому контакту между гаметами. Лишь в некоторых случаях, например у оболочников, ряда моллюсков и колониальных гидроидов Сатра-nularia наблюдается хемокинез. У упомянутых гидроидов сперма должна проникнуть в яйцо через сравнительно узкое отверстие в гонангии—колбообразной структуре, окружаюшей яйца. Киносъемка показала, что движения отдельных сперматозоидов не хаотичны, а направлены к устью гонан-гия (рис. 15.1). Вещество, экстрагированное из этого устья, привлекает их, будучи растворенным в агаре.Механизм самого обычного оплодотворения яиц хаотически движущимися сперматозоидами полностью еще не ясен. В начале века было обнаружено, что сперматозоиды морского ежа, помещенные в воду, где находились яйца, временно лишаются подвижности, как бы агглютинируясь. Это вызвано диффузией в воде высокомолекулярного вещества (из студенистой оболочки яиц). Его назвали фертилизином, а соответствующий белок-детектор на сперматозоиде— антифертилизином. На поверхности многих яиц находится видоспецифичный коагулянт спермы, но только в некоторых случаях он диффундирует в окружающую среду, как у морского ежа.
Большинство многоклеточных животных начинают жизнь с оплодотворенного яйца, возникшего при слиянии двух очень разных гаплоидных гамет. Слияние дает диплоидную зиготу, и именно эта довольно специфическая клетка развивается во взрослый многоклеточный организм. Последовательность ее ранних, точно организованных делений называется дроблением; во время него роста дочерних клеток не происходит. Зигота особым способом расщепляется на большое количество мелких клеток, взаиморасположение которых в пространстве соответствует организации оплодотворенного яйца. Эта организация может определить судьбу дочерней клетки на ранних стадиях эмбриогенеза. У беспозвоночных обнаружено несколько различных типов дробления яйца, среди которых наиболее известны спиральное у большинства пер-вичноротых и радиальное у вторичноро-тых.
Дальнейшее развитие эмбриона включает его пространственную реорганизацию в соответствии с планом строения взрослого организма, а на более поздних стадиях— дифференцировку клеток в зависимости от их функций у личинки и взрослого организма. Последовательность развития, таким образом, включает следующие этапы:
1) оплодотворение;
2) активация метаболизма зиготы и трансляция материнской информационной РНК (мРНК);
3) дробление;
4) активация ядра зиготы и транскрипция новых специфичных для нее мРНК,
. 5) органогенез; 6) дифференцировка. Развитие часто включает метаморфоз, когда адаптированная к определенным условиям окружающей среды личинка внезапно превращается в резко отличающееся от нее взрослое животное, выполняющее иногда совсем другие функции и адаптированное к совершенно иным условиям (см. гл. 14).
Многие беспозвоночные оказались весьма ценными моделями для анализа биохимических механизмов, участвующих в клеточной дифференцировке и органогенезе. Изучение развития важно и потому, что оно проливает свет на филогенетические взаимосвязи между животными.
В этой главе развитие беспозвоночных будет рассматриваться в основном на основе экспериментальных данных по механизмам клеточной детерминации. Наш обзор включает анализ событий, происходящих в момент оплодотворения яйца, и его реакцию на это. Описание типов дробления дает основу для экспериментального изучения клеточной детерминации, т.е. формирования проспективного значения клеток в ходе онтогенеза. Большое число описательного материала по личиночным формам и метаморфозу закладывает фундамент экспериментальных исследований, раздвигающих границы нашего понимания развития и дифференцировки. В этой главе обсуждается также регенерация у беспозвоночных, т. е процесс восстановления целой структуры из ее фрагмента. Участвующие в этом механизмы сходны с обеспечивающими нормальное развитие.
У животных, обитающих в пресных водах или на суше, нет выбора между планк-тотрофным и ленитотрофным пелагическим или прямым развитием. В этих средах осмотические и другие ограничения не допускают выделения в среду незащищенных сперматозоидов и яйцеклеток, так что оплодотворение должно быть внутренним. Развивающиеся эмбрионы также требуют защиты от потерь воды и осмотического стресса, например с помощью водонепроницаемых покровов или внутри кокона. Следствием этого явилась утрата примитивной пелагической личинки, и размножение крупных мягкотелых неморских беспозвоночных характеризуется следующими признаками:
1) живорождение или откладка яиц, защищенных непроницаемыми мембранами или коконами;
2) внутреннее оплодотворение, требующее непосредственного спаривания партнеров;
3) структурно усложненные, часто нитевидные сперматозоиды;
4) относительно большой вклад материнских ресурсов в каждое яйцо, что снижает плодовитость;
5) забота о потомстве или обеспечение его пищей;
6) многократная или эпизодическая откладка яиц с использованием внутреннего запаса спермы для их оплодотворения;
7) гермафродитизм (особенно характерен для мягкотелых беспозвоночных, но не свойствен членистоногим).
Признаки некоторых пресноводных животных выдают их недавнее происхождение от морских предков. Так. пресноводные двустворчатые моллюски, например беззубка (Anodonta), очень сходны со своими морскими сородичами. Они, в частности, образуют довольно многочисленные глохи-дии (модифицированные личинки-велигеры), которые, однако, не являются свободноживущими, а распространяются, прикрепляясь к жабрам или коже рыб.
Жизненные циклы пресноводных плоских червей, поясковых аннелид и легочных моллюсков очень сходны. Все они -синхронные гермафродиты (кроме утративших способность к половому размножению) и характеризуются сложным половым поведением, высокоспециализированными придаточными железами и способностью защищать развивающиеся эмбрионы. В их жизненные циклы входят продолжительные периоды откладки яиц (см. приложение 14.4). Основной компромисс, на который они вынуждены идти, между плодовитостью и продолжительностью жизни; некоторые виды живут всего год или меньше, другие, обычно более крупные,— несколько лет.
Так как в пресноводной или наземной средах колебания физических параметров значительно сильнее, чем в море, большинство обитающих в этих биотопах беспозвоночных способны переходить в состояние физиологического покоя, называемое диа-паузой. при котором организм переносит без вреда для себя потери воды и экстремальные окружающие условия. Его метаболические потребности снижены, он может обходиться без внешних источников энергии и за счет этого переживать периоды отсутствия корма, характерные для умеренных и полярных областей. У долгоживуших видов, например некоторых легочных моллюсков и поясковых кольчецов, диапауза наступает во взрослом состоянии, а у мелких форм она часто соответствует стадии яйца. Так. многие популяции пиявок в течение зимних месяцев представлены только эмбрионами в коконах. Перезимовывайте в виде покоящихся яиц особенно характерно для таких крошечных форм, как коловратки и некоторые группы ракообразных, в частности для водяных блох (Daphnia). У этих организмов жизненные циклы включают чередование половых и бесполых поколений (рис. 14.4): из диапаузирующего яйца, образующегося в результате полового размножения, весной вылупляются бесполые особи, которые дают начало летним клонам, использующим обильные в это время ресурсы.
Пелагическое развитие часто (но не всегда) связано с наружным оплодотворением, которое в свою очередь сочетается с еще одним предположительно примитивным признаком— простой формой сперматозоида с круглой головкой вроде приведенного на рис. 14.10. Гаметы такого типа встречаются во всех группах животных, и две эти черты характеризуют особый морской тип размножения. С ними связаны и некоторые другие, а все вместе они составляют комплекс коррелирующих между собой особенностей жизненных циклов морских беспозвоночных (табл. 14.5, «Исходные признаки»). Производные, или прогрессивные, признаки, развившиеся на основе этих предположительно примитивных, также перечислены в табл. 14.5. Они особенно характерны для очень мелких морских беспозвоночных, обитающих, например, в интерстициа-ли песчаного дна.
При эволюции относительно крупных размеров тела оказалось возможным сохранение типа размножения, считающегося примитивным. В типах животных без крупных форм, например у киноринхов, а также у мелких моллюсков, аннелид и иглокожих (с крупными сородичами) наблюдаются в основном продвинутые признаки. Они встречаются также у морских беспозвоночных, обитающих в экстремальных или необычных условиях, например на большой глубине или в полярных районах, а также в эстуариях.
Важным свойством, коррелирующим с «примитивным» типом размножения.является массовое высвобождение гамет во время ежегодных нерестов. Как правило, морские беспозвоночные накапливают их в полостях тела (часто в целоме), а затем полностью расходуют в течение единственного нерестового сезона. Одной из причин эволюции продвинутого типа размножения у мелких организмов, возможно, была их неспособность запасать достаточное количество гамет. Два различных типа жизненных циклов с массовым и четко сезонным нерестом рассмотрены в приложении 14.4(3). Более распространен ежегодный нерест при продолжительности жизни два года или более. Однако некоторые виды, например полихеты семейства Nereidae и все головоногие моллюски (за исключением примитивных наутилоидей) нерестятся всего раз в жизни Их массовый нерест сопровождается генетически запрограммированной гибелью.
Для мягкотелых пресноводных и наземных беспозвоночных также характерны продвинутые репродуктивные признаки, приведенные в табл. 14.5. Они описаны в следующем разделе.
Органические загрязнители типа углеводородов, попадающих в среду при утечках нефти, могут проникать в ткани морских беспозвоночных. Они липофильны, поэтому их метаболизация затруднена, и они могут накапливаться в липидных отложениях и липидных компонентах клеточных мембран до такой концентрации, что это нарушает биохимические процессы. Однако у ряда морских беспозвоночных, в частности у некоторых полихет, моллюсков и ракообразных, имеется ферментная система, способная окислять такие токсины путем присоединения атомов кислорода, что делает эти вещества более гидрофильными и, следовательно, легче метаболизируемыми. Эта система довольно неспецифична в отношении субстратов, на которые воздействует, и состоит из нескольких ферментов и цитохромов, связанных в основном с мембранами микросомной фракции эндоплаз-матического ретикулума некоторых тканей (например, пищеварительной железы или гепатопанкреаса). Процесс окисления требует больших затрат энергии; в самом общем виде он представлен на рис. 13.12. Он включает эпоксидирование, гидроксилиро-вание и дезалкилирование. Работа системы требует индукции, т. е. входящие в нее ферменты образуются только при наличии ксенобиотика. Например, содержание соответствующего цитохрома в тканях мидий возрастает после суточного воздействия дизельного топлива и возвращается к норме через 8 дней после снятия стресса.
Оксигеназы с широкой субстратной специфичностью присутствуют и у растительноядных насекомых, где они, вероятно, участвуют в обезвреживании природных органических токсинов, вырабатываемых растениями для защиты от фитофагов. Например, у насекомых-полифагов активность ОШСС обычно выше, чем у стенофагов (более специализированных в смысле питания), по-видимому, в связи с воздействием более широкого спектра токсичных соединений, включая фенолы, хиноны, терпеноиды и алкалоиды.Тяжелые металлы типа ртути, кадмия, меди, серебра и олова могут быть исключительно токсичными для водных беспозвоночных. Например, они способны денатурировать ферменты, так как, взаимодействуя с ними, изменяют их третичную структуру.Однако некоторые морские беспозвоночные, в том числе крабы, двустворчатые моллюски, блюдечки и некоторые аннелиды, обезвреживают тяжелые металлы, связывая их с особыми белками, называемыми металлотионеинами. Это соединения низкого молекулярного веса, богатые SH-группами из-за высокого содержания аминокислоты цистеина. SH-группа может связывать или хелатировать металлы, что делает их менее токсичными.
Этот способ включает либо избегание встреч с хищниками, либо незаметность для них. Примером использования обеих стратегий служит массовая вертикальная миграция некоторых морских и пресноводных планктонных животных. Хотя ее характер обычно сложен, он часто включает уход вниз от солнечного света в дневное время и всплывание ночью. Тем самым животные снижают вероятность быть замеченными хищниками, руководствующимися при охоте зрением (рис. 13.3, А). Такое поведение особенно выражено у наиболее уязвимых для хищничества видов и возрастных классов. Более того, в результате уникального исследования одного из видов веслоногих в нескольких изолированных горных озерах показано (Gliwicz, 1986), что вертикальные миграции этого рачка происходят только там, где обитают планктоноядные рыбы. Удалось также пронаблюдать эту миграцию в одном из озер на разных стадиях его заселения такими рыбами. Через 12 лет после первого их появления вертикальная миграция была выражена слабо, но еще через 23 года четко прослеживалось погружение рачков в дневное время. Однако хищничество не служит единственным и исчерпывающим объяснением эволюционного возникновения вертикальных миграций, ибо некоторые беспозвоночные опускаются в их процессе на глубину, намного превышающую необходимую для того, чтобы скрыться от света. Кроме того, некоторые мигрирующие зоопланктеры люминесцируют по ночам, увеличивая этим свою видимость. Другие возможные объяснения вертикальных миграций включают оптимизацию использования неравномерно распределенной пищи (гл. 9), экономию энергии и связь с горизонтальной миграцией.
Сходные вертикальные миграции, но в меньшем масштабе, наблюдаются у пресноводных беспозвоночных, обитающих на погруженных камнях. Днем животные находятся под ними в неактивном состоянии, а ночью обычно перемещаются на поверхность валунов, где ведут активный образ жизни. Большое количество этих, как правило, бентосных организмов можно обнаружить пассивно плывущими в потоке воды. Этот так называемый дрейф беспозвоночных особенно выражен в сумерках (рис. 13.3. Б), вероятно, потому, что именно в это время они выползают на омываемую течением верхнюю часть камней, откуда легко могут быть смыты.
Особые «реакции избегания» представляют собой крайнюю форму локомоторного ускользания от опасности. При них используются либо обычные двигательные стереотипы, либо специализированные поведенческие ответы. Так, у каракатицы Sepia чернильный мешок содержит жидкость с гранулами меланина. Будучи атакован, моллюск выталкивает ее наружу, создавая «чернильную завесу», тут же изменяет свой цвет на очень бледный и уплывает под прямым углом к предшествовавшему направлению движения. Двустворчатые моллюски, например обычная прикрепленная форма Cerastoderma, могу! избегать хищника за счет внезапных и быстрых сокращений мышц ноги и аддукторов раковины. Исключительно мощную реакцию избегания моллюсков этого рода вызывает прикосновение амбулакральных ножек морской звезды; вероятно, она индуцируется какими-то веществами, выпускаемыми иглокожим в воду.
Некоторые морские беспозвоночные, например креветка Palaemonetes, гипоосмо-тичны морской воде (рис. 12.2). Обычно считается, что такие животные происходят от пресноводных форм, вернувшихся в море. Жидкости тела некоторых грапсоидных крабов также гипоосмотичны среде (см. примечание к табл. 12.2), но, поскольку возможность обитания их предков в пресных водах исключена, происхождение ги-поосмотичности в этом случае неясно.
Основная проблема для организма в гиперосмотических условиях состоит в том. чтобы не пропускать внутрь соли и не выпускать воду. Ее приходится решать и беспозвоночным, обитающим в более соленых водах, чем морская. Ярким примером может служить рачок Artemia, живущий в соленых озерах. Он поддерживает состав своей внутренней среды путем активной регуляции: «выпивает» большое количество воды и выделяет избыток ионов через жабры во взрослом состоянии и через специализированный шейный орган на личиночных стадиях развития.В принципе главная физиологическая проблема для наземных животных — обезвоживание. Поверхность некоторых из них, например земляных червей, слизней и улиток, влажная, а их распространение ограничено влажными местообитаниями в почве и листовой подстилке, так что назвать их истинно сухопутными нельзя. После дождя среда в почве может стать даже гипоосмотической, и некоторые нематоды в таких условиях активно удаляют воду из тканей (возможно, через кишечник). Другую крайность представляют насекомые со своим непроницаемым экзоскелетом, способные обитать в очень сухих условиях. Непроницаемость их покровов обусловлена эпикутикулярным восковым слоем (рис. \2,5,А) (см. также разд. 8.5.3Б.2). Если этот слой удалить, потери воды за счет испарения многократно возрастут. Значение эпи-кутикулярного слоя для сохранения воды показано также путем измерения скорости испарения при разных температурах. Она резко увеличивается при достижении определенной температуры, соответствующей точке плавления эпикутикулярного воска (рис. 12.5.?).
Как уже отмечалось (с. 362), у наземных ракообразных воскового эпикутикулярного слоя нет, и они обитают в основном во влажных условиях. Хотя мокрицы обычно встречаются в сырых местах, иногда им приходится переносить и воздействие сухого воздуха. Неизбежные потери воды при этом частично восполняются за счет влажной пищи, которую потребляют эти животные,— разлагающихся растительных тканей; кроме того, некоторые их виды способны пить воду и поглощать ее через анус. Пустынному равноногому рачку Hemilepi-stus избегать высыхания позволяют поведенческие приспособления: в жаркое дневное время он прячется в норках. Их глубина достигает 30 см, в них гораздо прохладнее, чем на поверхности, а относительная влажность может составлять 95% (подробнее см. Edney, 1957).