CC BY
21
УДК591.477:599.4
Ковальова I.M., к.б.н., с.н.с., (ikov@izan.kiev.ua) ©
1нститут зоологШм. I.I. ШмалъгаузенаНАН Украшы, Кше
ОСОБЛИВОСТ1 УМОВ ЕМБРЮНАЛЬНОГО РОЗВИТКУ РУКОКРИЛИХ
(CHIROPTERA) ТА IXHI МОЖЛИВ1 ЕВОЛЮЦ1ЙН1НАСЛ1ДКИ
У быъшост1 спроб реконструювати процес еволюцИ рукокрылых доросл1 формы тварын розглядаютъся як об'екты прыродного eid6opy. Анал1з умов, за якых в1дбуваетъся ембрюгенез рукокрылых дозволяе выокремыты факторы, як1 можутъ шцтваты еволюцшш модыфшацп програм розвытку, зокрема, появу лталъногперетынкы в предковогформырукокрылых.
Ключое1 слова: рукокрылг, лталъна перетынка, ембр1огенез, покрывт тканыны, еволюцшш модыфтаци
Вступ. Одшею з найбшьш штригуючих проблем в еволюци хребетних е еволющя та р1зномашття ряду рукокрилих (Mammalia, Chiroptera). Давш викопн! рештки рукокрилих в1дпов1дають повшстю сформованим видам з вражаючою морфолопчною под1бн1стю сучасним формам. В1дсутн1сть перехщних форм являе собою суттеву проблему для градуалктично! еволюц1йно1 Teopii'. Проблема посилюеться ще й тим, що в 61льшост1 спроб реконструювати процес еволюци рукокрилих доросл1 форми тварин розглядають як об'екти природного вщбору без залучення даних ембр1олог1! й без урахування впливу аб1отичних фактор1в як в онто-, так i в ф1логенез1. Все це вщкривае шлях до спекулятивних г1потез у питанш еволюц1! ряду. 3 шшого боку, розглядаючи рукокрилих як приклад сальтацшних перетворень в еволюид!, дослщники в1дзначають, що для перетворення неспещал1зовано! трудно! к1нц1вки ссавця в крило кажана достатньо зм1ни в nporpaMi розвитку (Рэфф, Кофмен, 1986). Ряд дослщнимв уважають, що з цих позиц1й вивчення морфотенез1в приведе до кращого розум1ння крок1в, що привели до еволюци активного польоту в рукокрилих (Adams, 2008; Sears, 2008).
Вивчення становления польоту рукокрилих, по cyTi, зводиться до вивчення виникнення морфолопчно! структури, що забезпечуе дану форму локомоц1! -л1тально! перетинки. Незважаючи на численш досл1дження дано! структури, питания про причини И появи у предково! форми рукокрилих до цього часу залишаеться без в1дпов1д1. Имов1рно, це можна пояснити як в1дсутн1стю комплексного пщходу до вивчення еволюц1! рукокрилих, так i недостатньою увагою до окремих питань. Так, дотепер дослщниками недооц1нювалася ун1кальна здатн1сть рукокрилих знаходитися тривалий час у антиортостатичному положенш (АНОП) й, таким чином, практично не розглядалися морфоф1з1олог1чн1 особливост1 рукокрилих у зв'язку з даним положениям i'xHix т1л в1дносно вектора граштацп. Имов1рно, 61льш1сть питань, що стосуються морфогенезу окремих орган1в рукокрилих, можуть знайти
©Ковальова I.M., 2012
54
ррозв'язки з урахуванням дано! обставини. Одним i3 таких питань, якому й присвячене дане дослщження, е морфогенез покривних тканин, зокрема, шк1ри л1тально! перетинки рукокрилих.
Матер1ал i метод и. Матер1алом дослщження були 30 ембрюшв (що вщповщали 14-25 стад1ям ембрюнального розвитку), яю вщносяться до 4 вид1в двох родин рукокрилих: Vespertilionidae (Nyctalus noctula, Myotis blythii); Rhinolophidae (Rhinolophus hipposideros, Rhinolophus bocharicus). Використаний матер1ал збер1гаеться у вщдш еволюцшно! морфологи хребетних 1нституту зоологи ¿м. I.I. Шмальгаузена HAH Украши. Стади ембрюнального розвитку визначали за довжиною (CRL) i масою ембрюшв, керуючись таблицями нормального розвитку рукокрилих (Леденев, Лихотоп, 1988; Cretekos et al., 2005). Сершш зр1зи ембрюшв (завтовшки 5 мкм) фарбували пстолопчними методами окраски: гематоксилшом Ерл1ха та еозином; азур-И-еозином; по Ван-Г1зон; по Маллорг Мткропрепарати дослщжували, використовуючи св1тловий м1кроскоп Axio Imager Ml Karl Zeiss (Имеччина).
Результати дослщження. Тшо ембрюшв 13-14-й ембрюнальних стадш розвитку вкрито однорядним шаром ештел1альних кл1тин куб1чно! форми, пщ яким розташоваш кл1тини недиференцшовано! мезенх1ми. Поверхня ембрюна гладенька. Грудш й тазов1 кшщвки мають вид зачатюв, як1 виступають над тшом. На дистальних юнцях зачатюв утворюеться ектодермальний гребшь (ашкальний край), утворений з декшькох ряд1в ештел1альних кл1тин.
На 15-й ембрюнальнш стади тшо ембрюна переважно вкрито однорядним шаром ештел1альних кл1тин куб1чно! форми. Дистальний вщдш зачатка трудно! юнщвки трохи розширюеться й формуе кистьову пластинку трудно! юнщвки. Кл1тини мезенх1ми конденсуються, утворюючи попередниюв р1зних сегмент1в скелета юнщвок. У 30Hi росту (на аткальному кра! юнщвки й на аткальному кра! хвоста) ештел1альш кл1тини мають стовпчасту форму. На т1м'янш частиш голови др1бш Ky6i4Hi кл1тини покривного ештелш мають темш ядра. На лицевш частиш голови кл1тини мають дворядне розташування: внутршнш шар складаеться i3 призматичних кл1тин з округлими ядрами, а верхнш шар - i3 др1бних куб1чних кл1тин з ядрами. Поверхня ембрюна гладенька.
На 17-й ембрюнальнш стади епщермю на р1зних частинах тша мае неоднорщну будову. На бшьшш частиш поверхш тша й юнщвок вш складаеться з двох ряд1в кл1тин i мае слабо розвинуту базальну мембрану, яка вщокремлюе епщермш вщ мезенх1мних кл1тин. У кистьовш пластинщ трудно! й тазово! юнщвок нам1чаються закладки пальщв у вигляд1 агрегацш мезенх1мних кл1тин. Поверхня ембрюна гладенька на черевнш частиш та юнщвках, однак стае зморшкуватою на поверхш голови та спини. Спостер1гаеться утворення пари складок уздовж спини. Сформовано nepmi зачатки боково! л1тально! перетинки у вигляд1 валикопод1бного потовщення на боковш поверхш тша в пахвовш области
На 18-й ембрюнальнш стади розвитку грудш й тазов1 юнщвки мають широю кистьов! пластинки. На грудних юнщвках кистьов1 пластинки в швтора рази довш1, шж на тазових, що обумовлено довжиною закладок п'ясних юсток
55
й фаланг пальщв. Кл1тини епщермюу на тш1 й юнщвках мають два ряди. Базальна мембрана епщермюу ч1тко обмежуе епщермк вщ лежачих пщ ним рщко розташованих мезенх1мних кл1тин. Закладаеться хвостова (м1жстегнова) перетинка у вигляд! складочок з обох боюв коренево! зони хвоста. Тут спостер1гаеться потовщення епщермку; мкцями вш стае дворядним. Перш! зачатки боково! л1тально! перетинки в облает!, близькш до пахвово!, розростаються: по нижньому краю грудно! кшщвки, наближаючись до кист1, та в каудальному напрямку - до пахово! области З'являеться другий зачаток боково! л1тально! перетинки з проксимального кшця тазово! кшщвки, який згодом зливаеться з першим, з утворенням едино! боково! л1тально! перетинки.
На 19-й ембрюнальнш стади бокова л1тальна перетинка розростаеться й досягае верх1вки п'ятого пальця. Об'еднання боково! перетинки з м1жпальцевою в облает! п'ятого пальця грудно! кшщвки приводить до утворення суцшьно! лпильно! перетинки. З'являеться зачаток плечово! перетинки у вигляд! складочки на плеч! й передпл!ччг Хвкт наполовину охоплено м1жстегновою (хвостовою) перетинкою. Його аткальна область мае особливоси: тут ч1тко видшяеться зона прол!ферацп ектодермальних клггин. У кистьових пластинках тазових кшщвок спостер1гаеться вщокремлення пальщв стопи. Кл1тки епщермку мають два ряди. Базальна мембрана епщермюу л1тально! перетинки ч1тко обмежуе епщермю вщ розташованих пщ ним мезенх1мних кл1тин.
На 20-21-й ембрюнальних стад1ях розвитку на тш ембрюну наявш у великш кшькост! поздовжш шюрш складочки, вщокремлеш вузькими борозенками. Характерно, що грудш кшщвки щшьно притиснут! до тша й голови ембрюна, другий-п'ятий пальщ подовжен! й з'еднан! перетинкою. Пальщ тазових кшщвок вщокремлеш. Хвют цшком охоплено лггальною перетинкою. В л!тальнш перетинц! серед однорщних з1рчастих мезенх1мних кл1тин з'являються «клубочки» - структурш утворення у вигляд! згущень концентрично розташованих клггин, що формують своерщш структури - гшзда гемопоезу, осередки гемопоезу обо кров'ян! островки. Ц1 структури розкидано пщ епщермюом тша й м1жпальцево! перетинки, дещо пщшмаючи етдермю над загальною поверхнею шюри. Кл1тини цих клубочюв виглядають шакше шж звичайн! кл1тини епщермюу. 1хш розм1ри й концентраци в!др1зняються у р1зних дшянках тша. Кр1м вщзначених утворень - гшзд гемопоезу, серед мезенх1мних кл1тин пщ епщермшом голови й тулубом ембрюна з'являються зачатки волосяних фол1кул1в. Вони добре представлен! на голов!, однак вщеутш в л!тальнш перетинц!.
На 22-й стади ембрюнального розвитку епщермю перетинки складаеться з двох ряд1в цилшдричних кл1тин з наявним ядром. Пщ ним серед мезенх1мних кл1тин спостер1гаеться диференщащя кл1тин, як1 утворюють гшзда гемопоезу: у вищеописаних клубочках вид1ляються кл1тини, яю утворюють !х стшку, яка обмежуе кл1тини крови (еритроцити), яю знаходяться в центр! цих клубочюв. Наявш також сформован! кровоносн! судини (артерюли, венули) й молод! капшяри. Серед мезенх1мних кл1тин л1тально! перетинки простежуеться
56
формування волокон сполучно! тканини й пучюв м'язових волокон, як1 обумовлюють «жилкування» перетинки. Формуеться дермальний шар. Подовжена кисть трудно! юнщвки з розправленою м1жпальцевою перетинкою охоплюе вентральну частину голови й тулуба.
На 23-24-й стад1ях ембрюнального розвитку епщермш уявляють як без'ядерш велим майже ирозор1 плосю кератиноцити, так \ розташоваш пщ ними, овальш кл1тини гермшативного шару, як1 вмщують шгментш гранули та ядра. У товщ1 дерми наявш крупш кровоносш судини й численш катляри з еритроцитами. Ч1тко иростежуються окрем1 м'язов1 структури, волокна сполучно! тканини. В ембрюшв е численш шюрш складки на тш. Грудш кшщвки разом з л1тальною перетинкою охоплюють велику частину тша й голову плода.
Обговорення. Рукокрил1 бшьшу частину життя знаходяться в антиортостатичному положенш. Вщомо, що тривале перебування в АНОП викликае ряд функцюнальних змш в оргашзм1 наземно! тварини, перш за все в його кровоноснш й дихальнш системах, вщображаючись у загальному метабол1зм1 (Лкеше1ег е1 а1., 2004). Фактично зниження р1вня метабол1зму р1внощнно зниженню газообм1ну (Ганонг, 2002; Шмидт-Нильсен, 1987). У сучасних рукокрилих, як1 перебувають в АНОП, спостер1гаеться значне зниження метабол1зму, що супроводжуеться зниженням дихання (аж до апное) (Szewczak, 1997). Кр1м того, тривале знаходження в АНОП призводить до перерозподшу кровг Внаслщок постуральних реакцш (вщт1к кров1 пщ д1ею сили тяжшня) спостер1гаеться зниження кровопостачання, зокрема, оргашв грудно! та черевно! порожнин (Воробьёв, 2004; Шимкус, 2006).
Не виключено, що зниження кровопостачання до оргашв черевно! порожнини рукокрилих могло призвести до зниження парщального тиску кисню у плацентарнш кров1 й, вщповщно, у кров1 ембрюну. Так1 наслщки АНОП (гшоксичний стрес) стали би згубними для ембрюнального розвитку, про що свщчать даш експеримент1в (Масщька, Яценко, 2006 та ш.). Однак плацентарна кров не е единим джерелом кисню для ембрюшв ссавщв. Вщомо, що амнютична рщина, в якш перебувае ембрюн ссавщв, вмщуе в 1,5-2 рази бшьшу кшьккть кисню, шж плацентарна кров, { в 2-3 рази бшьшу, шж у кров1 плоду (Федорова, Быкова, 1982; Ганонг, 2002 та ш.). 3 цього випливае, що ембрюн рукокрилих (як \ шших ссавщв) перебувае в середовищ1 (амнютичнш рщиш) з високим парщальним тиском кисню. Однак град1ент парщального тиску кисню м1ж кров'ю, яка поступае через плаценту, та амнютичною рщиною в ембрюна рукокрилих вищий, шж в шших ссавщв. Його покривш тканини значно краще оксигеноваш, пор1вняно з його внутршшми органами. В1рогщно, дана обставина вплинула на морфогенез, зокрема, його покривних тканин, що проявилось у збшьшенш площ1 !хньо! поверхш. Так, цим дослщженням показано, що складчапсть шк1ри (вперше з'явившись в ембрюшв 17-й стади розвитку) прогресуе, й на тш ембрюшв плщного перюду е складки шк1ри, як1 подшеш глибокими борозенками. Ця стад1я вщповщае також збереженню м1жпальцево! перетинки, тод1 як, наприклад, на вщповщнш стади розвитку у
57
домово1 миш1 спостер1гаеться апоптоз кл1тин м1ж пальцево! перетинки (Cretecos et al., 2005). Збшьшення площ1 покривних тканин ембрюна рукокрилих вщбуваеться також за рахунок збшьшення площ1 л1тально! перетинки. Можна уявити, що не лише збшьшення площ1 покривних тканин, але й процес васкулогенезу, спостережений при формуванш л1тально! перетинки рукокрилих, мае зв'язок з умовами !хнього ембрюнального розвитку. Имов1рно, що густа с1тка капшяр1в й кровоносних судин покривних тканин ембрюшв рукокрилих може свщчити про виконання покривними тканинами функцп газообмшу. Так, вщомо, що розростання покривних тканин спостер1гаеться в ряд1 водних личинкових форм тварин. При цьому спостер1гаеться !хня висока ступ1нь васкуляризаци (Медведев, 1937). Це викликано тим, що кровоносна система тварин на данш стади розвитку ще не може забезпечити киснем yci органи й тканини оргашзму, який розвиваеться, так що покривш тканини виступають в рол1 компенсаторних рестраторних структур.
В1рог1дно, що збшьшення площ1 покривних тканин ембрюшв рукокрилих, стало наслщком еволюцшнх модифжацш програм розвитку. Вщомо, що в бшьшост1 ссавщв в ембрюгенез1 вщбуваеться апоптоз (загибель) кл1тин м1жпальцево! мезенх1ми трудно! юнщвки, що призводить до вщокремлення пальщв. У рукокрилих кл1тини м1жпальцево! мезенх1ми трудно! кшщвки збер1гаються. Цей процес регулюеться експреаею ряду гешв, яю суттево знижують штенсившсть апоптичних процеав м1жпальцево! мезенх1ми (Chen et al., 1999; Kimura et al., 2005; Weatherbee et al., 2006; Pajni-Underwood et al., 2007; Sears, 2008). Однак фактори, яю можуть стимулювати або шпб1рувати вщповщну програму розвитку дослщниками не розглядаються.
Вщомо, що на загибель кл1тин впливае парщальний тиск кисню; високий парщальний тиск кисню iHri6ye апоптоз (Chen et al., 1999). Можна припустити, що оксигенащя покривних тканин ембрюшв рукокрилих, пор1вняно з низьким парщальним тиском кисню в кров1 ембрюна, стала причиною змши експресп антиапоптичних бшюв, що сприяло, зокрема, збереженню кл1тин мезенх1м м1жпальцево! област1 грудно! юнщвки тварин, а також збшьшенню шюрно! поверхн1 за рахунок бокових складок тша й м1жстегново! перетинки.
Висновки. Формування м1жпальцево!, тулубно! й м1жстегново! областей шюри, а також утворення складчатост1 шюри на тш приводять до значного збшьшення площ1 поверхш ембрюна рукокрилих. Формування осередюв гемопоезу в товщ1 мезенх1мнх кл1тин л1тально! перетинки кажашв спостер1гаеться на 20-й стади ембрюнального розвитку; до 22-1 стади у mKipi л1тальних перетинок присутш велию кровоносш судини й сформовано густу с1тку капшяр1в, що може свщчити про рестраторну функщю дано! структури.
Анал1з умов, за яких вщбуваеться ембрюгенез рукокрилих, дозволив припустити, що змши програми апоптозу кл1тин мезенх1ми м1жпальцево! област1 грудних юнщвок ембрюшв рукокрилих й розростання покривних тканин 1хнього тша могли бути наслщком вщносного збшьшення град1ента концентраци кисню м1ж внутршшми органами й покривними тканинами ембрюна. Останш, ймов1рно, виконують функщю компенсаторних
58
рестраторних структур. Таким чином, л1тальну перетинку рукокрилих можна розглядати як результат морфогенетичних перебудов, яю вщбулися в ранньому онтогенез! як наслщок стресових умов, яю, як вщомо, можуть шщшвати еволюцшш модифжаци програм розвитку.
Л1тература
1. Воробьёв В.Е. Изменение доставки и потребления кислорода у человека в условиях антиортостатической гипокинезии // Авиакосмич. и экологич. медицина. - М., 2004. - T. 38. - № 1. - с.48-52.
2. Ганонг В.Ф. Ф1зюлопя людини: Пщручник / В.Ф. Ганонг; [пер. з англ., наук. ред. перекладу М. Гжегоцький, В. Шевчук, О. Заячювська]. - Льв1в: Бак, 2002. - 784 с.
3. Леденев С.Ю., Лихотоп Р.И. Стадии нормального развития рыжей вечерницы (Nyctalus noctula, Vespertilionidae). - Киев, 1988. - С. 3-15. - (Препринт /АН УССР, Ин-т зоологии, 88.6).
4. Масщька О.О., Яценко В.П. Пренатальний морфогенез легень за умов змшеного вектора i сили грав1таци // Таврический медико-биол. вестник. -Симферополь, 2006. - Т.9. - 4.3. - № 3.- С.109-113.
5. Медведев Л. Сосуды хвостового плавника личинок амфибий и их дыхательная функция // Зоологич. журнал. - Москва: Биомедгиз, 1937. - 16. -В.2. - С. 393-403.
6. Рэфф Р.А., Кофмен Т.С. Эмбрионы, гены и эволюция. Пер. с англ., Москва, Мир, 1984. - 404 с.
7. Федорова М.В., Быкова Г.Ф. Напряжение кислорода в околоплодных водах при нормальной и патологической беременности // Акуш. и гинекология. - М.: Медицина, 1982. - № 7. - С.17-19.
8. Шимкус Т.С. Морфофункциональные особенности лёгких после воздействия гравитационных перегрузок (обзор) // Таврический медико-биол. вестник. - Симферополь, 2006. - Т.9. - № 3. - 4.1. - С.195-198.
9. Шмидт-Нильсен К. Размеры животных: почему они так важны? — М.: Мир, 1987. - 259 с.
10. Adams R.A. Morphogenesis in Bat Wings: Linking Development, Evolution and Ecology // Cells, Tissues, Organs. - 2008. - V.187, No 1. - P.13-23.
11. Altemeier W.A., McKinney S., Krueger V., Glenny R.W. Effect of posture on regional gas exchange in pigs // J. Appl. Physiol. - 2004. - 97. - P.2104-2111.
12. Chen E.Y., Fujinaga M., Giaccia A.J. Hypoxic microenvironment within an embryo induces apoptosis and is essential for proper morphological development // Teratology. - 1999. - 60. - P.215-225.
13. Cretecos C.J., Weatherbee S.D., Chen C.H., Badwaik N.K., Niswander L., Behringer R.R., Rasweiler J.J. 4th. Embryonic staging system for the short-tailed fruit bat, Carollia perspicillata, a model organism for the mammalian order Chiroptera, based upontimed pregnancies in captive-bred animals // Dev. Dyn. - 2005, Jul. -233(3). - P.721-738.
14. Giannini N., Goswami A., Sanchez-Villagra M.R. Development of integumentary structures in Rousettus amplexicaudatus (Mammalia: Chiroptera:
59
Pteropodidae) during late-embryonic and fetal stages // J. of Mammalogy. - 2006. -V.87. - 5. - P. 993-1001.
15. Kimura S., Schaumann B.A., Shiota K. Ectopic dermal ridge configurations on the interdigital webbings of Hammertoe Mutant mice (HM): another possible role of programmed cell death in limb development // Birth Defects. Res. a Clin. Mol. Teratol. - 2005 Feb. - 73(2). - P.92-102.
16. Pajni-Underwood S., Wilson C.P., Elder C. BMP signals control limb bud interdigital programmed cell death by regulating FGF signaling // Development. -2007 Jun. - 134. - 12. - P.2359-2368.
17. Sears K.E. Molecular Determinants of Bat Wing Development // Cells Tissues Organs. - S. Karger AG, Basel, 2008. - 187. - P.6-12.
18. Szewczak J.M. Matching gas exchange in the bat from flight to torpor. - In: Comparative Aspects of the control of arterial blood gases: ventilatory and cardiovascular perspectives // American Zoologist. - Feb., 1997. - V.37. - P.92-100.
19. Weatherbee S.D., Behringer R.R., Rasweiler 4th J.J, Niswander L.A. Interdigital webbingretention in bat wings illustrates genetic changes underlying amniote limb diversification // Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A., 2006. - 103 (41). -P.15103-15107.
Summary
In major reconstructions of the evolution of bats only the adult forms of the animals are considered as the object of the natural selection. The analysis of conditions during the embryonic development of bats allow to pick out the factors which can initiate evolutionary modifications of the developmental program, in particular, the origin of the bats wing membrane.
Key words: bats, wing membrane, emryogenesis, integument, evolutional modifications.
Рецензент - д.вет.н., професор Стефаник В.Ю.
60
