Quá trình phát triển cá thể ở Cầu Gai

ĐẠI HỌC HUẾTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM CEMINARHỌC PHẦN: SINH HỌC PHÁT TRIỂN CÁ THỂ ĐỘNG VẬT QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CÁ THỂ Ở CẦU GAI Học viên thực hiện:Phạm Thị Phương AnhLương Thị Ngọc DiệpTrần Đức HảiLê Thị Ngọc Hoa Huế, tháng 05/2008 1. Phân loại Lớp Cầu gai (Echinoidea) thuộc phân ngành Eleutherozoa, thuộc ngành Da gai (Echinodermata). Có khoảng 800 loài hiện sống, 2.500 loài hoá thạch. Có 2 phân lớp: - Phân lớp Cầu gai đều (Regularia): Cơ thể cấu tạo điển hình, hình cầu. - Phân lớp Cầu gai không đều (Irregularia): Cơ thể dẹt theo hướng miệng - đối miệng, hình đĩa hay hình túi, hậu môn không ở trên trục đối xứng mà chuyển sang mặt phẳng gian phóng xạ. Một số nội quan của một số nhóm bị tiêu giảm một phần. 2. Sinh thái, phân bố Cầu gai sống trên thềm biển và vùi trong cát biển. Thức ăn chính là rong, tảo, mùn bã và động vật nhỏ. Ở biển Việt Nam có khoảng 70 loài, gặp nhiều ở các vùng đáy đá, vùng biển san hô. Các giống có nhiều loài là Salmacis, Temnopleurus, Diadema, Clypeaster... Các loài thường gặp là Diadema setosum, Tripneustes gratilla… Ở vịnh Bắc Bộ gặp khoảng 20 loài, thường gặp là Astropyga radiata có thân lớn (khoảng 20cm) và dẹp, Temnopteurus toreumaticus, Laganum decagonale… Diadema setosum Một số loài cầu gai phổ biến ở Việt Nam Astropyga radiata 3. Sơ lược đặc điểm hình thái, cấu tạo của cầu gai Ấu trùng có đối xứng 2 bên. Cơ thể trưởng thành hình cầu, hình đĩa hay hình trứng, toả ra rất nhiều gai nhỏ ra xung quanh nên có tên gọi là cà ghim hay nhím biển, có đối xứng toả tròn bậc 5 (hình 1). Thành cơ thể gồm 3 lớp: - Lớp tế bào biểu mô ngoài cấu tạo một tầng. - Lớp mô liên kết tạo thành 3 tầng khác nhau là tầng cơ trong cùng, tầng mô liên kết ở giữa và tầng biểu mô có bộ xương giáp với biểu mô ngoài. - Lớp biểu mô thành thể xoang Xoang cơ thể thứ sinh có sự phân hoá về cấu tạo, đảm nhận các chức phận khác nhau, gồm hệ ống dẫn nước - hệ chân ống, hệ tuần hoàn (hệ xoang máu giả) và phức hệ cơ quan trụ. Hệ tiêu hoá hình ống, kéo dài và cuộn 2 vòng trước khi đổ ra hậu môn. Cơ quan hô hấp chuyên hoá là 5 đôi mang phân nhánh nằm quanh miệng, thực chất là biến đổi của các phần xoang cơ thể. Hệ sinh dục cấu tạo đơn giản, tuyến sinh dục phân tính dạng vòng, bao quanh ruột sau (con non), con trưởng thành thì hình túi. Không có cơ quan bài tiết. Sự bài tiết chủ yếu do các tế bào amip trong xoang cơ thể đảm nhận. Hệ thần kinh có 3 bộ phận khác nhau, đối xứng toả tròn: 1) Mạng thần kinh miệng (ectoneural system) nằm ở mặt miệng. Gồm có vòng thần kinh trung tâm bao quanh hầu, thực quản và các dây thần kinh phóng xạ nằm ở lớp biểu mô. Từ đây có 2 dây thần kinh đi tới nội quan, chức năng chủ yếu là thụ cảm. 2) Mạng thần kinh dưới da (hyponeural system) nằm phía dưới mạng thần kinh miệng, kém phát triển, điều khiển vận động của nội quan. 3) Mạng thần kinh đối miệng(entoneural system) có mối liên với biểu mô thể xoang. Cơ quan thị giác và thăng bằng chuyên hoá ở dạng đơn giản, các tế bào cảm giác như xúc giác, khứu giác và vị giác nằm rải rác ở chân ống, tua miệng... Nhìn chung hệ thần kinh của động vật da gai còn giữ nhiều nét cổ, mạng thần kinh miệng và mạng thần kinh dưới da còn nằm trong biểu mô hay nằm ngay dưới biểu mô. Xu hướng tập trung tế bào thần kinh thành hạch không rõ. 4. Sinh sản và phát triển của cầu gai 4.1. Quá trình tạo giao tử 4.1.1. Quá trình sinh tinh Tinh trùng được tạo ra từ tuyến sinh dục đực. Vào một thời điểm nào đó, tế bào sinh dục nguyên thủy bắt đầu tăng lên về kích thước, gia tăng hoạt tính, và phân chia nguyên nhiễm cho ra các tinh nguyên bào(2n), tinh nguyên bào lại phân chia để cho các tinh bào bậc I(2n). Mỗi tinh bào I phân bào giảm nhiễm gồm 2 lần phân chia liên tiếp, lần 1 hai tinh bào II và lần 2, mỗi tinh bào II cho hai tinh tử (n). Các tinh tử sẽ biệt hóa để cho ra bốn tinh trùng. Hình 3 . Tinh trùng cầu gai Quá trình sinh tinh Hình 4. Cấu tạo tinh trùng của thú Tinh trùng cấu tạo gồm có bốn phần: đầu, cổ , phần giữa và đuôi tương tự tinh trùng của thú. a. Phần đầu: Là bộ phận tinh trùng tiếp xúc với trứng trong thụ tinh, có chứa một nhân đơn bội và một thể đỉnh (acrosome). Nhân bị nén lại do ADN bị xoắn chặt, giúp cho tinh trùng ít bị các tổn thương vật lý hoặc đột biến trong quá trình dự trữ và di chuyển đến nơi thụ tinh. Sự nén của nhân là do tương tác giữa ADN và protein của nhiễm sắc thể là protamin. Thể đỉnh nằm ngay phía trước nhân, là một bao kín, dẫn xuất từ thể Golgi, có chứa các enzyme tiêu hoá protein và các đường phức tạp giúp cho tinh trùng tiêu huỷ lớp màng trứng để xâm nhập vào bên trong. Ở cầu gai, giữa nhân và bao thể đỉnh còn có một vùng gồm các phân tử actin hình cầu, có vai trò tạo thành mấu thể đỉnh của tinh trùng trong giai đoạn sớm của sự thụ tinh. b. Phần giữa: Nằm ngay phía sau đầu là một cổ ngắn nối đầu và đuôi tinh trùng. Phần giữa có các ty thể xếp xoắn ốc, bao quanh sợi trục bên trong. c. Phần đuôi: Là một cấu trúc phức tạp. Cơ quan vận động chính của đuôi là sợi trục (axoneme), được tạo thành bởi các vi ống xuất phát từ trung tử ở phần dưới của nhân. Sợi trục bao gồm hai vi ống trung tâm được bao chung quanh bởi chín cặp vi ống. Các vi ống này được cấu tạo bởi các protein là α và β-tubulin. Gắn vào các vi ống bên ngoài là protein dynein. Dynein có khả năng thuỷ phân ATP và biến đổi năng lượng hoá học thành công năng giúp cho tinh trùng chuyển động 4.1.2. Quá trình sinh trứng Từ các tế bào sinh dục nguyên thủy hay các noãn bào nguyên thủy phân chia nguyên nhiễm nhiều lần cho ra các noãn nguyên bào. Các noãn nguyên bào sau một quá trình phân chia và tăng trưởng cho ra các noãn bào. Các noãn bào bắt đầu phân chia giảm nhiễm cho ra hai tế bào: tế bào to có thể tích bằng tế bào trứng nên gọi là tế bào trứng; tế bào nhỏ do cực động vật sinh ra nên gọi là cực cầu (thể cực). Tế bào trứng lại phân chia lần thứ hai thành tế bào trứng chín và thể cực thứ hai, cùng lúc đó thể cực thứ nhất cũng phân chia thành hai thể cực. Kết quả tạo ra bốn tế bào trong đó chỉ có một tế bào trứng có thể thụ tinh còn ba tế bào còn lại (ba thể cực) không có khả năng nói trên. Đây là sự khác biệt với quá trình sinh tinh. Một cầu gai mẹ có thể cung cấp hơn 20 triệu trứng. Quá trình sinh trứng Tất cả các nguyên liệu cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển phải được dự trữ trong trứng chín. Trong khi tinh trùng bị loại bỏ hầu hết tế bào chất thì tế bào trứng đang phát triển không chỉ giữ lại mà còn tích tụ thêm tế bào chất. Trứng cầu gai có thể tích khoảng 200 picoliter (2.10-4 mm3), gấp 10.000 lần thể tích của tinh trùng Hình 5. Cấu trúc của trứng cầu gai trong quá trình thu tinh Tế bào chất của trứng bao gồm: - Protein - Ribosome và tRNA: cần cho phôi tổng hợp protein của riêng chúng ngay sau khi thụ tinh - mRNA: Trứng cầu gai có khoảng 25.000 đến 50000 loại mRNA khác nhau, được duy trì ở trạng thái không hoạt động cho đến khi trứng được thụ tinh - Các yếu tố phát sinh hình thái: Là những phân tử có vai trò trong sự biệt hóa tế bào. Chúng nằm trong những vùng khác nhau của trứng và được phân bố về các tế bào con trong suốt quá trình phân cắt của hợp tử - Các chất hóa học bảo vệ trứng. Bên trong khối tế bào chất là một nhân lớn. Ở cầu gai, nhân đã ở trạng thái đơn bội vào thời điểm trứng thụ tinh (hình 6). Hình 6. Các giai đoạn trứng chín của thời điểm tinh trùng xâm nhập Màng nguyên sinh bao quanh tế bào chất, có khả năng điều hòa sự trao đổi ion trong quá trình thụ tinh và hợp nhất với màng tế bào tinh trùng Bên ngoài màng nguyên sinh là màng noãn hoàng. Màng noãn hoàng có ít nhất là tám loại glycoprotein cần thiết cho sự nhận dạng đặc hiệu của tinh trùng. Nằm ngay bên dưới màng nguyên sinh là 1 lớp vỏ mỏng khoảng 5µm. Tê bào chất của vùng này cứng hơn phía trong và có nhiều phân tử actin hình cầu. Trong quá trình thụ tinh, các phân tử actin bị polyme hóa tạo thành các vi sợi. Các vi sợi này cần cho sự phân cắt tế bào. Nhiều tế bào trứng còn có một lớp mỏng bên ngoài màng noãn hoàng gọi là lớp keo cấu tạo từ glycoprotein, có nhiều chức năng nhưng phổ biến nhất là để hấp dẫn hoặc hoạt hóa tinh trùng. Hình 7. Bề mặt trứng chưa thụ tinh của cầu gai 4. 2. Quá trình thụ tinh Sự thụ tinh xảy ra trong nước biển. Sự thụ tinh bao gồm các hoạt động cơ bản: - Sự nhận biết và tiếp xúc giữa tinh trùng và trứng. - Sự xâm nhập của tinh trùng vào trứng: trứng có cơ chế cản trở sự xâm nhập của nhiều tinh trùng, chỉ cho phép một tinh trùng đi vào - Sự hợp nhất nguyên liệu di truyền của tinh trùng và trứng - Sự hoạt hóa trao đổi chất của trứng để bắt đầu phát triển Hình 8: Tóm tắt các sự kiện chính dẫn đến sự hợp nhất giữa tinh trùng và trứng của cầu gai (thụ tinh ngoài) 4.2.1 Sự nhận biết của tinh trùng và trứng a. Sự hấp dẫn tinh trùng Ở cầu gai, tinh trùng được thu hút về phía trứng cùng loài nhờ tính hướng hóa, tức là theo gradian của chất hóa học tiết ra từ trứng. Người ta đã ly trích được một peptit gồm 14 acid amin là resact có khả năng hấp dẫn tinh trùng bơi ngược chiều gradient nồng độ đến khi chúng tiếp xúc với trứng. Resact còn có vai trò hoạt hóa tinh trùng do chúng làm tăng hoạt động của ti thể và chuyển động của tinh trùng. b. Sự hoạt hóa của tinh trùng: phản ứng của thể đỉnh (acrosomal reaction) Ở cầu gai và hầu hết các động vật không xương sống ở biển, phản ứng thể đỉnh gồm hai bước: - Sự hợp nhất giữa túi thể đỉnh và màng tế bào tinh trùng, dẫn đến sự phóng thích các enzim trong túi thể đỉnh - Sự kéo dài mấu thể đỉnh. Phản ứng thể đỉnh xảy ra do sự tiếp xúc giữa tinh trùng với lớp keo của trứng. Hình 9. Trình tự các bước phản ứng thể đỉnh của tinh trùng cầu gai (Phía trên là hình minh hoạ; phía dưới là ảnh chụp) 4.2.2 Sự tiếp xúc của giao tử Một khi tinh trùng của cầu gai đã xuyên qua lớp keo của trứng, mấu thể đỉnh của nó sẽ gắn với các vi nhung mao trên bề mặt của trứng. Sự gắn này mang tính đặc hiệu của loài nhờ một protein thể đỉnh là bindin. Protein này có khối lượng 350kDa. Hơn nữa, sự tương tác giữa bidin với trứng có tính đặc hiệu: bidin được trích từ thể đỉnh của loài nào chỉ gắn vào màng trứng của loài ấy. Bằng kĩ thuật miễn dịch học, Vacquier cũng đã chứng minh rằng bidin nằm ở một vị trí xác định trên mấu thể đỉnh. Các nghiên cứu về hóa sinh học đã cho thấy bidin hoàn toàn khác nhau ở những loài cầu gai có quan hệ gần. Đó là do trên màng noãn hoàng hoặc màng nguyên sinh của trứng có các thụ thể bidin đặc trưng. 4.2.3. Sự hợp nhất giữa màng tế bào trứng và tinh trùng Sau khi gắn vào màng noãn hoàng (hoặc vùng trong suốt), mấu thể đỉnh của tinh trùng tiết ra các enzym tiêu hủy một phần của bao này giúp cho đầu tinh trùng xuyên qua và tiếp xúc với màng trứng. Tiếp theo đó là sự gắn của tinh trùng vào trứng do sự polymer hóa các phân tử actin hình cầu của vi nhung mao. Hình 11: Sự xâm nhập của tinh trùng vào trứng của cầu gai (A) Sự tiếp xúc giữa đầu tinh trùng với các vi nhung mao của trứng qua mấu thể đỉnh. (B) Sự thành lập nón thụ tinh. (C) Sự xâm nhập của tinh trùng vào bên trong trứng. (D) Đầu tinh trùng bên trong nón thụ tinh. Ở cầu gai, tất cả các vùng trên màng nguyên sinh trứng đều có khả năng hợp nhất với màng tinh trùng, trong khi ở nhiều loài khác chỉ những vùng xác định trên màng trứng mới được tinh trùng nhận biết và dung hợp. Protein có vai trò trong sự hợp nhất màng giao tử ở cầu gai là bindin. 4.2.4. Sự ngăn cản nhiều tinh trùng xâm nhập vào trứng (the prevention of polyspermy) Thông thường, khi thụ tinh chỉ có một tinh trùng đi vào trứng. Nhân đơn bội của tinh trùng kết hợp với nhân đơn bội của trứng để tạo thành nhân lưỡng bội của hợp tử và số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng cho loài được khôi phục trở lại. Trung tử của tinh trùng cũng đi vào trứng, sẽ phân chia tạo thành hai cực của thoi phân bào trong qua trình phân cắt. Trong trường hợp có nhiều tinh trùng cùng đi vào trứng sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng cho sinh vật. Ở cầu gai, sự thụ tinh bởi hai tinh trùng sẽ tạo thành nhân tam bội. Hơn nữa do trung tử của mỗi tinh trùng phân chia để thành lập một thoi phân bào nên có hai thoi phân bào được thành lập và kết quả là tạo ra bốn tế bào con. Do các NST tương đồng phân ly không đều về các tế bào con nên các tế bào này hoặc bị chết hoặc phát triển bất thường (Hình 12). Hình 12. Hậu quả của việc nhiều tinh trùng xâm nhập vào trứng Trong quá trình tiến hoá, các loài đã hình thành các cơ chế để ngăn cản sự xâm nhập đồng thời của nhiều tinh trùng khi thụ tinh. Có hai cơ chế là cơ chế tức thì và cơ chế lâu dài. a. Cơ chế tức thì Bình thường, màng tế bào có sự chênh lệch về điện thế giữa bên trong và bên ngoài màng: bên ngoài màng tích điện âm còn bên trong tích điện dương. Hiệu điện thế đo được khoảng -70mmV và được gọi là điện thế màng (membrane potiental). Trong vòng từ 1-3 giây sau khi tinh trùng đầu tiên gắn vào, điện thế màng đột ngột thay đổi: bên ngoài tích điện dương, bên trong tích điện âm, với hiệu điện thế khoảng +20 mV. Vì màng tinh trùng không thể hợp nhất với màng trứng khi bên ngoài màng này tích điện dương nên không có thêm tinh trùng nào đi vào trứng. b. Cơ chế lâu dài Cơ chế này có liên quan đến phản ứng hạt vỏ xảy ra khoảng 1 phút sau khi tinh trùng đầu tiên gắn vào màng trứng. Sự thành lập màng thụ tinh Ngay bên dưới màng nguyên sinh trứng có khoảng 15000 hạt vỏ, mỗi hạt có đường kính khoảng 1 μm. Khi một tinh trùng đi vào trứng, nồng độ ion calcium trong tế bào tăng lên rất nhiều làm cho màng hạt vỏ hợp nhất với màng nguyên sinh trứng và phóng thích các chất bên trong hạt vào khoảng trống giữa màng nguyên sinh và màng noãn hoàng. Các chất do hạt vỏ xuất bào bao gồm protease, mucopolysaccharide, peroxydase và hyalin. - Protease tiêu huỷ cầu nối protein giữa màng nguyên sinh và màng noãn hoàng, làm cho chúng tách nhau ra. - Mucopolysaccharide tạo ra một gradient thẩm thấu lôi kéo nước vào, làm cho màng noãn hoàng phình ra và trở thành màng thụ tinh (fertilization envelope). Màng này bắt đầu được hình thành từ vị trí tinh trùng đi vào và lan rộng ra toàn bộ trứng. - Peroxidase làm cho màng thụ tinh trở nên cứng nhờ cầu nối giữa các gốc tyrosine của các protein lân cận. - Hyalin thành lập một lớp màng mới bao quanh trứng. Các vi nhung mao của trứng được kéo dài ra và đỉnh của chúng gắn vào lớp màng hyalin. Hình 13. Sự xuất bào của hạt vỏ A.Mô hình trình bày sự thành lập màng thụ tinh và lớp hyalin. B, C). Ảnh hiển vi điện tử (SEM, TEM) cho thấy vỏ của một trứng cầu gai chưa thụ tinh. D, E. Ảnh hiển vi điện tử cùng một vùng của trứng vừa thụ tinh. Phản ứng hạt vỏ 4.2.5. Sự hoạt hoá quá trình trao đổi chất của trứng Sự hoạt hoá trứng phụ thuộc vào sự tăng nồng độ của ion Calci tự do trong trứng. Calci được phóng thích vào trong trứng sẽ kích hoạt hàng loạt phản ứng trao đổi chất. - Sự kích hoạt enzyme NAD+ kinase sẽ biến đổi NAD+ thành NADP+. Sự biến đổi này cần thiết cho sự chuyển hoá lipid vì NADP+ là một coenzyme cần thiết cho sinh tổng hợp lipid. Như vậy sự biến đổi NAD+ thành NADP+ có vai trò quan trọng trong việc cấu trúc các màng tế bào mới trong quá trình phân cắt phôi. - Sự tiêu thụ oxygen. Oxygen bị khử sẽ tạo thành peroxide là cơ chất của enzyme ovoperoxidase. Enzyme này xúc tác sự nối các gốc tyrosine của các protein tạo thành cầu nối trong sự thành lập màng thụ tinh. - Sự tăng pH trong tế bào do sự trao đổi giữa ion Na+ bên ngoài và ion H+ bên trong trứng. Sự giảm H+ làm cho pH trong tế bào trứng tăng, cùng với sự tăng Ca2+ sẽ kích hoạt sự tổng hợp protein và ADN. Hình 14. Sơ đồ các con đường hoạt hoá trứng ở cầu gai 4.2.6. Sự kết hợp vật liệu di truyền Nhân trứng (n) gọi là tiền nhân cái. Sau khi màng tinh trùng và màng trứng hợp nhất, nhân tinh trùng và trung tử tách khỏi ti thể và đuôi đi vào trong trứng. Màng tinh trùng bị phá vỡ làm bộc lộ các chromatin trong tế bào chất của trứng. Các chromatin của tinh trùng không còn bị nén chặt do sự trao đổi giữa protein gắn ADN với protein trứng. Một màng mới được thành lập bao lấy các chromatin tạo thành tiền nhân đực. Do tiền nhân đực xoay 1800 nên trung tử nằm giữa tiền nhân đực và tiền nhân cái. Các trung tử của tinh trùng hoạt động như một hệ vi ống ở trung tâm, kéo dài ra và hợp nhất với các vi ống của trứng tạo thành thể sao. Các vi ống này gắn vào tiền nhân cái và kéo hai tiền nhân di chuyển lại gần nhau. Cuối cùng hai tiền nhân sẽ hợp nhất tạo thành nhân hợp tử lưỡng bội. Sự tổng hợp ADN có thể bắt đầu ngay khi chúng đang di chuyển hoặc sau khi nhân hợp tử được hình thành. Quá trình di chuyển và hợp nhất của hai tiền nhân mất khoảng 1 giờ. 4.3. Quá trình phân cắt trứng Trứng cầu gai phân cắt đối xứng tỏa tròn. Hình 15a.Sự phân cắt đối xứng tỏa tròn ở cầu gai Hai lần phân cắt đầu tiên theo chiều kinh tuyến, thẳng góc nhau, rãnh phân cắt đi ngang qua hai cực, chia trứng thành bốn phôi bào bằng nhau. Lần phân cắt thứ ba theo mặt phẳng xích đạo, trực giao với mặt phẳng của hai lần phân cắt trước, tạo thành 8 phôi bào. Lần phân cắt thứ tư xảy ra không giống nhau trên các phôi bào ở hai bán cầu. - Ở bán cầu động vật, 4 phôi bào phân chia theo những mặt phẳng kinh tuyến thẳng góc với nhau, cách mặt phẳng phân cắt trước 450, tạo ra 8 trung phôi bào (mesomere) có thể tích bằng nhau. - Ở bán cầu thực vật, mặt phân cắt là một mặt phẳng vĩ tuyến nằm gần đáy bán cầu, tạo ra 8 phôi bào kích thước khác nhau: 4 phôi bào lớn là đại phôi bào (macromere) và 4 phôi bào nhỏ là tiểu phôi bào (micromere). Hình 15b.Sự phân cắt đối xứng tỏa tròn ở cầu gai Ở giai đoạn 16 phôi bào các phôi bào đã phân hoá và là mầm của các phần khác nhau của cơ thể sau này (8 phôi bào ở cực sinh học là mầm của lá phôi ngoài, còn 4 phôi bào lớn ở cực dinh dưỡng là mầm lá phôi trong và 4 phôi bào nhỏ ở cực dinh dưỡng sẽ cho nhu mô của ấu trùng). Hình 16. A. Giai đoạn 16 tế bào B. Số phận các phôi bào giai đoạn 64 tế bào (A) (B) Ở lần phân cắt thứ năm, 8 trung phôi bào phân chia theo mặt phẳng xích đạo tạo thành hai lớp an1 và an2 ở cực động vật. Các đại phôi bào phân chia theo mặt phẳng kinh tuyến, tạo ra một lớp gồm 8 phôi bào nằm bên dưới lớp an2. Các tiểu phôi bào cũng phân chia, mặc dù muộn hơn. Tất cả các rãnh phân cắt của lần thứ sáu đều theo mặt phẳng xích đạo và của lần thứ bảy theo mặt phẳng kinh tuyến. Hình 15c.Sự phân cắt đối xứng tỏa tròn ở cầu gai Phôi nang bắt đầu được thành lập ở giai đoạn 128 tế bào. Các tế bào tạo thành một khối cầu rỗng bao quanh một xoang ở trung tâm gọi là xoang phôi. Lúc này các tế bào có kích thước bằng nhau, các tiểu phôi bào giảm tốc độ phân chia. Mỗi tế bào tiếp xúc với dịch protein bên trong và màng hyaline bên ngoài. Trong thời gian này, các tế bào tiếp xúc với nhau chặt hơn. Khi các tế bào tiếp tục phân chia, lớp tế bào rộng ra và mỏng dần, phôi nang vẫn duy trì một lớp tế bào do các phôi bào dính vào màng hyaline và nước đi từ ngoài vào làm xoang phôi ngày càng lớn. Hình 17. Phôi nang ở cầu gai Sự phân cắt kết thúc sau mười lần phân chia, các gen mới được biểu hiện và một số tế bào phát triển các tiêm mao trên bề mặt ngoài làm cho phôi nang xoay bên trong màng thụ tinh. Các tế bào ở cực thực vật dày lên tạo thành đĩa thực vật, các tế bào ở cực động vật tổng hợp và tiết ra các enzyme tiêu hủy màng thụ tinh (Hình 18). Hình 18. Sự thành lập phôi nang ở cầu gai 4.4. Quá trình phôi vị hóa và tạo trung bì Để trở thành một sinh vật có đầy đủ các chức năng, phôi phải sắp xếp lại các tế bào phôi nang theo một sơ đồ cơ thể đặc trưng cho loài. Thời kỳ đầu tiên của quá trình này là sự tạo phôi vị. Sự phôi vị hóa biến đổi phôi nang hình cầu thành một cấu trúc phức tạp gồm có ba lớp tế bào. Lớp ngoài cùng tiếp xúc trực tiếp với môi trường là ngoại bì (lá phôi thứ nhất). Ở phần lớn sinh vật nó cho ra biểu bì và hệ thần kinh. Lớp tế bào bên trong là nội bì (lá phôi thứ hai) tạo thành ruột nguyên thủy. Nhiều cấu trúc đa bào phát triển từ lớp tế bào ở giữa là trung bì (lá phôi giữa). Phôi nang của cầu gai là một khối cầu rỗng chỉ có một lớp phôi bì khoảng 1000 tế bào, dẹt ở cực thực vật. Các phôi bì bắt nguồn từ những vùng khác nhau của hợp tử, có kích thước và bản chất khác nhau. Hình 19 cho thấy số phận các vùng khác nhau của phôi nang khi chúng phát triển qua giai đoạn phôi vị đến giai đoạn ấu trùng pluteus đặc trưng của cầu gai. Số phận của mỗi lớp tế bào có thể thấy được qua chuyển động của chúng trong suốt quan trọng tạo phôi vị. Hình 19. Sự phát triển của cầu gai (A) Hợp tử; (B) & (C) Phôi nang; (D) Phôi vị ; (E) Ấu trùng hình lăng trụ; (F) Ấu trùng pluteus Quá trình phôi vị hóa Phôi nang cầu gai là một phôi nang rỗng điển hình với thành phần là một lớp tế bào dạng biểu mô. Tạo phôi vị theo phương thức lõm điển hình. Toàn bộ phần đáy (cực thực vật) lõm vào xoang phôi nang. Đồng thời với quá trình lõm, các tế bào trung bì cũng bị tách khỏi nội bì và đi vào xoang phôi nang để tạo các tế bào trung bì. Các tế bào này phân bố thưa thớt trong xoang phôi nang giống như các tế bào trung mô ở phôi động vật có xương sống. Như vậy, ở cầu gai, sự tách trung bì xảy ra đồng thời với quá trình lõm vào để tạo nội bì. Về sau nội bì sẽ hình thành biểu mô ruột, phôi khẩu sẽ hình thành hậu môn còn miệng sẽ tạo mới. 4.4.1. Sự di nhập của trung mô sơ cấp Ngay sau khi phôi nang chui ra khỏi màng thụ tinh, phía cực thực vật bắt đầu dầy lên và dẹt. Tại trung tâm vùng này, một đám tế bào nhỏ bắt đầu biến đổi thành dạng amip và tạo ra các giả túc dạng sợi từ bề mặt bên trong của chúng. Sau đó các tế bào này tách ra khỏi lớp biểu mô và di nhập vào xoang phôi. Những tế bào này có nguồn gốc từ các tiểu phôi bào và được gọi là trung mô sơ cấp (primary mesenchyme). Chúng sẽ tạo thành bộ xương của ấu trùng vì vậy đôi khi chúng còn được gọi là trung mô tạo xương (skeletogenic mesenchyme). Lúc đầu các tế bào di chuyển ngẫu nhiên dọc theo bề mặt xoang phôi. Về sau chúng định vị bên trong vùng bên bụng tương lai của xoang phôi. Tại đây chúng hợp nhất thành các dây hợp bào (syncytial cable), từ đó tạo thành trục của bộ xương ấu trùng Quá trình phôi vị hóa Sự di nhập của các tế bào bắt nguồn từ tiểu phôi bào là do những tế bào này mất đi ái lực của chúng với các tế bào chung quanh và với màng hyaline, đồng thời chúng lại có ái lực rất mạnh với một nhóm protein lót trong xoang phôi. Sự thay đổi trong ái lực này làm cho các tiểu phôi bào tách ra khỏi màng hyaline và các tế bào xung quanh, di cư vào xoang phôi (Hình 20). Hình 20. Sự di nhập của các tế bào trung mô sơ cấp Chung quanh các tế bào trung mô sơ cấp, nồng độ của các chất ngoại bào rất cao. Khi đã ở bên trong xoang phôi, các tế bào trung mô sơ cấp tiếp tục di chuyển dọc theo lớp dịch ngoại bào của thành xoang phôi nhờ các giả túc. Các tế bào này tự sắp xếp thành một vòng tại một vị trí xác định dọc theo trục động - thực vật. Ở hai vị trí gần phía bụng tương lai của ấu trùng, một số tế bào hợp nhất lại và tạo thành các gai xương. Hình 21. Sự sắp xếp của các tế bào trung mô sơ cấp 4.4.2. Sự tạo ruột nguyên thủy a. Giai đoạn đầu Khi vòng tế bào trung mô sơ cấp rời khỏi vùng cực thực vật của xoang phôi, những biến đổi quan trọng đã xảy ra trong các tế bào còn lại ở tấm thực vật. Các tế bào này vẫn còn gắn vào các tế bào khác và vào màng hyaline của trứng, chúng di chuyển để lấp đầy khoảng trống do sự di nhập của trung mô sơ cấp. Tấm thực vật uốn cong và lõm vào khoảng ¼ - ½ phía trong xoang phôi (Hình 21). Sau đó sự lõm vào dừng lại đột ngột. Vùng lõm vào được gọi là ruột nguyên thủy (archenteron) và nơi thông ra ngoài ở vùng cực thực vật được gọi là phôi khẩu (blastopore). Hình 22. Sự lõm vào của tấm thực vật Màng hyaline được cấu thành từ hai lớp: lớp ngoài cấu tạo chủ yếu là các protein hyalin và lớp trong có các protein fibropellin. Fibropellin được dự trữ trong các hạt tiết trong tế bào trứng và được tiết ra sau khi hạt vỏ phóng thích protein hyalin. Ở giai đoạn phôi nang, fibropellin tạo thành một mạng lưới trên bề mặt phôi. Khi tấm thực vật bắt đầu lõm vào, các tế bào của tấm này tiết proteoglycan vào lớp trong của màng hyaline. Các phân tử của lớp này hút nước và phồng lên làm cho màng hyaline ở vùng cực thực vật uốn cong (Hình 22B, C). Giai đoạn đầu tạo ruột nguyên thủy b. Giai đoạn sau Tiếp sau một thời gian tạm dừng ngắn, sự thành lập ruột nguyên thủy bắt đầu. Trong suốt giai đoạn này ruột nguyên thủy từ từ dài ra và biến đổi thành ống ruột dài, dầy. Kết thúc giai đoạn này các tế bào của ruột nguyên thủy tự sắp xếp bằng cách di chuyển đan xen vào nhau và dẹt lại. Đồng thời các tế bào này tiếp tục phân chia tạo ra nhiều tế bào trung mô thứ cấp và tế bào nội bì. Khi phần đỉnh của ruột nguyên thủy tiếp xúc với thành của xoang phôi, chúng mở ra ngoài tạo thành miệng (phôi khẩu trở thành hậu môn), các tế bào trung mô sơ cấp phân tán trong xoang phôi, tăng sinh và tạo thành các cơ quan có nguồn gốc trung bì (Hình 23). Ống tiêu hóa sớm có 3 phần: ruột trước, ruột giữa và ruột sau. Miệng và hậu môn nằm về phía bụng. Miệng là phần đáy của một chỗ lõm và có vành tiêm mao bao quanh. Hai bên ống tiêu hóa có đôi túi thể xoang chính thức. Hình 23. Sự kéo dài ruột nguyên thủy Sự kéo dài ruột nguyên thủy Ngoại bì tạo thành lớp biểu bì. Nội bì tạo thành lớp màng lót bên trong ống tiêu hóa cùng các cơ quan phụ. Bộ xương tất cả các cơ quan nằm giữa lớp ngoại bì và nội bì được hình thành từ trung mô. 4.5. Quá trình phát sinh cơ quan 4.6. Quá trình phát triển phát triển hậu phôi Ấu trùng da gai ở giai đoạn sau phôi vị đối xứng hai bên, gọi là ấu trùng dipleurula. Hai túi thể xoang sau đó sẽ chia thành 3 đôi túi thể xoang: đôi túi trước, đôi túi giữa và đôi túi sau. Đôi túi sau sẽ biến thành phần chính của thể xoang. Túi giữa phải và có khi cả túi trước phải tiêu biến. Túi trước trái hình thành cơ quan trục và ống đá. Túi trái giữa hình thành phần còn lại của hệ ống nước. Ấu trùng sau đó của cầu gai là echinopluteus. Cầu gai trưởng thành hình thành từ một phần của ấu trùng, phần còn lại không phát triển Hình 24. Thời gian phát triển phôi một số loài cầu gai Các giai đoạn phát triển phôi của cầu gai TÀI LiỆU THAM KHẢO Thái Trần Bái, Động vật học không xương sống,2001, NXB Giáo dục, Hà Nội. Ngô Đắc Chứng, Sinh sản và phát triển cá thể động vật, 2007, NXB Đại học Huế, Huế. Một số trang web html XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN ! Cực tiếp xúc với giá thể được gọi là cực miệng, phía đối diện được gọi là cực đối miệng. Từ cực miệng đến cực đối miệng có 10 dãy đôi tấm xếp phóng xạ với 2 loại dãy xen kẽ nhau. Năm dãy gồm có 2 hàng tấm tương đối bé, mỗi tấm có 2 lỗ để chân ống từ trong thò ra ngoài gọi là dãy phóng xạ. Ở cực đối miệng dãy tấm chân ống được kết thúc bằng tấm mắt, có mắt đơn giản trên mỗi tấm. Xen kẽ với 5 dãy tấm chân ống có 5 dãy gồm 2 hàng tấm lớn hơn, không có lỗ, được gọi là dãy gian phóng xạ, dãy này tận cùng bằng tấm sinh dục, có lỗ sinh dục trên một tấm. Một trong 5 tấm sinh dục là tấm sàng, có nhiều lỗ thông với hệ ống dẫn nước. Như vậy là trên cực đối miệng có 5 tấm xếp xen kẽ với 5 tấm sinh dục lớn bao quanh vùng hậu môn. Thành cơ thể gồm 3 lớp: - Lớp tế bào biểu mô ngoài cấu tạo một tầng, có tiêm mao vận động để tạo nên dòng nước đưa thức ăn và ôxy cung cấp cho cơ thể và thải chất cặn bã ra ngoài. Trong lớp biểu mô này còn có các tế bào tuyến tiết chất nhầy, chất dính, chất độc hay chất phát sáng. - Lớp mô liên kết tạo thành 3 tầng khác nhau là tầng cơ trong cùng, tầng mô liên kết ở giữa và tầng biểu mô có bộ xương giáp với biểu mô ngoài. Về nguồn gốc thì bộ xương được hình thành từ lá phôi giữa, do các tế bào mô liên kết lấy CaCO3 từ nước biển, lúc đầu tạo thành các hạt nhỏ, dần dần liên kết lại thành tấm xương hay mảnh xương nâng đỡ các chân ống. - Lớp biểu mô thành thể xoang gồm các tế bào biểu mô có tiêm mao. Xoang cơ thể thứ sinh (thể xoang) rất phát triển. Mặt khác, thể xoang có sự phân hoá về cấu tạo, đảm nhận các chức phận khác nhau, gồm hệ ống dẫn nước - hệ chân ống, hệ tuần hoàn (hệ xoang máu giả) và phức hệ cơ quan trụ. Hệ thống ống dẫn nước gồm có ống dẫn nước vòng quanh hầu, từ đó toả ra các ống dẫn nước phóng xạ. Hệ tuần hoàn và hệ xoang máu giả có vòng tuần hoàn quanh miệng, có 5 ống tuần hoàn phóng xạ. Ngoài ra có vòng tuần hoàn đối miệng và các ống tuần hoàn đi vào tuyến sinh dục. Vòng quanh miệng và vòng đối miệng nối với nhau bằng phức hệ cơ quan trụ. Ở động vật da gai không có mạch máu mà chỉ khe xoang, do vậy hoạt động tuần hoàn thực sự không có. Hệ xoang máu giả là một bộ phận của thể xoang, bao gồm vòng máu giả quanh miệng, các ống máu giả đi vào các vùng phóng xạ. Chức phận của hệ máu giả là nuôi dưỡng hệ thần kinh. Phức hệ cơ quan trụ là cơ quan đặc trưng ở động vật da gai, phát triển mạnh ở các Cầu gai, cấu tạo gồm có các bô phận là các ống dẫn nước hình trụ chạy dọc có cấu tạo xốp, có khả năng tạo ra các tế bào amip, tham gia bài tiết và các tấm sàng có khả năng lọc nước. Hệ tiêu hoá hình ống, kéo dài và cuộn 2 vòng trước khi đổ ra hậu môn. Cơ quan hô hấp chuyên hoá là 5 đôi mang phân nhánh nằm quanh miệng, thực chất là biến đổi của các phần xoang cơ thể. Hệ sinh dục cấu tạo đơn giản, tuyến sinh dục phân tính dạng vòng, bao quanh ruột sau (con non), con trưởng thành thì hình túi. Không có cơ quan bài tiết. Sự bài tiết chủ yếu do các tế bào amip trong xoang cơ thể đảm nhận. Hệ thần kinh có 3 bộ phận khác nhau, đối xứng toả tròn: 1) Mạng thần kinh miệng (ectoneural system) nằm ở mặt miệng. Gồm có vòng thần kinh trung tâm bao quanh hầu, thực quản và các dây thần kinh phóng xạ nằm ở lớp biểu mô. Từ đây có 2 dây thần kinh đi tới nội quan, chức năng chủ yếu là thụ cảm. 2) Mạng thần kinh dưới da (hyponeural system) nằm phía dưới mạng thần kinh miệng, kém phát triển, điều khiển vận động của nội quan. 3) Mạng thần kinh đối miệng(entoneural system) có mối liên với biểu mô thể xoang. Cơ quan thị giác và thăng bằng chuyên hoá ở dạng đơn giản, các tế bào cảm giác như xúc giác, khứu giác và vị giác nằm rải rác ở chân ống, tua miệng... Nhìn chung hệ thần kinh của động vật da gai còn giữ nhiều nét cổ, mạng thần kinh miệng và mạng thần kinh dưới da còn nằm trong biểu mô hay nằm ngay dưới biểu mô. Xu hướng tập trung tế bào thần kinh thành hạch không rõ.