SINH SẢN VÀ PHÁT TRIỂN CÁ THỂ Ở CẦU GAI doc

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 acrosomal process của tinh trùng trong giai đoạn sớm của sự thụ tin

SINH SẢN VÀ PHÁT TRIỂN

CÁ THỂ Ở CẦU GAI

Lớp Cầu gai (Echinoidea) thuộc phân ngành Eleutherozoa, thuộc ngành Da gai(Echinodermata).

Lớp Cầu gai 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 - đốimiệng, hình đĩa hay hình túi, hậu môn không ở trên trục đối xứng mà chuyển sangmặt phẳng gian phóng xạ Một số nội quan của một số nhóm bị tiêu giảm một phần 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, Trymenotes gratilla…Ở vịnh Bắc Bộ gặp khoảng 20 loài thường gặp là Astropyga radiata có thân lớn và dẹp (khoảng 20cm),

có kích thước nhỏ sống từng đàn ở vùng triều đáy cát có độ sâu khoảng 50m,

Laganum decagonate có vỏ mỏng gần như trong suốt, phân bố ở vùng có đáy bùn nhuyễn, Lovenia subcarinata, hình trứng dài 6cm, sống nơi đáy bùn hay nước sâu

10 - 35m

1 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 hìnhtrứng, toả ra rất nhiều gai nhỏ ra xung quanh nên có tên gọi là cà ghim hay nhímbiển, có đối xứng toả tròn bậc 5 (hình 11.16)

Tính chất đối xứng toả tròn của động vật da gai trưởng thành thể hiện ở cấu tạongoài và sự sắp xếp của các nội quan

Cực tiếp xúc với giá thể được gọi là cực miệng, phía đối diện được gọi là cựcđối miệng Từ cực miệng đến cực đối miệng có 10 dãy đôi tấm xếp phóng xạ với 2loại dãy xen kẽ nhau Năm dãy gồm có 2 hàng tấm tương đối bé, mỗi tấm có 2 lỗ đểchân 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 dãytấm chân ống có 5 dãy gồm 2 hàng tấm lớn hơn, không có lỗ, được gọi là dãy gianphóng xạ, dãy này tận cùng bằng tấm sinh dục, có lỗ sinh dục trên một tấm Mộttrong 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 vùnghậu môn

Trên bề mặt tấm có các gai khớp với các hố nên có thể di động theo mọihướng Có 2 loại gai là gai thường (gai di chuyển) làm nhiệm vụ vận chuyển vàgai kìm (cặp) để làm chức phận tự vệ Gai kìm rất linh hoạt, có chứa chất độc, là

cơ quan thu dọn rác bám vào thân động vật cầu gai và để bảo vệ cơ thể rất hiệu quả(hình 11.17)

Ở cầu gai có mô liên kết biến đổi hay còn gọi là mô gom (catch tisue) Đặctính của mô này là khi bị kích thước thì chúng thoắt cứng hay thoắt mềm Khảnăng biến đổi nhanh chóng này giúp cho động vật da gai có thể bắt mồi, di chuyển

và tự cắt phần cơ thể để thoát thân khi bị kẻ thù tấn công

Thành cơ thể gồm 3 lớp:

Lớp tế bào biểu mô ngoài cấu tạo một tầng, có tiêm mao vận động để tạo nêndòng 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 độchay chất phát sáng

Lớp mô liên kết tạo thành 3 tầng khác nhau là tầng cơ trong cùng, tầng mô liênkết 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 từnước biển, lúc đầu tạo thành các hạt nhỏ, dần dần liên kết lại thành tấm xương haymảnh 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 Dịch thể xoang bao quanh nộiquan, có thành phần rất giống với nước biển Ngoài ra có nhiều protein, tế bào thựcbào và các tế bào sắc tố Chức phận của thể xoang là vận chuyển chất dinh dưỡng

và chất bã Mặt khác, thể xoang có sự phân hoá về cấu tạo, đảm nhận các chứcphận khác nhau, gồm hệ ống dẫn nước - hệ chân ống, hệ tuần hoàn (hệ xoang máugiả) và phức hệ cơ quan trụ (hình 11.1)

Hệ chân ống rất phát triển, xoang cơ thể lớn chứa đầy dịch Hệ thống ống dẫn

nước là một cấu tạo đặc trưng có nguồn gốc từ túi thể xoang của ấu trùng Hệ

thống ống dẫn này lấy nước từ môi trường ngoài thông qua tấm sàng (madreporit)

là cơ quan lọc nước nằm ở cực đối miệng Hệ thống ống dẫn nước gồm có ống dẫnnước vòng quanh hầu, từ đó toả ra các ống dẫn nước phóng xạ Dọc theo ốngphóng xạ, về phía 2 bên có các cặp ampun thông với chân ống ở phía dưới.Ampun ở một số nhóm còn hoạt động như giác quan hoá học và tham gia bắt mồi

Số lượng chân ống có thể tới 2.000 cái, chúng hoạt động phối hợp với nhau khi dichuyển nhờ điều chỉnh áp lực trong hệ ống dẫn nước Sức bám của chân ống lênnền cứng một phần nhờ tương tác ion, phần khác nhờ hoạt động của tế bào tuyếnkép như đã gặp ở giun giẹp Nước từ tấm sàng đến ống nước vòng qua ống đá vì

có thành cứng, được gia cố bằng các gai đá vôi Ngoài ra trên các ống dẫn nướcvòng có túi pôli và thể tideman dự trữ nước Ngoài ra thể tideman còn lọc nước đểtạo ra dịch thể xoang và thải chất bài tiết Ngoài ra chân ống còn là nơi trao đổikhí

Hệ tuần hoàn và hệ xoang máu giả là đặc điểm rất đặc trưng của động vật dagai Điển hình 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 Ởđộng vật da gai không có mạch máu mà chỉ khe xoang, do vậy hoạt động tuầnhoàn thực sự không có Hệ xoang máu giả là một bộ phận của thể xoang, bao gồmvòng máu giả quanh miệng, các ống máu giả đi vào các vùng phóng xạ Chức phậncủa hệ máu giả là nuôi dưỡng hệ thần kinh Dùng thức ăn có đánh dấu bằng 14C, cóthể theo dõi đường đi của thức ăn từ ống tiêu hoá đến hệ máu giả và cuối cùng đến

hệ sinh dục

Phức hệ cơ quan trụ là cơ quan đặc trưng ở động vật da gai, phát triển mạnh ởcác Cầu gai, cấu tạo gồm có các bô phận là các ống dẫn nước hình trụ chạy dọc cócấu 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 Cầu gai

có một bộ phận nạo vét thức ăn rất độc đáo được gọi là đèn Aristôt do 25 tấmxương tạo thành Mỗi đơn vị đối xứng của đèn Aristôt được gọi là piramit Mỗiparamit do 2 mảnh ghép lại, chỗ giao nhau có răng, phía trên có xương nối(epiphis) Gai có thể bị mất đi và nhanh chóng mọc lại (hình 11.18)

Hệ thần kinh cấu tạo theo kiểu 3 mạng thần kinh, cơ quan cảm giác có mắt và

cơ quan thăng bằng Hệ thần kinh có 3 bộ phận khác nhau, cấu tạo đối xứng toảtròn:

1) Bộ phận chủ yếu là mạng thần kinh miệng hay là hệ thần kinh ngoài(ectoneural system) nằm ở mặt miệng Gồm có vòng thần kinh trung tâm bao quanhhầu, thực quản và các dây thần kinh phóng xạ nằm ở lớp biểu mô Từ các dây phóng

xạ 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 kinhmiệng, kém phát triển, điều khiển vận động của nội quan

3) Mạng thần kinh đối miệng hay mạng thần kinh trong (entoneural system) cómối liên với biểu mô thể xoang (hình 11.3)

Cơ quan cảm giác nhìn chung kém phát triển Cơ quan thị giác và thăng bằngchuyên hoá ở dạng đơn giản Bên cạnh đó có 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, thể hiệnmạng thần kinh miệng và mạng thần kinh dưới da còn nằm trong biểu mô hay nằmngay dưới biểu mô Xu hướng tập trung tế bào thần kinh thành hạch không rõ

Cơ quan hô hấp chuyên hoá là 5 đôi mang phân nhánh nằm quanh miệng, thựcchất là biến đổi của các phần xoang cơ thể

Cơ quan tiêu hoá không có đối xứng toả tròn, ống tiêu hoá dài, uốn khúc, đượcdính vào thành cơ thể nhờ các màng treo ruột Hệ sinh dục cấu tạo đơn giản, tuyếnsinh dục phân tính dạng vòng, bao quanh ruột sau (con non), con trưởng thì hình

túi

Động vật da gai không có cơ quan bài tiết Sự bài tiết chủ yếu do các tế bào amiptrong xoang cơ thể đảm nhận

Gai và các cơ quan bên ngoài của Cầu gai khi bị mất đều có thể mọc lại

2 Sinh sản và phát triển của cầu gai

2.1 Quá trình tạo giao tử

Một phần tế bào chất của noãn thụ tinh sẽ cho ra các tế bào tiền thân của các tếbào sinh dục: tế bào mầm (germ cell) Các tế bào mầm di chuyển đến các tuyếnsinh dục và biệt hóa thành tế bào sinh dục Sự phát triển các tế bào sinh dục chỉhoàn tất khi cá thể đã thành thục sinh dục Lúc đó, các tế bào sinh dục được giảiphóng và tham gia quá trình thụ tinh

Sự tồn tại của các tế bào sinh dục được quyết định qua hai bước cơ bản: sự tạothành tế bào mầm sơ khai và sự di chuyển của các tế bào mầm đến các cơ quan tạogiao tử đang phát triển và sự biệt hóa của chúng ở đó

2.1.1 Sự tạo tinh trùng

Cấu tạo tinh trùng

Tinh trùng có cấu tạo khác nhau trong các nhóm động vật khác nhau Tuynhiên, chúng đều có những nét cấu tạo chung thích nghi với chức năng vậnchuyển, thụ tinh và các chức năng sống khác Các nghiên cứu bằng kính hiển viđiện tử cho thấy tinh trùng cấu tạo gồm có bốn phần: đầu, cổ , phần giữa và đuôi

Mỗi tinh trùng có cấu tạo (Hình 16 ) gồm các phần:

Hình 16 Cấu tạo tinh trùng của thú

a Phần đầu: là bộ phận của tinh trùng tiếp xúc với trứng trong quá trình thụ tinh.

Đầu tinh trùng có chứa một nhân đơn bội và một thể đỉnh (acrosome)

Nhân: Trong quá trình trưởng thành của tinh trùng, nhân bị nén lại do DNA của

nó bị xoắn chặt Sự đóng xoắn của DNA giúp cho tinh trùng ít bị các tổn thươngvật lý hoặc đột biến trong quá trình dự trử và di chuyển đến nơi thụ tinh Sự néncủa nhân là do tương tác giữa DNA 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 và các đường phức tạp Các enzyme tiêu hoáprotein như acrosin, hyaluronidase, acid phosphatase, aryl sulphatase, các loạiesterase và phospholipase giúp cho tinh trùng tiêu huỷ lớp màng trứng để xâmnhập 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 (acrosomal process) 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 được đặc trưng bởi sự hiện diện của các ty thể xếp xoắn ốc, bao quanhsợi trục bên trong Ty thể có các enzyme có khả năng chuyển hoá yếm khí đường,glycerol, sorbitol, lactate, acetate, các loại acid béo và nhiều loại acid amin Ty thểcủa tinh trùng cũng có chứa enzyme lactate dehydrogenase (LDH) có thể oxy hoálactate thành pyruvate, là chất tham gia vào chu trinh Kreb để sản sinh năng lượng

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 bởichín 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 chuyểnđộng

2.1.2 Sự tạo trứng

Tất cả các nguyên liệu cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển phải được dựtrữ trong trứng chín Trong khi tinh trùng bị loại bỏ hầu hết tế bào chất thì tế bàotrứng đang phát triển không chỉ giữ lại mà còn tích tụ thêm tế bào chất Trứng cầugai có thể tích khoảng 200 picoliter (2* 10-4 mm3), gấp 10.000 lần thể tích của tinhtrùng

Hình: cấu trúc của trứng cầu gai trong quá trình thu tinh

Tế bào chất của trứng bao gồm:

- Các chất hóa học bảo vệ trứng

Bên trong khối tế bào chất là một nhân lớn Ở cấu gai, nhân đã ở trạng thái đơnbội vào thời điểm trứng thụ tinh

Hình: Các giai đoạn trứng chín của thời điểm tinh trùng xâm nhập

Bao quanh tế bào chất là màng nguyên sinh: có khả năng điều hòa sự trao đổiion trong quá trình thụ tinh và có khả năng hợp nhất với màng tế bào tinh trùngBên ngoài màng nguyên sinh là màng noãn hoàng

Bao ngoài tế bào chất là màng nguyên sinh (plasma membrane) Màng này cókhả năng điều hòa sự trao đổi ion trong quá trình thụ tinh và có khả năng hợp nhấtvới màng tế bào tinh trùng Bên ngoài màng nguyên sinh là màng noãn hoàng(vitelline envelope)

Hình : Bề mặt trứng chưa thụ tinh của cầu gai

Màng noãn hoàng có ít nhất là tám loại glycoprotein cần thiết cho sự nhậndạng đặc hiệu của tinh trùng

Nằm ngay bên dưới màng nguyên sinh là 1 lớp vỏ mỏng khoảng 5µm Tê bàochất của vùng này cứng hơn phía trong và có nhiều phân tử actin hình cầu Trongquá trình thụ tinh, các phân tử actin bị polyme hóa tạo thành các vi sợi Các vi sợinày cần cho sự phân cắt tế bào

Nhiều tế bào trứng còn có một lớp mỏng bên ngoài màng noãn hoàng gọi làlớp keo (jelly layer) cấu tạo từ glycoprotein, có nhiều chức năng nhưng phổ biếnnhất là để hấp dẫn hoặc hoạt hóa tinh trùng

Một cầu gai mẹ có thể cung cấp hơn 20 triệu trứng Phôi phát triển chỉ trong 03ngày và trong suốt

4 2 Quá trình thụ tinh

Sự thụ tinh xảy ra trong nước biển Sự thụ tinh thường 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 nhậpcủa 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: 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

Sự hấp dẫn của tinh trùng đặc trưng cho loài Ở cầu gai, tinh trùng được thuhút về phía trứng cùng loài nhờ tính hướng hóa, tức là theo gradian của chất hóahọc tiết ra từ trứng Người ta đã ly trích được resact, một peptit gồm 14 acid amin,

có khả năng hấp dẫn tinh trùng bơi ngược chiều gradient nồng độ đến khi chúngtiếp xúc với trứng Resact còn có vai trò hoạt hóa tinh trùng do chúng làm tănghoạt động của ti thể và chuyển động của tinh trùng

b Sự hoạt hóa của tinh trùng: phản ứng của thể đỉnh(acrosomal reaction)

Một tương tác thứ hai giữa tinh trùng và trứng là phản ứng thể đỉnh Ở cầu gai

và hầu hết các động vất không xương sống ở biển, phản ứng thể đỉnh gồm haibước:

1) Sự hợp nhất giữa túi thể đỉnh và màng tế bào tinh trùng, dẫn đến sự phóngthích các enzim trong túi thể đỉnh

2) Sự kép dài mấu thể đỉnh

Ở Cầu gai, phản ứng thể đỉnh xảy ra do sự tiếp xúc giữa tinh trùng với lớp keocủa trứng.

Hình: Trình tự các bước phản ứng thể đỉnh của tinh trùng cầu gai

Ở Cầu gai, phản ứng thể đỉnh được khởi động do một polysaccarit có chứafucose trong lớp keo của trúng gắn vào tinh trùng làm cho ion calcium đi vào đầutinh trùng Ion này làm cho màng thể đỉnh hợp nhất với màng tế bào tinh trùng.dẫnđến sự ngoại xuất bào của túi thể đỉnh Sự kéo dài của mấu thể đỉnh là do các phân

tử actin hình cầu bị polymer hóa thành các actin hình sợi

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 đỉnhcủa nó sẽ gắn với các vi nhung mao trên bề mặt của trứng Sự gắn này mang tínhdặc hiệu của loài nhờ một protein thể đỉnh là bindin Protein này có khối lượng350kDa Hơn nữa, sự tương tác giữa bidin với trứng có tính đặc hiệu: bidin đượctrichgs từ thể đỉnh của S purpuratus chỉ gắn vào màng trứng của loài này Bằng kĩthuật miễn dịch học, Vacquier cũng đã chứng minh rằng bidin nằm ở một vị tríxác định trên mấu thể đỉnh

Các nghiên cứu về hóa sinh học đã cho thấy bidin hoàn toàn khác nhau ởnhững loài cầu gai có quan hệ gần Đó là do trên màng noãn hoàng hoặc màngnguyên sinh của trứng có quan hệ gần Đó là trên màng noãn hoàng hoặc màngnguyên sinh của trứng có các thụ thể bidin đặc trưng

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 củatinh trùng tiết ra các enzym tiêu hủy một phần của bao này giúp cho đầu tinh trùngxuyên qua và tiếp xúc với màng trứng Tiếp theo đó là sự gắn của tinh trùng vàotrứng do sự polymer hóa các phân tử actin hình cầu của vi nhung mao

Hình : sự xâm nhập của tinh trùng vào trứng của cầu gai

Ở cầu gai, tất cả các vùng trên màng nguyên sinh trứng đều có khả nănghợp nhất với màng tinh trùng, trong khi ở nhiều loài khác chỉ những vùng xác địnhtrên màng trứng mới được tinh trùng nhận biết và dung hợp Protein có vai tròtrong sự hợp nhất màng giao tử ở cầu gai là bindin

3 Quá trình phân cắt trứng

a Phân cắt đối xứng tỏa tròn

Ở cầu gai Paracentrolus lividus, hai lần phân cắt đầu tiên theo chiều kinh

tuyến, thẳng góc nhau, rãnh phân cắt đi ngang qua hai cực, chia trứng thành bốnphôi bào bằng nhau Lần phân cắt thứ ba theo mặt phẳng xích đạo, trực giao vớimặt phẳng của hai lần phân cắt trước, tạo thành 8 phôi bào Lần phân cắt thứ tưxảy 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 tuyếnthẳng 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 2).

Hình 2 Sự thành lập các tiểu phôi bào ở lần phân cắt thứ tư của phôi Cầu gai Cực thực vật của phôi được nhìn từ bên dưới (A) Vị trí và hướng của các thoi phân bào (B) Sự tạo thành 4 tiểu phôi bào và 4 đại phôi bào

Ở lần phân cắt thứ năm, 8 trung phôi bào phân chia theo mặt phẳng xích đạotạo thành hai lớp an1 và an2 ở cực động vật Các đại phôi bào phân chia theo mặtphẳng kinh tuyến, tạo ra một lớp gồm 8 phôi bào nằm bên dưới lớp an2 Các tiểuphôi bào cũng phân chia, mặc dù muộn hơn Tất cả các rãnh phân cắt của lần thứsáu đều theo mặt phẳng xích đạo và của lần thứ bảy theo mặt phẳng kinh tuyến

Phôi nang (blastula) 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 (blastocoel) 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 mànghyaline bên ngoài Trong thời gian này, các tế bào tiếp xúc với nhau chặt hơn Khicác tế bào tiếp tục phân chia, lớp tế bào rộng ra và mỏng dần, phôi nang vẫn duytrì một lớp tế bào do các phôi bào dính vào màng hyaline và nước đi từ ngoài vàolàm xoang phôi ngày càng lớn (Hình 3)

Hình 3.Sự phân cắt đối xứng tỏa tròn 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 (cilia) 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 (vegetal plate), các tế bào ở cực động vật tổng hợp và tiết ra các enzyme

tiêu hủy màng thụ tinh (Hình 4)

Hình 4 Sự thành lập phôi nang ở cầu gai

, trứng phân cắt hoàn toàn, phóng xạ và xác định Lấy cầu gai làm ví dụ: Ở giaiđoạn 8 phôi bào, các phôi bào ở cực sinh học và cực dinh dưỡng đều giống nhau vềkích thước, nhưng ở giai đoạn 16 phôi bào các phôi bào đã phân hoá và là mầm củacác phần khác nhau của cơ thể sau này (8 phôi bào ở cực sinh học là mầm của láphôi ngoài, còn 4 phôi bào lớn ở cực dinh dưỡng là mầm lá phôi trong và 4 phôi bàonhỏ ở cực dinh dưỡng sẽ cho nhu mô của ấu trùng) Trứng của một số động vật dagai khác phân cắt hoàn toàn và đều Phôi vị được hình thành bằng cách lõm vào,trong quá trình hình thành phôi vị, nhu mô của ấu trùng từ 4 phôi bào nhỏ ở cựcdinh dưỡng phân chia và tách thành các phôi bào vào phôi nang Các tế bào này làmầm bộ xương của cơ thể sau này Lá phôi giữa được hình thành theo kiểu lõmruột, nghĩa là đáy của xoang ruột nguyên thuỷ phân hoá thành một túi và túi nàysớm tách thành 2 phần ở 2 bên để hình thành nên lá phôi giữa từ thể xoang chínhthức Song song với quá trình hình thành thể xoang ở bên trong, miệng phôi bịt lạirồi lá phôi ngoài lại lõm vào đúng vị trí đó, thông với xoang ruột nguyên thuỷ đểhình thành hậu môn Ở vị trí đối diện lá phôi ngoài lõm vào thông với phần đáy củaxoang ruột nguyên thuỷ để hình thành lỗ miệng Như vậy miệng của động vật da gaitrưởng thành là miệng thứ sinh (deuterostomia) không trùng với miệng phôi (hình11.4)

Quá trình phôi vị hoá ở động vật da gai cho thấy ống tiêu hoá sớm chia thành 3phần là ruột trước, ruột giữa và ruột sau Có miệng và hậu môn nằm ở mặt bụng.Miệng là phần đáy của một hốc lõm và có vành tiêm mao bao quanh Hai bên ôngtiêu hoá có đôi túi thể xoang chính thức Ấu trùng của tất cả động vật da gai ở giaiđoạn này có đối xứng hai bên, gọi là ấu trùng dipleurula (ấu trùng đối xứng haibên) Hai túi thể xoang sau đó sẽ chia thành 3 đôi túi thể xoang là đôi túi trước, đôitúi giữa và đôi túi sau Quá trình biến đổi tiếp theo của 3 đôi túi thay đổi theo từngnhóm về chi tiết: Đôi túi sau sẽ biến đổi thành phần chính của thể xoang Túi giữa

phải và đôi khi cả túi trước phải bị tiêu biến Túi trước trái hình thành phức hợp cơquan trụ, túi trái giữa hình thành phần còn lại của hệ thống dẫn nước.

Từ ấu trùng dipleurula là dạng chung của tất cả động vật da gai, sẽ hình thànhcác dạng ấu trùng đặc trưng cho mỗi nhóm, sai khác nhau chủ yếu là mức độ pháttriển và hình thành của vành tiêm mao và các nhánh trên cơ thể Ấu trùng của Cầugai là Echinopluteus, của Đuôi rắn là Ophiopluteus, của Sao biển là Bipinaria và củaHải sâm là Auricularia (hình 11.5 và 11.6) Đáng chú ý là cầu gai và đuôi rắn trưởngthành chỉ được hình thành từ một phần của ấu trùng, phần còn lại không tham giabiến đổi (giống như sự phát triển của giun vòi)

Cầu gai thụ tinh và phát triển ngoài qua giai đoạn ấu trùng echinopluteus đặctrưng cho động vật Cầu gai Ấu trùng echinopluteus trải qua nhiều giai đoạn biếnthái để hình thành con trưởng thành

4 Quá trình phôi vị hóa

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 củahợp tử, có kích thước và bản chất khác nhau Hình 3 cho thấy số phận các vùngkhác nhau của phôi nang khi chúng phát triển qua giai đoạn phôi vị đến giai đoạn

54 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 3 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

1 Sự di nhập của trung mô sơ cấp

a Chức năng của các tế bào trung mô sơ cấp

Ngay sau khi phôi nang chui ra khỏi màng thụ tinh, phía cực thực vật bắt đầudầy lên và dẹt Tại trung tâm vùng này, một đám tế bào nhỏ bắt đầu biến đổithành 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 củaxoang phôi Tại đây chúng hợp nhất thành các dây hợp bào (syncytial cable),

từ đó tạo thành trục của bộ xương ấu trùng

b Tầm quan trọng của lớp ngoại bào bên trong xoang phôi

Sự di nhập của các tế bào bắt nguồn từ tiểu phôi bào là do những tế bào nàymất đi ái lực của chúng với các tế bào chung quanh và với màng hyaline, đồngthời 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 mànghyaline và các tế bào xung quanh, di cư vào xoang phôi (Hình 4)

Hình 4 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 rấtcao Khi đã ở bên trong xoang phôi, các tế bào trung mô sơ cấp tiếp tục di chuyểndọc 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 Ởhai vị trí gần phía bụng tương lai của ấu trùng, một số tế bào hợp nhất lại và tạothành các gai xương

2 Sự tạo thành 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 tếbào này vẫn còn gắn vào các tế bào khác và vào màng hyaline của trứng, chúng dichuyển để lấp đầy khoảng trống do sự di nhập của trung mô sơ cấp Tấm thực vậtuốn cong và lõm vào khoảng ¼ - ½ phía trong xoang phôi (Hình 5A) 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 5 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 bềmặt phôi Khi tấm thực vật bắt đầu lõm vào, các tế bào của tấm này tiếtproteoglycan 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 5B, C)

b Giai đoạn sau Sau một thời gian tạm dừng ngắn, giai đoạn tiếp theo của sự

thành lập ruột nguyên thủy bắt đầu Trong suốt giai đoạn này ruột nguyên thủy từ

từ dài ra và ống ruột ngắn, rộng được biến đổi thành ống ruột dài, dầy Kết thúcgiai đoạn này các tế bào của ruột nguyên thủy tự sắp xếp bằng cách di chuyển đanxen vào nhau và dẹt lại Đồng thời các tế bào này tiếp tục phân chia tạo ra nhiều tếbào trung mô thứ cấp và tế bào nội bì Khi phần đỉnh của ruột nguyên thủy tiếpxúc với thành của xoang phôi, chúng mở ra ngoài tạo thành miệng (phôi khẩu trởthành 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 6)

Hình 6 Sự tạo thành ruột nguyên thủy ở Cầu gai

5 Quá trình tạo trung bì

Lá phôi giữa hình thành bằng cách lõm ruột Đáy của khoang ruột nguyên thủyphân hóa thành một túi và túi đó sớm tách thành 2 phần hai bên để hình thành nên

lá phôi giữa và thể xoang chính thức

Song song với hình thành thể xoang chính thức ở bên trong, miệng phôi bịtkín rồi lá phôi ngoài lại lõm vào đúng vị trí đó, thông với khoang ruột nguyên thủyhình thành hậu môn Ở vị trí đối diện, lá phôi ngoài lõm vào thông với phần đáycủa khoang ruột nguyên thủy để hình thành nên lỗ miệng Như vậy, miệng của dagai trưởng thành là miệng thứ sinh không trùng với miệng phôi

Ở da gai, 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 vànhtiêm mao bao quanh Hai bên ống tiêu hóa có đôi túi thể xoang chính thức Ấutrùng da gai ở giai đoạn này 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 túigiữa và đôi túi sau Đôi túi sau sẽ biến thành phần chính của thể xoang Túi giữaphải và có khi cả túi trước phải tiêu biến Túi trước trái hình thành cơ quan trục vàống 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

6 Quá trình tạo tấm thần kinh

Sau khi được hình thành phôi vị có 3 lớp phôi bì là nội bì, trung bì và ngoại bì

Từ ba lớp phôi bì này đã hình thành nên các cơ quan trong cơ thể sinh vật Sốphận của ngoại bì được trình bày trong Hình 1 Một phần của ngoại bì vùng lưng

được biệt hóa thành tế bào thần kinh Vùng này của phôi được gọi là tấm thần

kinh (neural plate) Quá trình hình thành phôi thần kinh (neurulation) sẽ tạo ra ống thần kinh (neural tube) và phôi ở giai đoạn này được gọi là phôi thần kinh (neurula) Ống thần kinh sẽ tạo thành não và tủy sống.

7 Quá trình phát sinh cơ quan

Da gai có cơ thể đối xứng tỏa tròn thứ sinh do ấu trng của cầu gai vẫn có đốixứng hai bên

Hệ ống nước và chân ống:

- Chân ống là cơ quan vận chuyển độc đáo của da gai, chủ yếu dựa vào sức épcủa nước trong hệ ống nước Hệ ống nước được hình thành từ túi thể xoang của ấutrùng

Các giai đoạn phân chia phôi

Hình 1 Sự phát triển hợp tử của loài L variegatus, nhìn từ mặt bên

A Hợp tử 1 tế bào Màng thụ tinh hiện rõ như một vòng sáng lớn bao quanh

phôi Dấu mũi tên chỉ vị trí xâm nhập của tinh.

Hình 2 2

Bên trái: Chưa hình thành phôi nang

Bên phải : Một phôi nang của loài L variegatus, thấy rõ tấm thực vật dày và

xoang phôi nang.

Giai đoạn phôi vị

Hình 3

Bên trái: Trung bì của phôi dâu L variegatus , nhìn từ mặt bên, thấy rõ sự đi

vào, hay là các tế bào trung bì, mầm xương (PMCs)

Bên phải: A L variegatus mesenchyme blastula processed for scanning

electron microscopy and fractured through the vegetal plate to show the process

of ingression (from worms.zoology.wisc.edu/urchins/SUgast_ingression.html )

Hình 4 Left: Phôi vị sớm của L variegatus nhìn từ mặt bên

Right: Phôi vị muộn của L variegatus , nhìn từ mặt trên

Figure 5 Bên trái: Phôi vị muộn của L variegatus diễn ra dưới kính hiển vi

điện tử

Bên phải: Sơ đồ phôi vị cầu gai có ghi chú.

Overview of Development and Cell Fate Maps

Ngoại bì miệngNgoại bì nguyên thủyTấm thực vật/ nội bìTrung bì tạo xương (sơ cấp)Trung bì thứ cấpTiểu phôi bàoDãy tiêm maoGai ấu trùng

Figure 6 Developmental stages and fate maps of sea urchin S purpuratus

embryogenesis (A) 60-cell stage embryo undergoing rapid cell division Eight

large micromeres (shown in red) will become mesenchymal cells destined to form the future skeleton Beneath them are the four small micromeres (shown

in purple) Though their progeny will contribute exclusively to the coelomic pouches, their actual state of specification at 6th cleavage is not known The

eight blastomeres of the veg2 ring are also specified and their progeny will express vegetal plate marker genes The veg1 domain, here shown in white, is not yet specified, since later its progeny will be allocated into one of three different fates, nor are the lateral ectodermal domains on either side of the embryo (white arch of cells over the top) yet specified Some progeny of these blastomeres will form the boundary regions between oral (yellow) and aboral (green) ectoderm The polar clones of the aboral ectoderm territory are already specified, and these clones will soon begin to express aboral markers The polar

clones of the oral ectoderm territory may also be specified (B) External lateral

view of 24 hour old blastula composed of about 500 cells Regions where

specifications have still not yet occurred are shown in white (C) Lateral view

of final state of specification in early pluteus-stage larva, about 1500 cells (65 hours post-fertilization) (with permission from Eric Davidson; from Davidson

et al 1998 Development Vol 125: 3269 - 3290 Figure 2 on page 3271)

Thời gian phát triển của cầu gai

Fertilization - Introduction

Sea urchins have been a convenient system for studying fertilization and egg activationfor a century In fact, many of the key discoveries regarding species-specific sperm-egg binding and the signals that mediate the blocks to polypsermy and egg activation were made first in this system The next few pages discuss some of the major events and mechanisms of fertilization in sea urchins

Shedding gametes

One of the features that made sea urchins a popular model system was the ability to shed gametes into the sea water after intracoelomic injection of potassium chloride (KCl) The animated GIFs on this page are courtesy of Dr David Epel at Stanford University's Hopkins Marine Station His web site is located at http://www-

leland.stanford.edu/~depel In the case of eggs, the coelomic injection results in release ofeggs from the gonopore; the animal is inverted over a beaker of sea water, and the eggs are released into the beaker On the right, sperm are directly aspirated from the gonopore

Animations of spawning sea urchins (courtesy of Dr David Epel, Hopkins Marine

Station)

To see a more detailed internal view of coelomic injection, click the picture below to access a QuickTime movie derived from an animated GIF courtesy of Dr David Epel.

size of movie: 150 K

The Acrosome Reaction

The acrosome reaction is a change in the sperm that is common to many higher animals

In the sea urchin, contact with egg jelly initiates the acrosome reaction, which is a

calcium-mediated process The animations linked to this page are courtesy of Dr David Epel at Stanford University's Hopkins Marine Station In response to signals presumably transduced by receptors on the surface of the sperm that bind to components of egg jelly (red), actin polymerizes from a pool of globular actin (pink) to form the acrosomal process The acrosomal vesicle (green) fuses with the plasma membrane, releasing enzymes from the tip of the sperm that aid digestion of egg jelly At the same time, bindin (blue) is deposited on the surface of the acrosome-reacted sperm

QuickTime movie (488 K)Animated GIF

Normal Fertilization - Overview

Once an acrosome reacted sperm comes in contact with the egg, a series of events are initiated that culminate in the union of the genetic material We can separate these steps into (1) species-specific sperm-egg binding, (2) the fast block to polyspermy, (3) the slowblock to polyspermy, (4) sperm incorporation, and (5) pronuclear migration and fusion The next several pages deal with these topics On this page, an animated summary of these events is available, courtesy of Dr David Epel, as well as a QuickTime movie of fertilization envelope formation in L variegatus (produced by Ted Shinners, who at the time was an undergraduate student in the Hardin lab)

QuickTime movie (260 K) Animated GIF

Slow Block to Polyspermy - Cortical Granules

The slow block to polyspermy in the sea urchin embryo consists of a physical barrier to further sperm penetration into the egg Cortical granule exocytosis results in the

formation of the fertilization envelope (often called the fertilization "membrane", even though the structure is not a true membrane) The fertilization envelope is formed by the lifting of the vitelline envelope away from the egg plasma membrane The cortical granules contain enzymes that aid in the detachment of the vitelline envelope, as well as other components that aid the osmotic swelling of the fertilization envelope away from the egg Cortical granules also contain extracellular matrix proteins that are deposited on the egg surface, including the protein hyalin, which is the major component of the hyalinelayer

Cortical granule have a lamellar (layered) appearance in transmission electron

micrographs

The animation shown here simulates the fusion of the cortical granule membrane with theegg plasma membrane, resulting in the dumping of the cortical granule's contents to the exterior of the fertilized egg (courtesy of Dr David Epel)

Animation of vesicle fusion:

Quicktime movie (228K) or

Animated GIF

Animation of early events in fertilization, including cortical granule exocytosis:

QuickTime movie (260K) or Animated GIF

The movie shown here uses a lipophilic dye to visualize individual cortical granule fusionevents (courtesy of Dr Mark Terasaki, Univ of Connecticut) As you can see, fusions sweep over the egg surface, beginning with the site of sperm entry

Quicktime movie of cortical granule release (715 K)