Die Protoplasmafibrillen der Characeen

Won

R. Jarosch

Aus der biologischen Forsehungsabteilung der Osterreichischen Stiekstoffwerke Aktiengesellsehaft (Leiter Hoehsehuldoz. Dr. H. L i n s e r) und der Mikrobiologi-

sehen Station der Stadt Linz (Leiter: Prof. E. S c h i 1 d)

Mit 15 Abbildungen

(Eingegangen am 11. Nooember 1957)

Die in den Zellsaft ausgeprel~fen P r o t o p l a s m a t r o p f e n der Characeen- In ternodia lze l len lassen im Ul / r amikroskop (Kardioid- oder aplanat ischer Dunkel fe ldkondensor ) fiidige Di f fe renz ienmgen erkennen [1,2]. Allem Anschein nach handel f es sich bei diesen Fibr i l len um Aufbaue lemen te des Pro top lasmas , chemisch vermufl ich um fiidiges (fibrilliires) Eiweifl (Pro.rein).

Durch die d i rekte Sichfbarmachung dieser C y t o p l a s m a s t r u k t u r e n erhalfen die verschiedenen Fibr i l la r theor ien yore Pro, toplasmabau al lgemein e~ne Be- st~itigung. U m nun abe t auch zu speziel leren Vorstel lungen zu gelangen, die nich/ nur auf theoretischen u beruhen, versuch/ die vorl iegende ArbeiL alles bisher an den Fibr i l len Gefundene zusammenzu- fassen, zu erg~inzen und durch neue Beobachtungen zu vervollsthndigen.

I. Eigenschaften und Verhalten

Es kSnnen folgende Eigensehaften unterschieden werden:

1. Die Fibri] len zeigen eine Affinitiit zu bes t immten kleinen P lasma- mikrosomen.

An Plasmaeinschliissen lassen sich im Protoplasma einer Characeen-Internodial- zelle Kerne, Chloroplasten, Eiweil3schollen, Vakuolenblfischen uIld die Mikrosomen unterscheiden. Die letzteren (vgl. Abb. 8) gliedern sich in die meist nut in geringer Anzahl vorhandenen Sph~rosomen (Durchmesser etwa 0,7--1,0~), die die Masse der Teilchen ausmaehenden ,,kleinen Mikrosomen" (Durchmesser etwa o,I--0,2/~) und in sehr zarte, im Dunkelfeld anfangs schwer sichtbare lfinglidle Teilchen (Lgnge etwa 5 ~, Breite 1 ~), die anseheinend den Chondriosomen entspreehen. Diese Teilchen sind gleich nach dem Anspressen ira Phasenkontrast als hantelfgrmige Kbrper sidltbar, zeigen abet schon nach knrzer Zeit eine mit Verdiekung verbundene Verkiirzung. In diesem Zustand werden sie aueh im Dnnkelfeld deutlicher nnd lassen dann meist Durchschniirungen erkennen, die an Teilungsstadien yon Bakterien erinnern.

94 R. Jarosch

Nut die sogenannten ,,kleinen Mikrosomen" lagern sich einreihig all, wodurch die Fibrille im Ultramikroskop deutlich wird. Die Fibrillen selbst sind im ilexiblen Zustand auch ultramikroskopisch nicht sichtbar. Sie be- ginnen erst bet ihrer Erstarrung (vgl. Punkt 6) als feiner Strang aufzu- leuehten.

2. Die Fibrillen sind infolge einer parallel verschiebend wirkenden Kraft aktiv beweglich. Dadureh erseheinen sie als die Impulstr~iger der Plasmabewegung und ,mtiglieherweise aueh der anderen an Protoplasma gebundenen Lebensbewegungen [3],

Mikro,somen, die sieh einem Faden n~ihern, werden -con dieser physi- kaliseh nieht niiher bekannten Kraft parallel und gegenl~iufig zur Faden- bewegung versehoben (=gegenliiufige Bewegung). An& erhalten die kleinen Mikrosomen, die sieh vom bewegten Faden losltisen, einen Impuls in der Ridatnng gegen die Fadenbewegung. Das zuerst yon g a 1 k a n o v [30] besehriebene Vorkolnmen gegenliiufiger Bewegungen im Charaeeen-

Protoplasma ist a ls Wirkung der parallel versehiebenden Kraft aufzufassen. 3. Die Fibrillen haben in den aasgequetsehten Plasmatropfen die

Eigensehaft, sieh zu diekeren Biindeln zu vereinigen, weshalb sie im Ultra- mikroskop sehr deutlieh siehtbar werden. Am Biindel sind die kleinen Mikro,somen mehrreihig angeordnet. Die Biindel sind langsamer beweglich als die feineren Fibrillen, dafiir zeigen sie aber als neue Eigensehaften Wellenbewegungen und die Fiihigkeit zur geradlinigen Versteifung (vgl. Punkt 5 und 6).

4. Die Fibrillen bzw. die Fibrillenbiindel haben die Tendenz, sieh in sieh selbst zu sehliel].en. I)ies fiihrt zur Entstehung yon versehieden grofien rotierenden Ringen (Abb. 1).

5. Die Fibrillenbiindel zeigen h~tufig gesetzm~iflige Transversalwellen, die immer naeh vorne, also in der Bewegungsriehtung des Fadens, weiter- iaufen. Bet den Ringen laufen diese Wellen in der Rotationsriehtung am Ring herren. Mitunter bewegen sieh mit ether Welle aueh Teilehen naela vorne [1].

Y o t s u y a n a g i [521 beobaehtete ~ibnliche Wellenbewegungen an der Ober- tliiche kleiner Charaeeen-Plasmatropfen.

6. Die Fibrillenbiindel haben die Fiihigkeit zur spontanen geradlinigen Versteifung, die dann in eine dauernde Erstarrung* iibergehen kann (Abb. 2). Oft erfolgt die Erstarrung sehon wenige Minuten naeh dem Auspressen des Plasmas. Diese sehnell erstarrten Fibrillen lassen im Gegen- satz zu den allmiihlieh erstarrten freie Enden erkennen und erseheinen meist aueh nieht vtillig geradlinig. Bet der langsamen Erstarrung entstehen dagegen aus den Ringen ziemlieh regelm~tl~ig gebaute Fiinf- und Seehseeke. Nut sehr selten sieht man KiJrper mit vier, sieben oder aeht Eeken. Die ge- raden Seiten dieser Vieleeke laufen zuerst wellenfiJrmig herum. Naeh einigen Stunden ko.mmt es dann zur Erstarrung, d. h. die Wellenbewegung hSrt auf, das Viele& rotiert abet weiter.

MSglicherweise hat diese Erstarrung analoge Ursaehen wie die Totenstarre des Muskels.

Die Protop/asmafibrillen der Characeen 95

Die ers tarr ten Fibri l len leuchten bei einer bestim.mten Stellung zum Lichteinfa | l als Ganzes, doch zeigen sie h~iufig ~n regehn~ifligen Ab- st~inden dunkle Stellen. Vermutlich sind hier zwei submikro,skopische Fibri l len flach-schraubig umeinander gewunden. Immer doff, wo sie sich iJberschneide~l, erscheint dann eine dunkle Stelle. Kleine Mikrosomen, die

Abb. 1 Abb. 2

Abb. I. Langsaln rofierendes ringfOrlniges Fibrillenbfindel iln ausgepreflten Plasma yon Chara contraria. Man erkennt die Inehrreihig angeordneten kleinen Mikrosolnen. Sehr langsaln herulnlaufende Wellen bedingen die leicht eckige I~ing- form. In der Ulngebung des Ringes sind Eiweiflschollen sichtbar. Dunkelfeld, 1300X,

Abb. 2. Geradlillig erstarrte Fibrillenbiindel in eineln /~lteren Plaslnatropfen yon Tolypellopsis stelligera. Ein Eck ist deutlich. Dunkelfeld, 1500X.

iiber solche Fibri l len dahingleiten, lassell h~iufig pendelnde Bewegungen erkennen, w a s wohl so gedeutet werden mul~, daft sie sieh entlang der flachen Schraube um den Faden bewegen.

Die gradlinig erstarr ten Fibrillen, die im Ultra mikroskop als Ganzes leuchten, zeigen optisch ein anisotropes Verhalten. Im polar~sierten Licht werden sie unsichtbar, wenn die Schwingungsebene des Lichtes senkrecht zur Fibrillenachse steht. Zwischen den gekreuzten Nikols zeigen sie Aus- 16schung in der Diagonalstel lung (Lichtquelle: HSchstdruckbrenner yon Reichert, aplanat ischer Dunkelfe ldkondensator) .

7. Auch die feinsten Fibri l len unterl iegen im akfiven Zustand nicht der ]3 r o w n schen Molekularbewegung. Dieses Verhal ten ist auf fa l lend und laflt sich allgenlein flit die Plasmabewegung vo.n Mikrosomen [4] so wie fiir Zirkulationsstr~inge feststellen. Es zeigen sowohl die Fhden selber als auch

96 R. ]arosch

die gegenl~iufig bewegten Mikrosomen keine t_~berlagerung dutch die B r o w n sehe Bewegung. Ein kleines Mikro,som, das ganz ruhend erseheint, wenn es am Faden hafte~, f i ihrf so,fort s tarke B r o w n sehe Bewegung aus, naehdem es sieh losgeltist hat. Man kann sieh des E indruekes nieht erwehren, als wi rk te dieselbe Energie einmal beherrseht und dann nnbeherrseht.

Abb. 5 Abb. 4 Abb. 3. Plasmatropfen yon Chara contraria. Vier rotierende Kerne mit be-

ginnender Einschniirung sind deutlich. Schriige Beleuchtung, 300X. Abb. 4. Ein sich teilender Kern yon Chara eontraria. Bei der Aufnahme rotierte der Kern noch sehr langsaIn. Die Rotation htirte dann abet bald auf. Die dunklen

Ktirper im Kern sind Chromozentren. Phasenkontrast, 1500X.

Ltist sich ein Teilehen yon einem akt iv bewegten Faden ab, so ist, wie seho,n besehrieben, der Bewegnngsbeginn ein Impuls paral le l gegen die Be- wegungsriehtung des Fadens (bei t l ingen tangential gegen die Ro&ations- riehtung). Ist der Faden jedoeh ruhend oder kaum bewegt, so. isf der erste Impuls ungefiihr senkreeht yore Faden weg geriehtel. Das Ganze maeht den Eindruek, als wi rk ten zwisehen Faden und Teilehen besondere Attraktions-. und Repulsionskriifte.

Dazu sei erwiihnt, daf~ man h~iufig rot ierende Ringe siehf, deren eii1- zelne Fibri l len nieht zu einem Biindel vereinigt sind, sondern einen ge- wissen Abstai1d ~¢oneinander eini1ehmen. ¥ielleieht wird bei diesen losen Ringen die Biii1delbildung durch abstol~ende Kriif te verhindert . Aueh die ~iquidistante An ordi1ung der Fibri l len im Quersehnit t (vgl. die Poren der Q u e r w a n d in Abb. 13) sprieht fiir diese Anilahme.

S. Die Fibri l len zeigen ein elastisehes Yerhalten. Manehma] zieht eli1 Faden einen anderen aus seiner Bewegungsriehtung, dann kann mi tunter

Die Protoplasmafibrillen der Characeen 97

ein Zerreil~en beobaehtet werden, wobei der Faden mit den anhaf/enden kleinen Mikro,somen elasfisch naehschnellL

9. Under bestimmten Umst~inden kommt es zu einer Anlagerung der Fibrillen an die Zellkerne.

Die: ~iltere:n Zdlen der Charaeeen enthalteu "~-iele Kerne, die durdl Fragmentation entstanden sind [5, 61. Wie sehon V a 1 k a ~l o v [501, dann Y o t s u y a n a g i [3t] und K a m i y a and K u r o d a [34~] beoba&teten, zeigen die Kerne oft eine l/oration nm die eigene Aehse, die sehr an die bei den abge- 16sten Chloroplasten beobaehtete erinnert, doch ist sie langsamer. F e t z m a n n [7[ ste]lte neuerdings an Chara foetida fest, dal~ die- se Rotationen um so s&neller sind, ie iilter das Internodinm ist, aus dem die Kerne staminen.

Naeh eigenen Un- Abb. 5. Zwei Teilungsstadien bei Kernen yon Chara tersnehungen an alten contraria. ~) beginnende Durehsdmiirung, b) roll-

endete Durchselmiirung. Dunkelfeld. 1300X. [nternodialzellen von Chara contraria ist die Kernro.tafion mit der Fragmentation vertmnden und nur an re]ativ abgernndeten Kernen zu beoga&ten. Wurst- oder hantel- fiirmige Kernformen, wde in Abb. 9 b ewegen sieh nieht oder nut geringfiigig. Abb. 5 zeigt einen Plasmatropfen yon Churn confraria mit vier rofierenden Kernen. Bei sfiirkerer Yergrbl~erung sind meistens Durehsehniirungsstadien zu erkennen (Abb. 4 und 5a).

Die Durehsehniirung konnte nur an friseh eingebraehter Chara t~est- gestellt werden. Wurde die Pflanze 2 his 3 Tage im Zimmer aufbewahrt, waren hie mehr sieh teilende Kerne zu erkennen.

Hat die Durchsehniirung ein gewisses Stadium erreieht, etwa das in Abb. 4 dargestellte, so hi~rt die Kernrotation pliJtzlieh anf. Dutch den Ein- griff des Ausquetsehens bzw. dutch die Beleuehtung am Mikroskop diirfte die Teilung sehr gehemmt werden, Es gelang nut eimnal, die versehiedenen Stadien der Durehsehniir~ng bei ein und demselben Kern zu beobaehten. Abb. 5 b zeigt die bereits getrennten Kerne.

Die Kernrotation ist meist eine Drehnng um die grol~e Aehse des ro- ta,tionsellipsoidisehen Kerns. Die Drehaehse s.teht also. senkreeht zu der Durehsehniirungsebene. In Abb. 6 sind diese Drehachsen bei vier Kernen eingezeiehnet. Nur bei Kernen, die keine Durehsehniirungsstadien zeigten, konnten iifters Rotationeu mn eine kleine Aehse bemerkt werden.

Die gegenliinfige Bewegung zur Kernrotation erfolg/e regelmiil3ig an den Stellen der Einsehniirungen, was in Abb. 6 dnreh kleine Pfeile auf den

Protoplasmfl, I/d. L/1 7

98 R. Jarosch

Kernen angedeutet ist. Sie hattc oft strangfi3rmigen Charakter. Dicsc Striinge sind in Abb. 6 f dargestellt.

Bei der Kombination yon s&iefer Beleuehtmlg und Dunkelfeld bzw. unter der Anwendung yon polarisiertem Lieht liefien sieh an der ()ber-

fl~iehe aller rotierenden Kerne Fiiden ,/~'J naehweisen (Abb. 6 und 7), die an-

~ Q ~ @ c r seheillend mit langsam erstarrten Cyt~ , plasmafibrillen identiseh sind. Diese

~.~" ~ F~iden umziehen den Kern meist eat- " , ," lang seiner grol?en Aehse, do eh waren

~ f , ~ ~ aueh s&r~iggestellte nicht selten. Die Fiiden um die Kerne liefien sieh nut bei Internodialzellen naehweisen, die sich ~eilende Kerne enthielten. Bei

jQ3 Zellen, die nut wurst- o,der hantelfbr- mige Kerne beinhalteten, wurden sic nicht gefunden.

Abb. 6. Rotierende Kerne yon Chara Zusammenfassend kann man sieh contraria. Bei a, b und c ist no& keine E inschntirung zu erkennen, bei den Vorgang der Kernfraglnentation d, e und f i s t sie deutlieh. Die Rota- folgendermafien vorsfellen: In einem tionsachsen bei a, d, e und f einge- gewissen Stadium der Zellentwicklung zeiehnet und die Rotationsrichtuag [agern sieh die Pr.o,toplasmafibrillen aa durch gebogene Pfeile angedeutet, die Oberfliiehe der Kerne an. Da (tie Die Pfeile auf den Kernen stellen die Fibrillen aktiv beweglieh sind, kommt Lage nnd Biehtung der gegenl~iufigen Mikrosomenbewegung dar. Bei dem es dadureh zu einer Rotation der in f abgebildeten Kern bewegten sieh Kerne. Anseheinend legen sieh die an den Stellen der Eins&ntirungen Fibrillen zuerst parallel zur Liingsa&se F ibrillenringe gegenl~iufig herum, an die K ernoberfl~iche, weshalb dana Die Punkte sollen die mehrreihig Rotatio.nen u,m eine kleine Aehse des angeordneten kleinen Mikrosomen Kernes zu be.obachfen sind. Danach darstellen. Die ultramikroskopiseh lagern sie sieh aber aueh senkrecItt znr si&tbaren Fibrillensdllingen um die Kerne sind iiberall eingezeidmet. Liingsaehse an und bewirk.en dort auf

eine unbekannte Weise die Dureh- sehniirung des Kernes an einer oder mehreren Stelleu. Das Vorhandensein dieser Fibrillen wird dutch die gegenliiufige Bewegung zur Kernrotation bewiesen, die nur an den Stellen der Einsehniirungen siehtbar ist. Die zur Liingsaehse parallel liegenden Fibrillen sind inzwisehen inaktiv, start und siehtbar geworden und seheinen eine gewisse versteifende Funktion auszu- iiben (vgl. Abb. 7 b). Es is~ anzunehmen, daft um einen Kern eine ganze Hiille yon Fibrillen existiert und daft nur die dieksten und ers~arrten nltra- mikroskopiseh siehtbar gemaeht werden kiJnnen.

II. Die Vertei lungsmfgl ichkeiten Versehiedene Verteilungsn~6gliehkeiten der Fibrillen, die in den aus-

gequetsehten Plasmatropfen immer wieder aufgetreten sin& sollen im folgenden ausfiihrlieher besehrieben werden.

Die Protoplasmafibrillen der Charaeeen. 99

1 . . H o m o g e n e V e r t e i l u n g

Eine gleichmiil3ige, homogene Fibrillenverteilung ist oft kurz nach dem Ausquetsehen des Protoplasmas zu beobaehten. Sie dtirfte daher weit- gelaend dem Fibrillenzustand entspreehen, der im uagestbrten Zellplasma herrseht. Faden sind hier noeh keine zu sehen, aber einzelne Mikrosomen erhalten lifters heftige weitliiufige Impulse und die durchlaufenen Bahnen sind meist Teile eines groften Kreisumfanges. Diese Bewegungen maehen

Abb. 7. Erstarrte Fibrillenschlingen um Kerne yon Char~ contrarie, a zwei si& krenzende Fibrillensehlingem b der Kern ist dureh in der L~ingsri&tung an seiner

Oberfl~iche erstarrte Fibrillen spindelfiSrmig ausgezogen. Dunkelfeld, 1300X.

einen sehr energetisehen Eindruck und erinnern an Teilehenbewegungen in Kraftfeldern. Manehmal lassen sieh deutliehe Besehleunigungen an den Teilehen beobaehten.

Die homogene Fibrillenverteilung zeigt nun alle 15berglinge zu diekeren Fadenbildungen, deren h~iu~gste Gestalt der Ring ist, weshalb das folgende Stadium als ,,Ringbildung" bezeiehnet sein so ll.

2. R i n g b i l d u n g

Abb. 8 zeigt eine Elektronenblitzaufnahme dieses Fibrillenzustandes mit zarten Ringfiiden. In Abb. 1 ist eine viel griibere Ringstruktur dar- gestellt. Die rotierenden Ringe kiinnen sehr versehiedene Durehmesser t~aben. Anseheinend dadureh, daft sie feinere Fibrillen aufspulen, nimmt ihre Dieke oft zu, o der sie Ibsen sieh wieder in feinere Bestandteile auf. Bei dieser Auflbsung ist es eharakteristiseh, dal] die entstehenden feineren Fiiden schneller beweglieh erseheinen als der Ring vorher in seiner Ro-

T*

100 It. Jaroseh

tat ionsbewegtmg. Audl lasseu die feineren Fiiden kehm Wellenbewegungen mehr erkennen, die vor der AuflSsung an diekeren Ringen oft deutlieh sind.

Der {2bergang ~c~: der homogenen Fibrillenx~erteilung zur Biindel- bi ldung (Ringbildung) ist anseheinend ein ak t iver Vorgang und abhiingig ~on der Paral le lverschiebung der Fibril len. H e m m t man die Paral le l - versehiebung dutch Narkot ika , so kommt es zu keiner Ringbildung.

Abb. 8. Plasmatropfen son Tolypellopsis stelligera kurz nach dem Ausquetschep, des Plasmas. Man erkennt die Sph'~iroso.men, die als kleine xveil]e Kreise ersdminen, dazwisehen als punktfSrmige KSrper die kleinen Mikrosomen und an mehreren Stellen zarte tlingf~iden. Da die Lage dieser rotierenden Fibrillenringe alle inSg- /ielaen Riehtungen im IRauin einnehmen kann, sieht man stets nur Teile eines Ring- fadens. Der tibrige Ringteil erscheint nicht mehr in der sdmr[ abgebildeten Ebene.

Elektronenblitzaufnahme0 Dunkelfeld it00)<.

Da bet der ultramikroskopischen Beobachtung und der notwendigen starken VergrSlterung eine direkte Einwirkung ~Ton Narkotika ant die Plasmatropfen kaum mSglidh Jst, wurden die hlternodialzellen bereits xor dem Ausquetsdmn in ein nid~tfliichtiges Narkotikum (whsserige LSsung yon 3% 2¢thylurethan) ein- gebIacht tmd die Zelle im narkotisierten Zustand ausgequetsehi. In den Plasma- tropfen waren keine Pdnge sichtbar. Wurde eine narkotisierie Zelle dagegen vor dent Ausquetsdmn wieder kurz in Wasser gelegt, so zeigten sich die Ringe in den Plasmatropfen wie bet niehtnarkotisierten Zellen.

Dazt t set bier erwiihnt, dalt die Induk t ion der P ro top la smas t rbmung in der Innenep idermis yon Alliurn cepa ebenfal ls mi t ether Verteilungs~inde- rung der I m p u l s r i & t u n g e n (Fibrillen) x*e,bunden ist [4] und dal~ m a n iu einem fri ihen Entwieklungss tad ium der S t r5mung die Sphiirosolnen oft kleine kreisfiSrmige Bahnen schnell durehlaufen sieht, was wohl audl auf eine Fibri l len-l~ingbildung zuriiekgefiihrt werden kann.

Die Protoplasmafibrilten der Characeen 101

Manehmal bewirkte aueh eine Licht- oder Wiirmewirkung eine Ver- teilungs~inderung der Fibrillen. So versehwanden in einzelnen Fiillen die Ringe in den Tropfen beim Beginn der Untersnchung und traten erst wieder in Erseheinung, naehdem die Niedervoltlampe 10 Minuten ausgesehaltet worden war. Naeh wenigen Minuten der Beleuehtung konnte man sie nidbt mehr wahrnehmen.

Abb. 9. ,,GlobulLire Fibrillendegeneration" in einem mehrere Stunden alien Plasma- tropfen yon Chara eontraria. Neben de~l kugelf~Srmig zusammengeballten Fibrillen

sind auch zwei Kerne erkennbar. Dunkelfeld, 700X.

5. G l o b u l ~ i r e D e g e n e r a t i o n

Einige Stunden nach dem Ausque~sehen des Protoplasmas werden die Fibrillenbewegungen allmghlich langsamer nnd hbren sehliefllieh ganz auf. Die gleiehsam yon ihrer Kraft ~rerlassenen Fibrillen ballen sieh nun meist zusammen und bilden kugelfbrmige Kn~iule (Abb. 9). Neben diesen ,,glo- bular" degenerierten Fibrillen kthmen nich~ selten no& aktive beobaehtet werden. ]~s ist dabei auffallend, daf~ sieh die an den zusammengeballten Fibrillen haf~enden kleinen Mikrosomen anseheinend durch Quellung ver- gr~ifiern, ein Lmnen erkennen lassen und dadureh schliefilich wie kleine Sph~irosomen aussehem

Eine cler globul~ren Degeneration vielleieht verwandte Erseheinung ist der an vielen Plasmatropfen beobach~ete Fall, dal~ s,ieh das fibrillenhaltige Pro4oplasma als Ganzes kontrahiert, wodurch eine Entmisehung erfolgt. so daft Bilder wie Abb. 10 entstehen. Das nicht fibri]l~ire Plasma ist optiseh leer und seine kleineren Mikresomen zeigen eine heftige B r o w n sche Bewegung. Weil bier fast keine Oberstrahlung erfolgt, erkennt man oft sehr zarte, geradlinig erstarrte Fibrillen, die ein Geriist bilden, welches

102 R..]arosdt

sehr an das bet der Blu tger immug sichtbare erinnert. Die ers tar r ten lgideu sind aber ak t iv und kleine Mikrosomen gleiten sehnell iiber ihre ganze L~inge dahin.

4. V i b r i I:~ire D e g e n e r a t i o n d e s P l a s m a s ( 5 e h J e i f e n - b i l d u n g )

In den P lasmat ropfen treten regehn)il~.ig naeh einigen Stunden schleifen- art ige Bi ldu ,gen ant. In kleinen Tropfen erseheinen diese S t r u k t u r e .

f r t iher als in gl:o[~,en. Sic dureh- ziehen oft den ganzen Tropfen (Abb. l I), erseheinen in sieh ge- sehlossen und ver:,indevn im I,auf dec Zeit ihr Aussehen. Die Vi- bri l len sind in diesen Schleifen anscheinend nieht gebiindelt, son- dern in regelnfiil~,igem Abstand vone inande r angeordnel .

In einem [rail konnte der (Jbergang eines ro t ie renden Rin- ges in eine ~eh le i fens t ruk tu r d i rek t beobaehtet werden . Die Schleife ro t ier te noch einige Mi- nuten wet ter .

]2s ist eharakter is t isdl , dal~ die Abb. 10. Zwei Stundeu alter Plasma- gegen[fiufige Mik rosomenbewe- tropfen yon Chara contraria. Das fibril- gung anfangs genau ent lang der lenhaltige Plasma ersdleint zusammen- Sehleifen s iehtbar ist, doeh nimm~ geballt, so daft einseitig im Tropfen eine die pa ra l l e lve r seh iebende Kra[t optiseh leere Zone entstanden ist. In die- sehr bald ab und ist nur mehr ser Zone lassen sieh regelm~if]ig gerad- linig erstarrte Fibrillen beoba&ten, die in ku rzen Bereiehen naeh bei- zur G//nze leu&ten. Dunkelfeld. 500)<. den Riehtungen wi rksam. Die

Mikrosomen f i ihren dann eine paral le l zu den ~ehleifen orientierte B r o w n sehe Bewegung aus. Iu dem Marie, wie die Sehleifenstrukturen griSber werden, wird diese orientiert erseheinende Molekularbewegung immer undeutlieher, bis es sehlie~lieh zur Koagulat ion und Ers ta r rung des P lasmas kommt.

Eine besondere Fo rm der Sehleifenbildung diirfte ein in ~ilteren Tropfen auf t re tendes Stadium seth. wo aus der Plasmatropfenoberf l i id le Blasen bzw. handsehuhfingerfiSrmige Ausst t i lpungen aust re ten (Abb. 12). I) iese sehr veriinderliehen Gebi lde er i lmern an Myelinfiguren und sind opliseh anisotrop 152, 1 ].

Anhangsweise seie11 noch zx~ei andere Degenerationsersdminungen am Proto- plasma kurz erwLihnt, bet denen abet den Fibrillen keine wesentliehe Bedeutung zukomlnen diirfte. Es ist dies die vakuolige Degeneration, wo mitten im normal aussehenden Plasma Bereidle mit vielen kleinen Vakuolen entstehen und die li- poide Degeneration, bet der es zur Bildung vieler Fetttrtipfchen kommt. W/ihrend

Die Protoplasmafibrillen der Charaeeen 103

die vakuolige Degeneration h/iufig sofort nach dem Ausquetschen des Plasmas be- obaehtet werden konnte, war die lipoide Degeneration ein letztes Stadium vor der Koagulation bet alten Plasmatropfen.

III. Die Verh~iltnisse in der normalen Zelle

In der Zelle ist die D y n a m i k der Bewegungen bedeutend grSl3er und triigt einen mehr feldar t igen Charak te r als bet den Fiiden im ausgequetseh- ten Plasma. Trotzdem mul~ aueh im ungestSrten Zellplasma ein Struktur-

Abb. 11 Abb. 12 Abb. 11. Mehrere Stunden alter Plasmatropfen yon Chara contraria mit ,,fibril- lgrer" Degeneration des Plasmas. Die Fibrillen bilden zarte Sehleifen, die gro~e

Bereidm des Tropfens durehziehen. Phasenkontrast, 1500X.

Abb. 12. 8 Stunden alter Plasmatropfen yon ToIypellopsis stelligera mit blasen- bzw. handschuhfingerfSrmigen Ansstiilpungen. Dunkelfeld, t300X.

gefiige angenomlnen werden, das am ehesten wohl der besehriebenen homo- genen Fibr i l lenvertei lung entsprieht. Die Lage und Orient ierung der ak- riven Fibri l lensubstanz ist in der Zelle Yor allem an der Lage und Orien- t ierung der ProtoplasmastrSmungsimpulse zu erkennen.

Der P lasmawandbelag ether Charaeeenzel le gliedert sieh bekanntl ieh in zwei Sehiehten. W~hrend nun die Fibri l len im ausgequetsehten Plasma ihren Or t veri indern und nur geringfiigige gegenliiufige Bewegungen er- zeugen, ist hier die impuls t ragende Substanz in der per ipheren Plasma- sehiehte mit der Zellwand veranker t und die StrSlnung des inneren Plasmas entsprieht der gegenliiufigen Bewegung. Die paral le l versehiebend wirkende Kra f t der Fibr i l len wi rk t also vor allem an der Grenzflhehe zwisehen innerem und ~iul~erem Plasma [12, 33, 35, 36],

104 R. Jarosch

Im imteren Plasma, das die Fibrillen wahrseheinlieh im uuorientiertel~ Znstand mit sieh ftihrt, finden sieh die Zellkerne und Mikrosomen genau so wie in den Plasmatropfen. Das fiufiere Plasma ist dagegen optiseh v~illig leer, was im Ultramikroskop besonders deutlieh am Indifferenzstreifen naehgewiesen werden kann. Eine Bindung" an Kerne oder Mikrosomen tritt bier normalerweise nieht ein. Dagegen sind abet die CMo,rophyl[karner in diesem ~inl~.eren Plasma rest "verankert. Sie bilden Reihen, die genau parallel zur hnpulsriehtung der Strthnung orientiert sind. LiSsen si& ein- zelne Khmer bzw. Ktirnerreihen los und geraten in das innere Plasma, so sind sie dort infolge der an sie g'ebundenen Fibrillen wie aktiv bewegli& 18, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 30, 31, 54].

Aul~er dureh die Lage der Strbmungsimpulse und (~hloroplastenreihen ka,m die Orientierung der Fibrillen ungef~ihr aueh aus Beobaehtungen an

der Zellwand ersehlossen werden. Dies ist ver- st~indtieh, denn die Zell- wandbildung ist eine T~i- tigkeit des angrenzenden fiu[~.eren Plasmas. So ev- kennt man bei gro[~.en Iniernodialzellen sdmn lichtmikrospisch die wei~- gehend str6mungsparal- lele Lage der Zellwand- Mizellenstruktur [14]. G r e e n [15[ nimmt abel' au& eine Zeilwandfibril-

Abb. 15. Aufsi&t auf eine Querwand yon Char~ lenlage an, die dazu spie- contraria. Zwis&en netzartig'en Verdickungen der gelsymmetriseh ist. Diese Zellwand liegen sehr feine, regelm~il~ig ang:eordnete zweite Fibrillenorientie- Punkte, die als Poren aufzufassen sin& Phasen-

kontrast 1500X. ~amg ist auch aus ande- ten Beobachtungen wahr-

scheinlich [t6]. W~ihr,end man sich die Bildung der Zellwandfibrillen parallel zu den Plasmafibrillen recht gut vorstellen kann, ist das bei den spiegel- symmetriseh gelage, ten mit Schwierigkeiten verbunden.

Eine Bez~ehung zwischen Zellwand und Fibrillen besteht auch am In- differenzstreifen. Hier, wo keine Strbmungsaktivit~it der Fibrillen herrs&t, weist die Zellwand oft eine nach innen vorspringende Leiste auf [17, 181.

Endlich zeigen die Querwiinde eine ganz andere Zellwandstruktur als die L~iJagswiinde (Abb. 13): Zwischen netzartigen Leisten sind bier sehr feine Poren zu erkennen. Die se Poren sind ~iquidistant angeordnet und es ist wahrscheinlich, dal3 dutch sie einzelne Fibrillenstr~inge ziehen 2.

Well die Strthnung in sich zurtiekiliel3t, miissen aueh die Fibrillen in

-~ Die /iquidistante Anordnung im Quersdmitt wurde au& bei den Proto- fibrillen des Muskels gefunden [19], so daft hier vielleicht eine allgemeine Quer- schnlttskonfiguration der bewegungsaktiven Fibrillen vorliegt.

Die Protoplasmafibrillen der Characeen 105

jeder Zelle einen in sieh gesehlossenen Komplex bilden. Die im aus- gequetsehten Plasma beobaehtete Tendenz der Fibrillen, in sieh gesehlossene llinge zu bilden, hat wohl die gleiehen Grundlagen.

Die Gesehlossenheit dieses Fibrillenkomplexes in der Zelle wird dureh die Tatsaehe best~itigt, dal~ eine einzige Internodialzelle Iiir sich lebens- f~hig ist u nd die StrSmung aufrechterhiilt. Ein Teil der Fibrillen zieht abet dureh die Querwandtiipfel in die Naehbarzellen und iibertr~gt Im- pulse yon ether Zelle in die andere.

Sehon U m r a t h [20] verlegt auf Grlmd seiner elektrophysiologisehen Untersuehungen die reizleitenden Strukturen der Characeenzelle in die periphere Plasmasehiehte, und aueh andere Beobaehtungen maehen es wahr- seheinlieh, daft die Fibrillen als wesentliehe Tr~iger der Reizleitung anzu- sehen sind.

Wird z. B. eine der grofien Internodial- oder Blattzellen getbtet, etwa dutch Absehneiden, so werden dutch die iibertragene starke Seho&wirkung fast stets aueh die angrenzenden kleinen Knotenzellen getStet. Der dutch das Absehneiden bewirkte Sehoek 15st aufierdem meist in der ganzen Pflanze StrSmungsstillstand aus, auf jeden Fall aber ill den benachbarten Internodialzellen.

Mit dem durch t/eizung erzeugten StrSmungsstillstand seheint eine aug enblickliehe Desorientierung der Fibrillen des ~iul~eren Plasmas ver- bunden zu seth, was seinen Ausdruck finder in unorientierten Bewegungen der an der Grenztl~ehe zwisehen den beiden Plasmasehiehten befindliehen Mikrosomen [1, 14].

Neben der t/eizleitung diirften die Fibrillen sehliefilieh eine wesentliehe Funktion im morphologisehen Aufbau der Charaeeen einnehmen. Bekannt- lieh zeigt die Stbmung der Charaeeenzetle eine sehraubige Drehung. Die Neigung der Sehraube ist bet den Internodialzellen viel grSfier als bet den ,,Blattzellen", wo sie oft ~511ig fehlt. Innerhalb ether Internodialzelle ist sie am stiirksten am unteren Zellende, nimmt gegen die Zdlmitte ab und steigt gegen das obere Zellende wieder gering an.

Dieser Sehraubenbau ist sehon ein g~undlegendes Merkmal in der Mor- phologie der Characeen. Wie abet bereits A g a r d h [21] erkannte, bestehen zwisehen der Strtimung und dem Bau aueh noeh andere gesetzm~l~ige Be- ziehungen. So bewegt sieh das Plasma bet den wirtelig angeordneten ,,Blati- zellen" aul~en hinauf und innen herunter. Ferner seheint Bet aneinander- grenzenden Internodialzellen der Sehraubenbau dur&zugehen und der Drehungssinn des Plasmastro,mes ist in allen Teilen der Pflanze der gleiehe. Sehliefilieh sitzt dort, wo sieh ein ,,Bl~ittehen" in zwei kleinere gabelt, das grtil3ere -con beiden immer auf der Seite, an weleher der Plasmastrom an- kommt.

Da nun die Str6mungsriehtung bzw. der Schraubenbau letzten Endes ~r den in der peripheren Plasmasehiehte "corhandenen Fibrillen abh~ngig ist, seheinen die Fibrillen aueh bet der Formbildung wesentliehen Anteil zu haben.

106 R. Jarosch

IV. Grunds[itzliche theoretische Bedeutung der Fibrillen

Die in diese~ Arbe~t beschriebenei1 Fibrillen sind wahrscheinlich lieht- mikroskopiseh siehtbare Biindel der sehoi1 bet anderen Objekten meist auf Grund indirekter Methoden angenommenen fibrill~iren Aufbauelemente des Cytoplasmas [vgl. u. a. 22, 25, 24, 25]. Yore ehemisehen Standpunkt haben w i r e s wohl mit Proleinketten'molekiilen zu tun. Hier erhebt sieh aber die Frage, wie sieh dieses Protein im lebendigen, bewegungsaktiven Znstand yore to.ten unterseheidet.

Naeh Ansieht des Verfassers geniigt es nieht, die besproehenen Ersehei- nungen an den Fibrillen allein auf r~mnlieh kleinere Elemente wie Atom- gruppen zuriiekzufiihren, wie das in den versehiedenen meehanisiisehen ]3ewegungstheorien der Eiweiflketten des Protoplasmas gesehieht. Wesent- lielk ist v,ielmehr, entlang ihrer ganzen L~ngserstreckung einen die Einheit herstellenden u anzunehmen, wobei die off gleiehzeKig harmoniseh tiber die ganze Fibrillenl~inge verteilten Wellenziige und bewegenden Impulse als siehtbar:e dynamisehe Wirkungen dieses Vorgai1ges aufgefal~L werden kiinn.en.

MiI dieser Annahme wird nieht etwa eine EigenstiindigkeK der lebenden Struktur im Sinne des u behauptet, der Vorgang kann vielmehr auch im anorganisdlen Bereieh wirksam sein. Seine Wirkung diirfte doff die molekulare Grbflenordnung aber nieht iibersehreiten, wiihrend im lebenden Protoplasma, wie das bet der Charaeeenstrbmung besonders auff~llt, die ganze Zelle bzw. der ganze Organismus erfal~t ist. Dasselbe behaupten im wesentliehen aueh die sogenannten Kontinuit~tstheorien yore Proto- plasmabau [26, 27, 28, 29], do eh hat man hier bisher nur iiltere Vorstel- hmgen der ehemisehen Bindung ber iieksiehtigt.

In l~bereinstimmung mit der Annahme, daft entlang der kontinuier- liehen Strukturen die Strbmungsimpulse verlaufei1, ist aaeh die Feststellung, daft bet ether Unterbreehung der Konfinuitiit, z. B. dureh iibergrol~e Er- whrmung der Zelle, nur mehr kurzreiehellde Impulse miJglieh sii1d, die auch entgegengesetzt zur alien Bewegungsriehiung erfolgen [14]. Der ur- spriii1glieh einheitliehe u wird bier anseheinend in viele Bereiehe zer- rissen und seine zuerst tin groflei1 I(omplex in sich gesehlossene ])ynamik erhglt entlang dieser Bereiehe Polarit~t.

Wie der die Einheit herstellende u physikaliseh zu deuten ist, diirfte yon biologiseher Seite kaum entschieden werden kbnnen. Die Herai1- ziehung neuer u aus der Molekularphysik wird hier aber vielleieht manches verst~indlieh erseheinen lassei1, was mit iilieren Begriffei1 nieht erfal3t werden konnte. Dasselbe gilt vermutlich aueh fiir die Beziehung zwischen Plasmabewegung und B r o w n seher Bewegui1g.

Leider erseheinen experimentelle Eingr~ffe zur physikalisehen Beein- flussung des Fibrillenkomplexes vorliiufig nut in sehr besehr~ii1kiem Urn- fang m~iglieh. Aueh eine ehemisehe Behandlung diirfte kaum ein positives Ergebnis erkennen lassen, well die besehriebenen lebendei1 Eiweiflsfruk- turen iiul~erst labil sind. Die verschiedei1en Strukturbilder in den Degene- ratio nsstadien, die durehwegs ohne iinl3ere Einwirkung entsianden sind,

Die Protoplasmafibrillen der Charaeeen 107

bilden hier den besten Beleg. Trotzdem dart natiirlieh niehts unversueht bleiben, um weitere Eigensehaften und den F einban dieser Protoplasma- strukturen zu ermitteln.

Zusammenfassung

Die Fibrillen in den ausgepreflten Plasmatropfen der Charaeeen-Inter- nodialzellen zeigen folgende Eigensehaffen:

1. Es besteht eine Affinitiit zu besfimmten kleinen Mikrosomen. 2. Sie sind infolge einer parallel versehiebend wirkenden Kraft aktiv

beweglieh. 3. Sie vereinigen sieh im ausgeprel~ten Plasma zu diekeren Biindeln. 4. Sie haben die Tendenz, sieh in sieh selbst zu sehliel3en. 5. Fibrillenbiindel zeigen gesetzmiiflige Transversalwellen, die immer

in dec Bewegungsriehtung des Biindels weiterlanfen. 6. Die Fibrillenbiindel haben die Fiihigkeif zur spontanen geradlinigen

Versteifung, die in Erstarrung iibergelaen kann. Die erstarrien Fibrillen leuehten im Ultramikroskop als Ganzes und zeigen im polarisierten Lieht Anis0tropie.

7. Die Fibrillen unterliegen im aktiven Zustand nicht der B r o w n schen Molekularbewegung.

8. Sie zeigen e in elastisches Verhalten. 9. Unter bestimmten Umstiinden kommt es zu ether Anlagefung an die

Zellkerne, wo sie die Rotationen und anscheinend auctt die Durchschniirun- gen bet der Fragmentation bewirken.

In den Plasmatropfen liel~en sich folgende VerteilungsmiSglichkeiten der Fibr~llen beobachten:

1. Eine homogene Verteilung, ohne deutliche Biindelbildung. 2. Biindelbildung in tier bevorzugten Gestalt des Ringes.

3 . ,,Globuliire Degeneration" in Form yon kugelftirmigen Zusammen- ballungen.

4. ,,Fibrilliire Degeneration" in Form yon weitreichenden Schle,ifen- bildungen.

In de r normalen Zelle findet sich die bewegungsaktive Fibrillensubstanz vor allem in der peripheren Plasmaschichte. Die Fibrillenorientierung ist an der Impulsrichtung der Plasmastrtimung zu erkennen.

Antler als Impulstrhger tier Protoplasmabewegung erscheinen die Fibrillen vermutlich auch als die wesentlichen Strukturen der Reizleitung und Formbildung.

Es wird entlang der ganzen Fibrillenerstreckung ein die Einheit her- stellender Elementarvorgang angenommen.

Literatur

[1] J, a r o s c h , t/., 1956: Phyton (Argentinien) 6 (2), 87. [2] -- 1956: Anzeiger Osterr. Akad. Wiss., naturw. K1., Nr. 6, 58. [5] -- 1957: Bioehim. Bioph3Ts. Aeta 25, 204~ (1957). I4] -- 1956: Protoplasma 47, 478.

108 R. Jaroseh: Die Protoplasmafibr i l len der Characeen

[5] S c h m i t z, Ft. , 1879: S.ber. n iederrhein. Ges. Natur- u. Hei lkunde, 4. August 1879, 25.

[6] J o h o w , F., 1881: Bot. Ztg. ~9, 729. [71 F.e t z m a n n , L., Pro toplasma (ira Druek). [8] D o n n 6, A., 1858: Ann. Set. Nat. II, 10, 346. [9] D u t r o e h e t u n d B r o n g n i a r t , 1838: Ann. Set. Nat. II, 10, 346.

[10] C a r t e r , H. C., 1855: Ann. and Mag. Nat. Hist. II, 16, 1. [11] V e l t e n , W., 1876: Ost. Bot. Z. 26, 77. [12] t~ iJ r m a n n, G.: Studien tiber die Pro toplasmas t r6mung. Jena, 1898. [13] S t ~ l b e r g , N., 1927: Botaniska Notiser 1927, 303. [141 J a ro s eh , It., 1955: Untersuehungen fiber Plasmast r t imung, Diss. Wien. [15] G r e e n , P. B., 1954: Amer. J. Bot. 41, 403. [161 J a r o s e h , It., 1956: Pro toplasma 47, 534. [17] V a r 1 e y, C., 1832: Trans. Soe. Eneour. of Arts 49, II, 1.79. [18] u A., 1914: Ost. Bot. Z. Bd. 64, 442. [19] H u x l e y , H. E., 1953: Biochim. Biophys. Aeta 12, 387. [20] U m r a t h, K., 1954: Pro toplasma 21, 529. [2l] A.g a r d h, C. A., 1826: Nov. Act. Leop. 1~, 115. [22] M o n n 6, L., 1940: Z. Zellforseh. A ~1. [25] P f e i f f e r , H. I-I., 194l: Bet. dtseh, hot. Ges. 59. [24] F r e y - W y s s l i n g , A., 1948: Submicroscopic Morphology of Protoplasm,

Amsterdam, London. i[25] B r e t s e h n e i d e r, L. H., 1951: Proc. K. Nederl. Akad. Wet., Ser. C, 54. ]26] P f l i i g e r , E., 1875: Pfltigers Arch. 10. [27] M o n t g o m e r y , E., 1875: Jenaer Zeitschr. f. Naturwiss. I875. [28] H ti r m a n n, G., 1899: Die Kontinuit~it der Atomverke t tnng . Jena. [29] S e i f r i z , W., 1936: Protoplasm. New York. [30] V a 1 k a n o v, A., 1934: Pro toplasma 20, 20. I31] Y o t s u y a n a g i , Y., 1953: Cytologia 18, 146. [521 - - 1955: Cytologia 18, 202. [55] K a m i y a and K u r o d a , t956: Bot. Mug. Tokyo 69, 344. [34] - - - - 1957: Proe. J apan Academy 33, a: 149, b: 201, c: 404. I35] L i n s b a u e r , K., 1929: Pro toplasma 5, 363. I3'6] B r e e k h e i m e r - B e y r i e h , H., 1954: Bet. dtsch, bot. Ges. 67, 86.