Ein Versuch zur quantitativen Auswertung der Plasmolyseform- und -zeitmethode

Von

G e r h a r d S c h a e f e r

Aus dem Botanis&en Institut der Universitiit Marburg a.d. Lahn

Mit 2 Textabbildungen

(Eingelangt am 22. Nooember 1954)

Inhalt: Seite 1. Historischer Uberbliek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 2. Zusammenstellung der wiehtigsten plasmolysezeitver/indernden Faktorez~ . .425 5. Beziehungen zwischea Plasmolyseform und Plasmolysezeit (Abrundungs-

koeffizient) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 4. Praktische Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 5. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

1. H i s t o r i s c h e r [ J b e r b l i c k

Seit der ersten Ver5ffentliehung W e b e r s (1924) fiber den Zusammen- bang zwisehen P lasmolyseform und Viskositiit des Plasmas haben ver- schiedene Autoren immer wieder ver:sueht, den Vorgang der Plasmol3~se und seine Beziehungen zur Viskosit:dt q u a n f i t a t i v zu erfassen. Der grundlegende Sehritt auf diesem Wege w a r die Einf i ihrung der , ,Plasmo- lysezeit ~ vor nunmehr 25 Jahren durch W e b e r (1929), worun te r die Zeit vom Einlegen in das P, lasmolyt ikum bis zur Erreichung der konvexen Form des Pro toplas ten vers tanden werden soll. Diese Gr5i~e wurde sei tdem oft als Malt der Plasmaviskosit~it angesehen, da sic mit den Ergebnissen der Zent r i fugenmethode und anderer Mel~verfahren of finals in gutem Einklang stand. Bedenken gegen ihre Anwendung als Viskositiitsmafi iiufierten abe t sehon fri ihzeit ig e l D e r r y (1930), C h o l o . d n y und S a n k e w i t s c h (1934), B o r r i s s (1938) und R u g e (1940). Sic weisen d a r a u f bin, dal~ die Viskositiit nu t einer yon mehreren Fak to ren ist, die zusammen die Plas- molysezeit bes t immen, dal~ atso ein d i rekter Sehlufi yon dem Verhal ten der Plasmolysezei t auf das Yerhal ten tier Viskositiit nieht ohne weiteres mbg- lieh ist. - - Einen anderen Versueh zur quant i t a t iven Erfa.ssung der P lasma- konsisfenz mit Hi l fe der Pla:smolyse un te rnahmen C h o l o d n y und

G. Schaefer: Versudl zur quantitativen Auswertungder Plasmolyseformmethode 423

S a n k e w i t s c h (1934), welche als erste die Plasmolyse f o r m zahlen- rn~il~ig auszudriicken suchten, indem sie das Verh~iltnis der im optischei~ Querschnitt er:scheinenden abgelSsten Plasmalinie zur entsprechenden Wandl~inge bildeten. Auf ihre Arbeit wird wetter unten noch n~iher einge- gangen. -- Als Versuch einer Pr~izisierung der Plasmolyse z ei t -Methode ist der yon S c h m i d t , D i w a l d und S t o c k e r (1940) gemachte Vor- schlag anzusehen, an Stdle der oft nur sehr u~genau zu bestimmenden Endplasmolysezeit die sogenannte ,,HalbwertszeiF' zu ermitteln, d. h. die Zeit, in der die H~ilfte aller Zellen konvex plasmolysiert ist. Da diese GriSlqe mit Hilfe ether linearen Interpolationsgleichung aus zwei benachbarten Mel~werten errechnet wird, ist es niStig, mit einer grolqen Zahl yon Zellen aus homogenen Geweben zu arbeiten, da son,st die Interpolation zu un- genau wird. Die MSglichkeit hierzu ist aber nicht immer gegeben, so dal~ diese Methode nur bedingt verwendbar ist. Sie bietet zudem nur bet lan- gen Plasmolysezeiten (grSfier als 1 Std.) wirkliche Vorteile; bet schnetlerer Abrundung des Protoplasten ist die Bestimmung der Endplasmolysezeit mit hinreichender Genauigkeit miSglich.

Die genannten Versudae, den Vorgang der Plasmolyse ex a k t auszu- werten, erstreckten sich bisher jeweils auf die zahlenm~ifiige Bestimmung einer einzelnen GrSl~e, entweder .der Plasmolyseform oder der Plasmo- lysezeit. Sie beschrieben somit Teilph~nomene des gesamten Vorganges, die keinesfalls immer maflgeblich durch die s ogenannte ,,Viskosit~it ~ hervor- gerufen werden. Wenn auch in den Probeversuchen vieler Autoren, z. B. W e b e r (1924, 1929), W e b e r und H o h e n e g g e r (1923), T i m m e l (t927), M i 1~ b a c h (1927), R u g e (1940), C u r r i e r (1949) u. a., Plasmo- lyse und andere Methoden der Viskosit~itsbestimmung iibereinstimmende Resultate ergeben, so dar t doch nicht iibersehen werden, daft eine betr~icht- liehe Anzahl yon Untersuchungen eine Diskrepanz zwischen den Resultaten der Plasmolyse urrd denen anderer Me~methoden enthiilt, worauf neuer- dings besonders V i r g i n (1951) hinweist. In eigenen Yersuchen konnte ebenfalls solch ein abweichendes Verhalten festgestellt werden. Dieser Sach- verhalt sowie die yon uns des 5fteren gemachte Beobachtung, dal~ unter bestimmten Bedingungen sogar selbst zwischen den beiden Plasmolyse- griSl~en ,,Form" und ,,Zeit" deutliche Widerspriiche auftreten, veranlafiten uns zur erneuten Untersuchung der Frage, welche Faktoren insgesamt die Plasmolysezeit bestimmen, welche yon ihnen f[ir bestimmte Versuchsbedin- gungen als konstant angesehen werden kSnnen und auf welche Weise ein quanfifativer Zusammenhang zwischen Plasmolyseform und -zeit (im fol- genden zur Abkiirzung mit PF und PZ bezeichnet) gefunden werden kann.

2. Zusammenstellung der wichtigsten plasmolysezeitver~indernden Faktoren

1. D e r D i f f u s i o n s w i d e r s t a n d d e s u m g e b e n d e n G e w e b e s gegen das Eindringen des Plasmolytikums beeinflutqt die Grenzplasmolyse- zeit und damit auch die PZ. Er ist nur bet Wasserpflanzen wegen der ge- ringen Ausbildung einer Cuticula im allgemeinen unbedeutend und nut

32*

424 G. Schaefer

bei zentralsymmetrisch gewachsenen Geweben konstant, so clal~ er ill den genannten Fiillen bei der Bewertung der PZ vernachliissigt werclen kann.

2. D e r o s m o t i s e h e W e r t d e s Z e l l s a f t e s hat einen starken Einilut] auf die PZ, cla er die Geschwindigkeit der Yakuolen s e h r u m p- t u n g und damit aueh die Gesehwindigkeit .der A b k u g e l u n g ver- iindert, wie Untersuehnllgen yon e 1 D e t r y (1930) zeige.n. Eigene Beob- aehtungen an Lemna minor f i ihrten in t~bereinstimmung mit Arbei ten yon F i s e h e r (1948) zu dem Ergebnis, dal~ u des osmotisehen Wertes in dem Interval l -con etwa 0,7 bis 1,1 .des Normalwertes keinen mel~baren Untersehied in der PZ hervorrufen. Werden nur solehe u gewertet, bet denen der osmotisehe Wef t innerhalb dieser Grenzen bleibt, so kann er als plasmolysezei tveri indernder Fak tor vernaehliissigt werden.

5. D i e , , V i s k o s i t i i t " des Plasmas, die sich aus der sogenannten Strukturviskosit i i t und tier eehten physikalisehen Viskositiit der s t ruktur- losen Fl[issigkeiten des Plasmas zusammensetzt , bildet den W i d e r s t a n d gegen die Abrundung des Protoplasten und best immt somit zu einem wesentliehen Tell die ger i inderungen der PZ.

6. D i e P e r m e a b i 1 i t ~i t der Plasmahaut , die .den P lasmolysegrad vergr~iflert und dadureh die AbrundungsgesehwiIrdigkeit beeinflul~t (vgl. Punk t 2), kann fiir Glukose aul~er Betraeht bleiben, da sie hierfi ir ver- sehwindend gering ist. Eine eventuell stattfindende, im gleiehen Sinne wir- kende ,,metaosmotisehe" Wasseraufnahme (B o g e n und P r e 1 1 1955) wi rk t sieh bet kurzen Plasmolysezeiten (weniger aLs 1 Std.) im al[gemeinen nieht aus, mu[~ abet bet l~ingeren Zeiten beriieksiehti.gt werden.

5. D i e W a n d h a f t u n g der iiui~eren Plasmasehieht ver~indert die P F und somit weitgehend aueh die PZ. Es i.st sehwer, ihre Auswirknng auf die PZ yon der Wirkung der Viskositiit zu trennen. Naeh 1t u g e (1940) soil die Viskositiit des , ,Ekioplasmas" der aussehlaggebende Fak tor fiir die Ver~inderungen der P F und PZ seth, wiihrend die Zentr i fugen-Methode allein die Yiskositiit des Endoplasmas messe. Dieses Argument diirfte in vielen Fiillen bereehtigt seth.

6. D i e ,,P 1 a s m a s p.a n n u n g", die sieh aus den Grenzfliiehenspan- nungen der inneren und iiul~eren Plasmagrenzsehieht und eventuell im Inneren des Plasmas vorhandenen sirukturel len Spannungen zusammen- setzt, stellt den A n t r i e b fi ir die Abrundung des Protoplas ten dar und hat somit auf die PZ einen erhebliehen Eintlul~. Versuehe C z a p e k s (1%1), die Oberfl~ieheuspannung des Plasmas direkt zu bestimmen, ergaben bei "r Obiek ten einen Wef t yon etwa 0,68 des Wassers. Dieser Wer t konnte d u r & Narkot ika (allgemein: oberfliiehenaktive Stoffe) und Siiuren betr~iehtlieh herabgesefzt werden. Wenngleich diese Ergebnisse nicht veral lgemeinert werden diirfen, so zeigen sie doeh genau so wie Unter- suehungen yon L a n g m u i r (1959) und G u e s t und L e w i s (1939) an Modellen, daft die Grenzfl~iehenspannung des Zytoplasmas durch Aul~en- e inwirkungen unter Umstiinden wesentlieh beeinflul3t werden kann. S e l - f r i z (1923) nahm auf Grund yon Untersuehungen an H e c h t sehen F~iden eine erniedrigte Oberfli iehenspannung sogar als alleinige Ursaehe der kon-

Ein Versuch zur quantitativen Auswertung der Plasmolyseform- und-zeitmethode 425

vexen PF an. Leider entzieht sich die P lasmaspannung gegenw~irtig noch unseren Messungen, so daft sie beim Aufstel len quant i ta t iver Plasmolyse- gesetze vorl~iufig noch als unbekannte Grtifte eingesetzt werden mul~.

7. D i e c h e m i s c h e N a t u r d e s P l a s m o l y t i k u m s vermag so- wohl die Grenzf lachenspannung als auch die Viskositat des Plasmas zu ver- ~indern und hat daher einen entscheidenden Einf lu f auf die PZ, wie Unter- suchungen yon B e c k (1927), T i m m e 1 (1927), B a r t h (1929), C h o 1 o d n -y" und S a n k e w i t s c h (1934) u. a. demonstr ieren. Es empfiehlt sich daher , als P lasmoly t ikum immer die gleiche Ltisung zu verwenden, so daft Unter- schiede in PF und PZ nicht auf unterschiedliche Wirkungen des Plasmolyti- kums zuriickzufiihren sind.

S. D i e D i c k e d e r P 1 a s m a s c h i c h t ist yon grotqer Bedeutung fiir die PZ, da sie wie die Viskositat den Widers tand gegen jegliche Deforma- tion, also auch gegen die Abrundung des Protoplas ten bestimmt. Bei Vis- kositatsermittlun~gen mit Hi l fe der Plasmolysezei tmethode muft also die Plasmadicke unbedingt mitberiicksichtigt werden.

Bei Auswahl geeigneter Versuchsobjekte (Wasserpflanzen, konzentrische Organe, z. B. die Wurzel yon Lemna minor) und geeigneter Versuchsbedin- gungen (weitgehende Konstanthal tung der Zellsaftkonzentrat ion, Verwen- dung yon Glukose als Pla,smolytikum) l a f t sich die Zahl der wichtigen plasmolysezei tverandernden Fak toren auf folgende vier reduzieren:

1. Wandhaftun~g, 2. Viskositat, 3. Plasmaspannung, 4. Plasmadicke.

Es soll nun der Versuch gemacht werden, yon diesem Fak to renkomplex einen wei teren Faktor : die Wandhaf tung , abzutrennen, um der Bestim- mung d e r Viskositat (bzw. auch der Plasmaspannung) mittels der PZ n~iher- zukommen. Dieser Versuch mag als Anregung dienen, die Plasmolyseform- und -zeitmethode W e b e r s quant i ta t iv s tarker zu prazisieren.

3. Beziehungen zwischen Plasmolyseform und Plasmolysezeit ( A b r u n d u n g s k o e f f i z i e n t )

Die folgende Untersuchung geht yon der t_)berlegung aus, daf t eine durch s tarkere Adh~ision des Plasmas erzeugte konkave PF selbstverstand- lich eine langere Zeit bis zur Erreichung der konvexen Form bentitigt, als eine yon vornherein gegebene s ta rker konvexe PF, daft folglich eine hohe PZ nicht unbedingt als Mafl einer hohen Viskositat zu deuten ist, sondern genau so gut als Marl einer s tarken Wandha f tung des Plasmas. Der Ein- fluft dieser Wandhaftm~g kann nu t eliminiert werden, wenn man den Abrundungsver lauf n a c h vollstandiger A b 1 ti s u n g des Plasmas yon der Wand verfolgt, und zwar geschieht dies durch eine zahlenm,iftige Ver- kn~ipfung yon Plasmolyseform und Abrundungszei t des frei beweglichen Protoplasten. Der erste Schritt hierzu besteht nun in der zahlenmal~igen Erfassung der PF. Da eine di rekte Messung der Plasmaoberfl~iche nicht

426 G. Schaefer

rnSglich • muIi es be• einer Abseh~itzung bleiben; das Einfiihren yon Zahlenwerten fiir die PF bedeutet somit nieht das AussehlieSen des sub- jektiven Feh!ers, sondern nur das Obers,e{zen tier subjekfiv erfaflten Form in eine entspreehende Zahl. Sehon C h o l o d n y und S a n k e w i t s e h (1934) unternahmen, wie bereits erwiihnt, einen iihnliehen u indem

Tab; 1. Quantitative Abschiitzung der Plasmolyseform aIs Oberfl~&enoerh~ltnis r. O bedeutet die vorliegende Oberfl/iche, Omi n die ftir das betreffende Volumen mSg- liche Mmimaloberfl/iche (konvexe Form). Die be• Spalten rechts dienen zur Be-

rechnung des Fehlers -con a (s. G1. 5).

PF Bezeichnung

extrem konkav 2

1 ~ extrem konkav 1

konkav

m~iBig konvex

0 r = -

O m i n

3--4 M = 3,5

2--3 M = 2,5

1,6--2 M = 1,8

1,5--1,6 M = 1,55

1,4--1,5 M = t,45

1,3--1,4 M = 1,35

1,2--1,3 M = 1,25

1,1--1,2 M = J,15

1,0--1,05 M ~ I

In r

lg0--1,39 M = 1,25

0,69--1,10 M = 0,92

0,47--0,69 M = 0,59

0,41--0,47 M = 0,44

0,34--0,41 1Y[ = 0,37

0,26--0,34 M = 0,30

0,18--0,26 M = 0,22

0,10--0,18 M = 0,14

0,0--0,05 M ~ 0

(In r)

• 0,15

• 0,23

• 0,12

• 0,03

• 0,03

• 0,04

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• 0,04

• 0,05

(A In r. 100) z

225

529

144

16

16

16

25

sie die im Mikroskop festgehaltene Plasmakontur P zur entsprechenden Wandl~inge M in Beziehung setzten und das VerhMtnis P/M als Malt fiir die PF benutzten. Mif Hilfe dieser GrSfle vermochten sie die Wirkung verschiedener Ionen auf die PF anschaulich zu de mons~rieren. Das einfache Modellbeispiel einer Ktrgel in einem Wiirfel zeigt aber .schon, daft dieses aus dem zwe,idimen.sionalen, mikroskopisehen Quersehnitt abgeleitete Zahlenverhiiltnis P/M keinen Aufschlul~ fiber die wirkliehen O b e r f l ~i- c h enverh~iltnisse bei der Plasmolyse gibt, auf die allein es ja be• der

Ein Versuch zur quantitativen Auswertung der Plasmolyseform- und-zeitmethode 427

quantitativen Auswertung der Plasmolyseform ankommt. PIM ,der Kugel betragt im Querschnitt ~z/4, im Raum aber er/6. Dieser Unterschied l~ifit sich ebenfalls fiir beliebige andere KiSrper nachweisen, so da~ der yon C h o 1 o d n y und S a n k e w i t s c h eingesehlagene Weg zu keinem letzt- lich fruehtbaren Ergebnis fiihrt. In Tab. 1 is t nun das Resultat yon Be- rechnungen zusammengestellt, die die Oberfl~iehe Versehiedener regelmh~i- ger Plasmolyseformen zahlenm~il~ig ausdriicken ,sollen. Hierzu wurden die L~ingenmafte der zweiten subepidermalen Lemna minor verwertet, da diese aus gut zu berechnenden Zellen b e s t e h t r = ~ und aul~erdem bei unseren Yersuchen z,o allein zur Messung der PZ und PF sr herangezogen wurde. Fiir die Rechnung ~,e wurden die stereometrischen Formeln ~,~ von Prisma, Wiirfel, Kugel und Kugel- ~ kalo~te benutzt und die hiermit nicht ,~5 erfa~baren Oberflachenformen tiber- ,~ schlagsweise auf die einfachen Modelle ~,z zuriickgefiihrt. Die in Tab. I angegebe- ,Te nen r-Werte bedeuten das Verh~iltnis ~'z der durch die Plasmolyse erzeugten ,zo Oberfl~iche O zu der fiir das betreffende Volumen mtiglichen Minimaloberflhche /~r Omi ~ (konvexe Form), also r = OlO~in; e,~ ferner ist der natiirliche Logarifhmus dieser Werte angegeben, weleher in die ez weitere Berechnung eingeht. Die Ta- belie gilt fiir alle kubischen und pris- o,~ mafischen Zellen beliebiger Pflanzen.

Der quantitative Zusammenhang o,j zwischen dem Oberflhehenverhhltnis r und der Z e i t hat theorefiseh den o,z Charakter einer Exponentialfunkfion, wenn man den frei bewegliehen Proto- o,z plasten als einfaches physikalisehes System betraehtet. Abb. 1 zeigt, daft bei Lemna der wirkliehe Abrundungs- verlauf dem theorefisehen tatshchlich mit grol~er Ann~iherung entspricht. Es wird daher in den folgenden Ausfiih- rungen der Abrundungsvorgang bei der Plasmolyse dutch eine exponentielle Naherungsformel wiedergegeben, in der die Oberfl~che O (bzw. r) als Funktion der Zeit t auftrit t , wobei t die nach Einlegung in das Plasmolytikum ver- streichende Zeit darstellt:

Zellschieht der Wurzel yon

70 ZO 30 ~0 <40 60 M/~.

- T T ~~176 i

i,7 r~ < ~ L _ _ \T

,0 zp ~t9 ~ ' q eo

Abb. 1. u des Ober- fl~ohenverh~ltnisses r und seines na- tiirlichen Logarithmus mit der Zeit. Nachweis, dal~ der wirkliche Plas- molyseverlauf nach AblSsung des Plasmas yon der Wand theoretisch einer Exponentialfunktion nahe- kommt. Die Werte der logarithmischen Darstellung (unten) bilden mit grS- fierer Ann~iherung eine Gerade als die Werte der linearen Darstellung

(oben).

428 G. Schaefer

(t)

0 = Omin" e ~~ (Pz- t ) (1)

Die N~iherungsformel gilt in dem Bereieh O < t < P Z und verl ier t dar t iber hinaus ihren Sinn. a kann als , ,Abrundungskoeff iz ient" bezeiehnet werden. Er ist in unserem Fal le nu t ,con der P lasm~spannung, der u und der P l a s m a d i & e abhiingig, und zwar wird er grtil~er (die A b r u n d u n g sehneller) bet waehsender Spannung , kleiner (die A b r u n d u n g langsamer) bet waehsender u und Dieke, was man zur u e twa folgendermal3en ausdri ieken kann:

( Plasmaspannung ) (-2) (2) c~ = f ViskosiHit" Plasmadieke "

Der Abrundungskoeff iz ient a ist also ein relat ives Mai3 fiir das Z u- s a m m e n w i r k e n yon P lasmaspannung , u und Plasmadieke. Um Aufsehlut3 fiber das Verhal ten der drei Gri31~en im einzelnen zu ge- winnen, muff er zuniiehst zahlenm~il~ig bes t immt werden kiinnen. Man sehreibt zu dem Zwe&e Gleiehung (1) in der Fo rm

p 0 e ~ ( z - t ) Omln

und logar i thmier t sie zur Basi,s e, so daft man erhiilt

C~ In r = 1OO ( P Z - - t)

und In r" 100

c~ - - ( 3 ) P Z - - t

Zu dem Ze i tpunk t ta, in dem sich gerade das gesamte P lasma yon der W a n d abgeliisI hat, be t rage das Oberfl~ichenverhiiltnis r ~ r~. D a n n ist unter Ein- setzen yon P Z - - ~ a ~ - P Z '

In ra " 100 c~---- PZ" (s. Abb. 1). (4)

Dieses ist nun die errdgii]tige Bes t immungsformel fiir a. Sie ermSglicht eine Berechnung des gesuchten I(oeffizienten aus den GrSl~en r a und PZ' , welehe sieh aus P lasmolyseform mid Plasmolysezei t leicht in der angegebenen Weise ablei ten lassen. Der mii t lere quadrat isehe Fehler yon a betri igt naeh dem G a u fi sehen Fehler for tp t ]anzungsgesetz

1 . / ( 1 0 o - zx in r~)2 + ~2. (A pz')2. (5) (Ac0m = • f i ~ -

1 Dal~ tin Exponenten als Koeffizient der Zeit nicht a, sondern a/100 eingesetzt wurde, hat rein praktische Grtinde. Es werden dadurdt zu lange Dezimalbriiche fiir a ~r

2 Das unbestimmte Funktionszeichen f soll ausdriicken, dal~ keinesfalls tineare Proporfionalitiit zu bestehen braucht.

Ein Versuch zur quantitati,zen Auswertung der Plasmolyseform- und-zeitmethode 429

In dieser Feh le r fo rmel bedeute t A In ra den mi t t le ren absoluten Fehler yon In ra, welcher aus Tab. 1 zu en tnehmen ist, und A PZ' den mi t t le ren qua- dratisehen Fehler yon PZ' , der sich aus den Fehle rn yon PZ und t , durch die Formel

(h PZ') 2 = (A PZ) 2 -}- (A t~) 2 ergibt.

De r Abrundungskoef~izient a i.st e iae y o n d e r W a n d h a f t u n g u n a b h ii n g i g e, charakterisi ische GrSl~e des Zytoplasma,s. Er siellt bei Beriicksichtigung yon P l a s m a s p a n n u n g und Plasmadicke und nach Durch- f i ihrung einer Fehlerrechnung trotz der grofien Ungenauigke i t der PF- Absch~itzung ein exakteres und biologisch e inwandfre ieres Viskosithtsmal~ dar als die Plasmolysezei t .

~z [ PZfM/4/

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$ -ZO ~ " " ~

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, ~o /dH~ / 70/7 :if'p/" I'///:':',~p/9,01tZ:: �9

Abb. 2. Der Gradient der PZ und PF in der Lemna-Wurzel (Kulturalter 18 Tage) und die zugehiSrigen a-Werte. Nachweis, dal~ der Plasmolysezeitgradient ~ornehm- lich eine Wirktmg der Wandhaftnng des Plasmas und keine einfache Viskosithts- wirkung darstellt. Die Streubereidle geben die mittleren qnadratischen Fehler, die Zahlen zwischen den Werten die p-Werte der statistischen Sicherung an (vgl. K u c k u c k und M u d r a 1950). Der schwache Gradient der a-Werte ist statistisd~ rxicht gesichert (p > 5%) und daher bislang ohne allgemeine Bedeutung. Er wiirde zudem eher auf eine Erniedrigung der Viskosit~it in der Streckungszone hindeuten

als auf eine ErhiShung (s. Glchg. 2).

4. Praktische Beispiele

I m folgenden so llen nun an H a n d yon drei Beispielen u und prakt ische Bedeutung einer a -Bes t immung gezeigt werden.

1. Wie P i r s o n und S e i d e 1 (1950) n~iher untersucht haben, zeigt die PZ in der L e m n a - W u r z e l einen Gradienten , der am Ende der Streckungs-

Tab

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in.)

ta

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PZ

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In

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100

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Z'

(A~)

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1)

unre

gelm

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nvex

I0

5

0,14

2,80

• 0,

89

15

5

0,22

10

2,20

• 0,

43

sehw

ach

konk

av

20

10

0,30

10

3,00

• 0,

58

27,5

15

0,37

12,5

2,95

�9 •

0,44

20

10

0,30

10

3,00

-t- 0

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15

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10

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• 0,

45

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89

unbe

st.

unbe

st.

= 9~

era-

O~ O

O i O

t~

432 G. Schaefer

zone ein M a x i m u m hat und sowohl zur Spitze als aueh zur Basis der Wur - zel hin abf~illt. Zur Pr i i fung 3er Frage, ob dieser Grad ien t tatshehlich, wie gewShnlich angenommen, ein Viskosit i i tsgradient i,st, wurden je acht junge Wurze ln (Kul turdauer 18 Tage) und zum Vergleich acht alte Wurzeln (Kul turdauer 31 Tage) auf ihre a -Wer te hin untersucht. Das Ergebnis ist in Tab. 2 und Abb. 2 dargestellt . Es ist da raus zu ersehen, daf~ der PZ-

Grad ien t der L e m n a - W u r z e l in den a -Wer ten nicht in Erseheinung tr i t t und daher kein einfacher Viskosi thtsgradient sein kann, sondern vornehm- lich eine Wi rkung unferschiedlieher W a n d h a f t u n g darstell t . Es liegt nahe, daft in den Zonen s ta rken Membranwaehs tums ein besonders inniger Kon- tak t des P lasmas mit der Wand besteht, der ein LoslSsen bei der Plasmo-

Tab. 3. Wirkung oon Isopropylalkohol auf den Abrundungskoeffizienten a. Ein- wirkungsdauer 15 Min.0 Konzentration 4%, Plasmolyse in 0,4 tool Glukose. Differenz

gut gesichert.

PF

PZ (Min.)

ta ,,

In ra

PZ' (Min.)

(Min.--1)

Normal Alkoholbehandlun g

konkav

47,5

5

0,37

42,5

0,87

konkav

25

5

0,37

20

1,85

(s (Min. -l) • 0,08 • 0,24

p-Wert 0,12%

lyse erschwert (vgl. B iJ n n i n g 1948)3. __ In alten Wurze ln ist der durch- sehnittliehe a -Wer t g r 6 f e r (die Abrundung sehneller) als in j i ingeren Wurzeln, was dureh eine A b n a h m e der u aber aueh schon allein durch die Abna hm e der Plasmadicke erkl~irt werden kann. Dieser Versueh zeigt, wie vor,siehtig man bei der Deu tung der PZ als ,,Viskosit~its~ vorgehen m u f un,d wie aufsehlufreieh eine a-Bereehnung sein kann. Daft

8 Bei Objekten mit grSfierer Plasmadicke seheint bei der Plasmolyse allerdings h~iufig ein Abreil]en der ~iui~eren Plasmaschieht Yore iibrigen Plasma einzutreten (vgl. S t r u g g e r 1949), so dal~ in solchen F~illen die Wandhafiung eine unter- geordnete Rolle bei der Plasmolyse spielt und der A b l 5 s u n g s v o r g a n g yon der Viskosit~it des Ektoplasmas bestimmt wird. Aber auch in solchen F~illen er- iibrigt sich eine a-Bestimmung keinesfalls, da man im allgemeinen nicht nur die Viskosit~t des Ektoplasmas, sondern die des gesamten Plasmas untersucht.

Ein Versuch zur quantitativen Auswertung der Plasmolyseform- und -zeitmethode 433

in waehsenden Zellen die Viskositiit nieht unbedingt erhSht und in Dauer- zellen erniedrigt sein muff, zeigien sehon Untersuehungen yon B o r r i s s (193S), R u g e (1940) und V i r g i n (1951) mit tier Plaslnolyse- bzw. Zentri- fugen-Methode an Helodea.

2. Dutch kurzzeitige Einwirkung yon Isopropylalkohol auf Lemna- Wurzeln (10 Wurzeln wur,den J5 Minufen lang in 4%igem Isopropylalkohol gehalten und dann in 0,4 tool Gluko~selSsung plasmolysiert) wurde eine Zunahme der a-Werte bewirkt (Tab. 3). Eine ErhShm~g der Plasma:span- hung bei Anwendung des grenzfliiehenakfiven Alkohols ist zwar mSglieh, jedoeh unwahr,seheinlieh (vgl. C z a p e k 1911 un,d Diskussion bei N e t t e r 1951). Da zudem die Dicke der Plasmasehieht sieh in der kurzen Zeit des Versuehes nieht wesentlieh iindern konnte, so ist die Verdoppelung des

Tab. 4. Ver~nderung des Abrundungskoeffizienten a bei 16stfmdiger anaerober Atmung in Stickstoffatmosphiire. Differenz schwach gesichert.

PF

PZ (Min.)

ta .

in ra

PZ' (Min.)

(Min.-1)

(-~ a)m (Min.-0

p-Wert

Normalatmosph~ire bzw. O~-Atmosph/ire

eckig

30

5

0,22

25

0,88

i 0,18

5%

N2-Atmosph/ire

eckig

55

5

0,22

50

0,44

0,11

Abrundungskoeffizienten a in diesem Falle wohl eher auf eine Erniedri- gung der Viskosit~it zuriickzufiihren. Diese Deutung deckt sich mit Ergeb- nissen yon H e i l b r o n n (1914), e l D e r r y (1930), N o r t h e n (1938), C u r r 5 e r (1949) u. a. an narkotisierten Pflanzen.

3. Es wurden Plasmolyseform und -zeit yon je 10 Pflanzen aus einer O~-Atmosph~ire und yon 10 Pflanzen aus einer reinen N~-Atmosph~ire na& 16stiindiger Verdunkelung vermessen und die zugehSrigen a-Werte berech- net. Das Ergebnis ist in Tab. 4 dargestellt. Ob das bei anaerober Atmung vorgefundene Absinken yon a auf die Hiilfte des bei aerober Atmung er- haltenen Wertes durch eine Veriinderung der Plasmaspannung, der Vis- kositiit, oder durch beide zugleich hervorgerufen ist, kann nicht sicher ent- schieden werden. Ein wesentlicher Unterschied der Plasmadicke war optisch nicht festzustellen, kommt also wohl nicht als Ursache der Veriinderung in

434 G. Schaefer

BetraehL Friihere Versuehe ergaben (S c h a e f e r 1954), da~ naeh 24stiin- diger anaerober Atmung in Stickstoffatmosphare klebrige, F~iden ziehende Protoplasten auftreten, die Krampfplasmolyse zeigen, - - Erscheinungen, die auf eine erhShte Vi,sko.sitiit schlief~en lassen. Es ist somit wahrscheinlich, daft die hier bei unterdriickter Aimung gefundene Erniedrigung yon a auf einer ErhShung tier Viskositht beruht (vgl. auch S e i f r i z t950).

Es sei ausdriicklich betont, dal] in den obigen Versuchen die Grund- voraussetzung einer a-Bestimmung erfiillt war: die Protoplasten batten sich nach .der Zeit t~ durchschnittlich yon s~imtlichen Zellwhnden gelSst. Das Verfahren v e r s a,g t in all den Fallen, wo eine LSsung des Plasmas yon der Wand unterbleibt o.der zu sp~it erfolgt, jedoch lassen sich solche F~ille oft durch Anwendung ~tarker hypertonischer Plasmoly/ika a~sschaken.

Als Faustregel fiir eine a-Probe .sei abschliel~end bemerkt, .daft nach den bisher gemachten Erfahrungen eine Yeranderung yon a auf mehr als das Doppelte oder die Halfte als statisti,sch g esicherter Untersehied zu werten ist, sofern mindestens actlt Zellen vermessen wurden. Derartige Unter- schiede sin d allgemein grSl~er als der zweifache mittlere Fehler "con a, der dutch die Ungenauigkeit der PF-Abschatzung und PZ-Messung und durch die biologische Streuung seitens des Objektes entsteht.

Die zus~itzliche Durchfiihrung einer a-Bestimmung zu den an deren Methoden tier Vi,skositatsmessung dtirfte .die Aussagen fiber das Verhalten der plasmatischen Viskositat zuktinftig noch besser fundieren. In den sicher nicht seltenen Fallen allerdings, in denen Pla,smaspannung und Viskositat durch denselben ,stofflichen Faktor veriindert werden, las~en sich ihre Aus- wirkungen auf .den Abrundungskoeffizienten schwer trennen. In solchen Fallen wird die Plasmolyseform- und -zeitmethode so lange versagen, his die Pla smaspannung unseren Messungen zuganglich wird. Vorlaufig kann die Aufgabe dieser Methode nur darin bestehen, Aufschlufi zu geben tiber die Wandhaftung des Plasmas (bzw. Viskositat des ,,Ekmplasmas") einer- sells und das Zusammenwirken yon ViskosithL Spannung und Dicke des Plasmas andererseits. Eine Analyse des letztgenannten Komplexes gelingt gegenwartig nut teilweise durch vorsichtiges Ab,schiitzen tier Plasmadicke und dutch kritische Anwendung der Zen~rifugiermethode zur Bestimnmng der ViskositaL Eingehende Erfahrun,gen auf dfesem Gebiet miissen erst noch gesammelt und sollen in einer spateren u mitgeteilt werden.

5. Zusammenfassung

1. Die gesehiehtliehe En[wicklung der Plasmolyseform- und -zeitmethode wird skizziert.

2. Mit Hilfe einfacher stereometriseher Modelle werden die haufigsten Typen der Pla~smolyseform quantitativ erfa[~t.

3. Die Zul~issigkeit einer quantitativen Verkniipfung yon Pla smolyse- form und Plasmolysezeit in einer Exponentialfunktion wird experimentell geprtift.

4. Als neue charakteristische GrSl~e fiir den Plasmazustand wird der ,,Abrundungskoeffizient" a eingefiihrL

Ein Yersuch zur quant i ta t iven Auswertung der Plasmolyseform- und-zei tmethode 435

5. D i e B e d e u t u n g d ieses K o e f f i z i e n t e n ,sowie se ine Abh~ ing igke i t yon Viskosif~it, P l a s m a s p a n n u n g u n d P l a s m a d i c k e w e r d e n an H a n d d r e i e r Bei-

sp i e l e d e m o n s t r i e r t . 6. Es w i r d m i t H i l f e de r a - B e s t i i n m u n g gezeigt , d a ~ d e r P l a s m o l y s e -

z e i t - G r a d i e n t d e r Lemna-Wurze l im w esen t l i chen ein G r a d i e n t d e r W a n d - h a f t u n g u n d n icht d e r Vi,skositht ist, d a er in d e n a - W e r t e n nicht a u f t r i t t .

D u r c h B e h a n d l u n g m i t I s o p r o p y l a l k o h o l l~iftt sich d e r K o e f f i z i e n t be t Lemna d a g e g e n e rhShen , d u t c h H e m m u n g d e r a e r o b e n A t m u n g v e r m i n d e r n , was in d i e sen F ~ l l e n m i t e ther A n d e r u n g d e r Yi:skosit~t e r k l ~ r t w e r d e n k a n n .

H e r r n P ro f . Dr , A. P i r s o n mSchte ich an d i e s e r S te l le f i i r f r u c h t b a r e

A n r e g u n g e n d a n k e n . D i e e x p e r i m e n t e l l e n U n t e r s u c h u n g e n w u r d e n yon d e r

Deu t schen F o r s c h u n g s g e l n e i n s c h a f t in d a n k e n s w e r t e r W e i s e un t e r s t i i t z t .

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