356 13IOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA VOL. 1 2 (I953)

M E S S U N G D E S Q U A N T E N B E D A R F S ] ) E R P H O T O S Y N T H E S E F O R

S E H R D O N N E Z E L L S U S P E N S I O N E N

x,r 011

OTTO \ V A R B U R G

(mit GONZHeR ](RIPPAItL, \VALTER SCHRODER UND \VOLFGANG ]3UCNHOLZ)

3tax Planck [nstilul /i& Zellphysiologie, l~erlin-Daklem (Germ:,ny)

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E E

Um die Bestimmungen des Quantenbedarfs weiter zu vereinfachen, sind wir mit den Zelldichten soweit heruntergegangen und haben dabei die Zellen so stark belichtet, dass die Atmung zu einem Korrectionsglied wurde, das ffir viele Zwecke vernachl~issigt werden konnte. Dann war es nicht mehr notwendig, die Belichtung zwecks Atnmngs- messung zeitweise zu unterbrechen; oder die Atmung zu kompensieren und zeitweise den Kompensationsgrad zu messen; sondern die Zellen wurden in den Manometer- gefiissen einfach solange kontinuierlich belichtet, zum Beispiel 6 Stunden, bis die mane-

2O6

tSC

166

146

12£

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8£

6£

4C

2~

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 . . . . Minuten kontinuiet'licheu Belichtung

Fig. 1. I3es t imlnung des Q ua n t e nbe da r f s u n t e r VernachlS, ss igung der A tm ung . 2-Ge- If issmethode. Obere K u r v e kle ines Gef~ss. Untere l ( u r v e grosses Gef/iss. S t u n d e n u m - satz IS- laches Zel lvolumen. D a t e n am Schluss dieser Arbei t . J. 546 mm. ,[ -- oe fzl Ouan t en pro Minute . Anfangs -Absorp t ion

(,.-, %.

metrischen Ausschlfige gross geworden waren, zum Beispiel IOO und 5 ° mm. Dann wurde aus der Lichtabsorption und den entwickelten posi- t iven Drucken, also unter Vernachl~issigung der Atmung, die Ausbeute berechnet (Fig. ~). Wir fanden bei diesem Verfahren den Quantenbedarf zwischen 5.5 und 3.5, bei einer positiven Sauer- stoffentwicklung gleichdem I o- bis 2o-fachen Zell- volumen pro Stunde; w~ihrend der Sauerstoff- verbrauch in l~ingeren Dunkelzeiten meistens nur das I-fache Zellvolumen pro Stunde betrug. Im allgemeinen vermehrten sich die Zellen w~thrend der Ausbeutebestimmungen.

Vielfach haben wir bei einer Sauerstoff- entwicklung gleich dem 4o-fachen Zellvolumen pro Stunde einen Quantenbedarf von 4, unter Vernachl~issigung der Atmung, gefunden, ein Ergebnis, das man noch vor wenigen Jahrcn fiir unm6glich gehalten h~ttte und das den Fort- schritt unserer Methodcn - - physikalisch und

biologisch - - zeigt. Die Sauerstoffentwicklung dieser Zellen bei Lichts~ittigung betrug das 6o-fache Zellvolumen pro Stunde.

optisclw A ~wrdnu~g

Als Lichtquellen bei der Messung der Photosynthese dienten Quecksilber- und Cadmium-Quecksilber-Hochdrucklampen, ffir deren Anfertigung wir der Osram-

Literafur S. 359.

VOL. 12 (1953) QUANTENBEDARF DER PHOTOSYNTHESE 357

Studiengesellschaft in Berlin zu grossem Dank verpflichtet sind. Wir isolierten daraus mit Interferenzscheiben und Filtern die Wellenl~ingen 366, 436, 480, 578 und 644 m/x. Zur Beliehtnng der Manometergefitsse wurde auf ihrem Boden eine viereckige Blende abgebildet ; 7/8 der Grundfl~iche wurde dabei belichtet. Diese weitgehende Ausleuchtung der Manometergefiisse wurde dadureh erm6glicht, dass die Spiegel, die das Licht in die Manolnetergefiisse reflektierten, nicht mebr fest montiert waren, sondern sich synchron mit den Manometergef~tssen bewegten. Dann konnte, trotz 7/8 Ausleuchtung, beim Schiitteln der Gefiisse kein Licht verloren gehen. Die nene Anordnung hat den Vorteil, dass die Fl~ichenintensit~it bei gleicher Gesamtintensit~it etwa 7-real kleiner ist, class also die Wirkungen des Lichts his zu h6heren Intensit~tten linear bleiben. Die Trennung des Liehtstrahls in 2 gleiche Teile geschah nicht mehr mit 4 Prismen, sondern mit einem teildurchl~issigen Spiegel, wobei die geteilten Strahlen mit Irisblenden bolometrisch auf gleiche Intensit~iten justiert wurden. Die neue Anordnung hat den Vorteil, dass Lage- ~tnderungen des Lichtbogens die Verteilung des Liehts auf die beiden Strahlen weniger ~tndern k6nnen, aber den (geringeren) Nachteil, dass die Teildurchl~issigkeit der Spiegel f/ir die verschiedene Wellenl~ngen verschieden ist, sodass bei einem Wechsel der Wellen- l~ingen die beiden Teilstrahlen neu justiert werden m/issen.

Messung tier Lichlabsorption

Zur Messung der Lichtabsorption wurde teils das Transmissionsactinometer, teils die ULBRICHT'sche Kugel nach der Vorschrift yon DRESLER 1 benutzt, wobei auch die Korrektion ffir die Mehrfaeh-Absorption mit monochromatischem Lieht bestimmt wurde. W~hrend der Absorptionsmessung wurde der in der Kugel montierte Trog wie bei der Messung der Photosynthese bewegt. Da Actinometer und Kugel genau die gleichen Absorptionen ergaben, wurde sp~ter, aus Grtinden der Zeitersparnis, der ULBRICHT'schen Kugel der Vorzug gegeben. War dabei die Absorption einer Zellsuspension zu gering, so wurde die Suspension konzentriert, zum Beispiel auf das 3-fache und das 6-fache. Mit Hilfe der 3 Punkte c = o, c = 3 und c = 6 wurde dann eine Absorptionskurve gezeichnet, aus der die gesuchte Absorption entnommen wurde. Dieses Verfahren wurde zum Beispiel im griin angewandt, w~hrend im rot und im blau die Absorptionen direkt gemessen wurden, da sie hinreichend gross waren, wenn in die Vcrsuehsgef~sse 5/~l Zellen eingef/illt wurden.

Gasgemische

Da Sauerstoff und Stickstoff in den Stahlflaschen Spuren von Stickoxyden bilden k6nnen, die f/ir Zellen giftig sind, so empfehlen wir, sowohl bei den Kulturen, als aueh bei den Messungen, den Stickstoff durch Argon zu ersetzen.

Schi~ttelgeschwindigkeit Wir haben beobachtet, dass es Chlorella gibt, die die ffir die Manometrie notwendige

grosse Sch/ittelgeschwindigkeit in langen Versuchen nicht gut vertr~gt. Wir schfitteln deshalb bei den Bestimmungen des Quantenbedarfs d/inner Zellsuspensionen die Mano- metergef~sse w~hrend des gr6sseren Tells der Versuchszeit so langsam, dass die Zellen eben in Suspension bleiben und sch/itteln immer nut 3 Minuten lang vor der mano- metrischen Ablesung so schnell, wie es die Manometrie verlangt.

Literatur S. 359.

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Ziichtung der Chlorella

DANIELS, EMERSON UND JAMES FRANCI,: haben oft hervorgehoben, dass es gleich- gfiltig ist, wie man die Chlorella ziichtet. Dies stimmt, solange man sich mit einem Quantenbedarf yon 20 bis 12 zufrieden gibt. Verlangt man aber maximale Ausbeuten, so ist nichts wichtiger, als die Methode der Ziichtung. In der Tat ist hente, wo die physikalischen Methoden zur Messung des Quantenbedarfs his zur Vollkommenheit entwickelt sind, die reproduzierbare Ziiehtung yon Zellen best immter Eigensehaften das Hauptproblem der Energetik der Photosynthese.

Bei unsern neuen Z/ichttmgsversuchen eliminierten wir das Brunnenwasser und ersetzten es dureh doppelt destilliertes Wasser, dem wir meistens die Mikroelemente n a e h ARNON 2, zusetzten. Im iibrigen enthielt I Liter Kulturl6sung 5 g MgS04 7 H20, 2.5 g KH2POa, 2 g NaCI, 2 g KNO 3 und 2 g Ca(NOa)2 4H20. Die Zelldichten bei der Ernte betrugen I b i s 2/xl Zellen/ml.

Alle unsere Kulturen erhielten Tageslicht. Zum Tell ztichteten wir an einem Sfid- fenster unter Zusatz yon Metallfadenlicht, zum Teil an einem Nordfenster tinter Zusatz des Lichts der Xenon-Hochdrueklampe, die in der letzten Zeit von der Osram-Studien- gesellsehaft in Berlin entwickelt worden ist. Diese Lampe, die heisser als die Sonne ist, strahlt ein Kontinuum mit dem Maximum im himmelblau aus. Besonders im Winter, wenn das Tageslicht schwach war, haben wir sehr gute Erfahrungen mit der Xenon- Hochdrucklampe gemacht.

A'nderungen des p H

Da sich bei langen Versuchen pH und damit die Retention der Kohlens~ture in den Messgef~issen ~tndert, so muss Klarheit dartiber herrschen, wie pH-Anderungen die Manometrie beeinflussen k6nnen, zumal EMERSON dartiber physikalisch unrichtige Ansichten ge~iussert hat.

Bei jedem pH liefern die Gleiehungen tier 2-Gef~issmethode, ohne Berficksichtigung der Retention der Kohlens~ture, v611ig korrekt sowohl Entwicklung oder Verbrauch des Sauerstoffs als auch Entwicklung oder Verbrauch der / re ien Kohlens~ture; dies gilt auch dann, wenn sieh pH w~thrend der manometrischen Messungen beliebig ~indert. Nur wenn man auch die Aenderungen der gebundenen Kohlens/iure kennen lernen will - - also gewissermassen nicht nut das physikalisehe sondern auch das chemische

C02 nur dann muss man die Retention in die Gleichungen der 2-Gef/isslnethode Y - - Oz

einffihren. Man fiberzeuge sich yon der Richtigkeit des gesagten, indem man experimentell

oder in Gedanken die 2-Gef/~ssmethode auf die Karbonatgemische anwendet. Im Fall der die CO 2 vollst~ndig retinierenden Gemische findet man dann mit den zwei Gef~ssen genau dieselbe Sauerstoffentwickhmg wie mit dem einen Gef~iss:

Xo2 = H'xK'o2 -- HxKo.a = h'xk'o2 = hleo2 und immer y ~o2.

Beispiel Versuch yore 26.6.53. W'ellenl~tnge 546 m#. I-t~gige Kul tu r in Kultursalzl6sung mit Mikro-

elementen. Nordzimmer, Xenonlicht. Vermehrung yon 60 auf 16o /d Zellen in1 250 ml-Kolben. Kul tur l6sung (ohne Zentrifugieren) direkt zum Versuch benutzt . Je 7 ml Suspension mit je 4-5 t*1 Zellen in die Gef~sse v = 20.75 und v : 16. 5 ml eingeftillt. 20 °. Gasraum 5-5 o//o CO2-Luft. Einge strahl te IntensitS, t 92 ul Quanten pro Minute. Absorpt ion zu Beginn des Versuchs 6.2 %.

Literatur S. 359.

VOL. 12 (1953) QUANTENBEDARF DER PHOTOSYNTHESE 359

Kleines Gef~ss Grosses Gefliss n lm abgelesen mn l abgelesen

3 ° ' t- 14.5 q- 7 .0 60' F 30.0 + 15-o 90' F 45.5 + 23.5

12o' ! 62.5 q 32.0 211' q- 113.o I 60.5 241' F 132.o + 70.5 271' F 149.o + 8o.o 3Ol / + 168.o @ 89.5 33 tl + 186.o + 9 9 . 5

ohne Ber i i cks ich t igung der A t m u n g Fiir die e rs ten zwei S t u n d e n ergib t die R e c h n u n g

xo2 -- + I 6 7 / ~ 1 ; Xco 2 = - - I 8 5 /~l ~ - - I . I I

1 12o × 92 × 0.062 684

9~ 167 167

Der Ver such ist in Fig. i g raph i sch dargeste l l t . D-er S t u n d e n u m s a t z in den e rs ten zwei S t u n d e n betr~igt das I8-]ache des Zel lvolmnens . Mit e iner A t m u n g yon 4.5 l* 1 pro S tunde wtirde in den ers ten beiden S t u n d e n

I 684 3.88.

q) 167 + 9

Z U S A M M E N F A S S U N G

Die Methoden zur Messung des Q u a n t e n b e d a r f s der P h o t o s y n t h e s e s ind weiter ve re in fach t worden. Insbesondere ist n u n m e h r die A t m u n g auf ein zu vernachlS, ss igendes Kor rek t ionsg l ied her- un te rgedr i i ck t worden. Mit der neuen A n o r d n u n g wird best~itigt, dass der Q u a n t e n b e d a r f pro Molekiil Sauers toff bei m a x i m a l e r A u s n u t z u n g der Lichtenergie , ldeiner als 4, wahrsche in l i ch kle iner als 3 ist.

S U M M A R Y

Methods of de t e rmin ing t he n u m b e r of q u a n t a requi red for p h o t o s y n t h e s i s have been f u r t h e r simplified. In par t icular , respi ra t ion ha s become negligible. W i t h the help of the new t echn ique i t h a s been conf i rmed t h a t the n u m b e r of q u a n t a requi red per oxygen molecule, the i l lumina t ing energy being used m a x i m u m , is less t h a n 4, p robab l y less t h a n 3.

Rt~SUMt~

Les in6thodes de mesu re du n o m b r e de q u a n t a requis pa r la p h o t o s y n t h 6 s e on t 6t6 simplifi6es d a v a n t a g e . E n part icul ier , la resp i ra t ion es t devenue n6gligeable. A l 'a ide du n o u v e a u disposi t i f il a 6t6 confirm6 que le n o m b r e de q u a n t a requis pa r mol6eule d 'oxyg6ne , l '6nergie l umineuse 6 t a n t utilis6e au m a x i m u m , est p lus pe t i t que 4, p r o b a b l e m e n t p lus pe t i t que 3.

L I T E R A T U R

1 Handbuch der Lichttechnik, he rausgegeben yon R. SEWXG, Springer, Berlin, 1938, S. 348. 2 D. I. ARNON, Am. J. Botany, 25 (1938) 322.

Eingegangen den 5. August 1953