Strahlenbiologie der Bakterien. Experiment und Theorie

Sammelreferat

STRAHLENBIOLOGIE DER BAKTERIEN. EXPERIMENT UND THEORIE

von P. JORDAN (l~roStock) (PhysikMisches Institu™ theoretische Abteilung)

Eingegangen ~m 20. M/irz 1939 [11

w l. Einleitung Die neueren Untersuchungen zur Strahlenbiologie haben, indem sie - - so-

wohl in der S t r a h l e n g e n e t i k , als auch in T 5 t u n g s e x p e r i m e n t e n , insbesondere an Einzel]ern - - bis zu den P r i m / s der fraglichen biologischen Strahlenwirkungen vorzudringen vermochten, zu einer grunds/~tzlich bedeutungsvollen Erkenntnis geffihrt: Es gibt biologische Reaktionen, und zwar sehr wichtige, ffir das weitere Schicksal der betroffenen Zel]en oder mehrzelligen Individuen einschneidend wirksame Reaktionen, welche den h 5 c h s t e n p h y s i- k ~ l i s c h f i b e r h a u p t m 5 g l i c h e n F e i n h c i t s g r a d besitzen: Eine solche Reaktion ist, physika]isch gesprochen, e in e i n z i g e r Q u a n t e n a k t , beispielsweise in einer Ionisierung eines bestimmten e i n z e l n e n Molek i i l s bzw. einer durch diese Ionisierung einge]citeten chemischcn Veri~nderung dieses e i n z e l n e n Molekfils bestehend. So erweisen sich z .B. die G e n m u t a t i o n e n (in alleI1 bislang untersuchten F/s als je durch eine einzige ‡ erzeugbar.

]�9 in dieser Weise eine chemische Ver~tnderung an e i n e m e i n z i g e n Molekf i l zu einer eine ganze Zelle erfassenden Auswirkung gel~ngen kSnne, ist zwar schon vor geraumer Zeit (seit 1905) aus T5tungsexperimenten (z. B. chemischer Art) an Bakterien usw. erschlossen worden; doch wurden diese Schiiisse seinerzeit bestritten und sind ~nscheinend wenig bek~nnt geworden. Die heute vor]iegenden strahlenbiologischen Erfahrungen setzen jedoch die grunds/s Richtigkeit dieser These ~ul~er Zweifel.

Die Tatsache, da$ gerade solche bio]ogische Reaktionen, die in hohem Grade eine ,, s t e u e r n d e" Rolle im Leben der Zelle spie]en, von ,, m ik r o p h y s i- k a l i s c h e r " (atomphysik~lischer, quantenphysikalischer) Feinheit sind, er- scheint bemerkenswert insbesondere deshalb, weil, wie wir heure wissen, die fiir die mikrophysikalischen Einzelre~ktionen mal~gebenden Naturgesetze wesentlich ~nderer Art sind, als die sus der , , M a k r o p h y s i k " grof3er K5rper gewohnten Gesetze ( s t a t i s t i s c h e Gesetze ansta t t k a u s a ] e r ) l ) . Infolgedessen bedingt die hervorgehobene T~ts~che eine grunds/s Verschiebung in der viel erSrterten Frage des Verh/s biologischer und physikalischcr Gesetzlich- keit: die bisher dieser Frage gewidmete Liter~tur betrachtete die physikalische Gesetzlichkeit stets im Sinne der , , M ~ k r o p h y s i k " , d. h. der Physik groSer, aus z~hllosen Einzelatomen zusammengesetzter K5™ eine Fortsetzung dieser

1) Bctrcffs grunds/~tzlicher Charakterisierung der ,,Mikrophysik" vergleiche etwa: P. Jordan , Die Physik des 20. J~hrhunderts 2. Aufl. Br~unschweig 1938.

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grunds~ttzliehen Diskussionen ohne Beriicksiehtigung der nunmehr vergnderten Situation ware deshMb ebenso verfehlt, wie etwa eine Er6rterung des Deszendenz- problems ohne Heranziehung der Genetik.

Abgesehen von diesen grundsitzlichen Ergebnissen erm6gliehen die stmhlen- bioiogisehen Untersuehungen eine genauere Analyse der eigentiimlichen , , S t e u e r u n g s v e r h i l t n i s s e " in der Zelle, dureh welehe es erm6glieht wird, dag e in e i n z e l n e r Q u a n t e n p r o z e g zu ei.nem die ganze Zelle erfassenden Vorgang ,, v er s t/t r k t " werden kann. Mannig�9 biologische Untersuehungs- gebiete, die zum Teil heure im Vordergrunde des Interesses stehen (wie insbesondere die Erforsehung der G e n e in ihren Eigenschaften und ihrer Wirkungs- weise) beriihren sieh engstens mit diesen Problemen. Zudem besitzen die Er- seheinungen der b i o l o g i s e h e n S t r a h l e n w i r k u n g (die hier grundsitzlieh nur in bezug auf U l t r a v i o l e t t und i o n i s i e r e n d e S t r a h l u n g e n verfolgt werden sollen, unter Auss ehluB des s i c h t b a r e n und ultraroten Liehtes) eine Bedeutung, die keiner besonderen Hervorhebung bedarf. Sie kommt zum Ausdruck in dem au6erordentlichen Umfang der diesbeziigliehen Literatur.

Das Gesamtbild, dus diesœ Untersuehungen ergeben haben, ist allerdings bislang noch mit vielf~ltigen Widerspriiehen belastet gewesen, und die iiber- rasehend grol3e Zahl divergierender Ansichten, die sieh in der �9 Literatur darbieten, konnte den Eindruek erwecken, daB wir von einer Entseheidung der vielen diskutierten A|ternativen noeh weit entfernt wiren. Es ergibt sieh jedoch ein wesentlich giinstigeres Bild, wenn man in konsequenter Weise diejenigen Untersuehungen in den Vordœ stellt, welche durch griindliehe Ausnutzung unseres p h y s ik a l isc h e n Wissens betreffs der Strahlenwirkungen tatsgehlich eindeutige, siehere Feststellungen liber die P r i m ~ r a k t e der biologisehen Strahlen- wirkung erzielt haben. Das hierbei gewonnene grnnds~tzliehe Ergebnis, auf welches oben sehon hingewiesen wurde, bildet den naturgemg6en Ausgangspunkt fiir die Einordnung und Deutung auch soleher Befunde, welche fiir sieh allein genommen nieht ausreiehend w~ren, um eine siehere Beurteilung zu erm6gliehen.

Ira folgenden soll die Strahlenbiologie der B a k t e r i e n etwas ausfiihrlicher behandelt werden. Einige Bakterien, insbesondere B. coli, sind stmhlenbiologisch vielseitig untersueht, und bieten in bezug auf die biologisehen Stmhlenwirkungen besonders einfaehe und Mare Verh~ltnisse dar. Andere riel untersuchte Objekte, die ebenfalls noch eine eindringliehe Analyse ihrer strahlenbiologisehen Reak- tionen gestatten, zeigen zum T› sehon kompliziertere Verh~ltnisse; doeh bewihren sich aueh diesen komplizierteren Verh/~ltnissen gegeniiber d i e s e l b e n G e s i e h t s p u n k t e , die sieh beim strahlenbiologisehen Studium dœ Bakterien ergeben. In diesem Sinne bieten Mso die Untersuehungen an Bakterien eine naturgem~6e und siehere Grundlage aueh fiir die Beurteilung komplizierterer Beispiele der Stmhlenbiologie.

Fernœ ergeben sich in der strahlenbiologisehen Erforsehung von Bakterien enge AnMogien zu den Erseheinungen und Gesetzm~gigkeiten, die in der Mu- t a t i o n s a u s l 6 s u n g d u r e h S t r a h l u n g e n festgestellt sind (an DrosophiloE, Antirrhinum usw.). Diese enge Analogie der Erseheinungen, und die Paralleli t i t der daraus zu ziehenden Sehltisse, ergeben fiir beidœ Forschungsgebiete wertvolle weehselseitige Stiitzen und Best~tigungen. Die Primirvorg~nge der Strahlen- wirkung sind in beiden Gebieten weitgehend ~hnliehe; die Bakterienunter- suehungen haben den strahlengenetisehen gegeniiber insofern einen gewissen Vorzug, Ms sie es gestatten, die Grundgesetze der biologischen Strahlenwirkungen unabhingig von dem komplizierten Apparat der Genetik zu demonstrieren.

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w 2. Ein-Treffer-Tiitung Nicht Mie Bakterien sind in gleicher Weise fiir die Durch�8 strahlen-

biologischer Versuche geeignet. Die erste l~orderung, die zu stellen ist, wenn die Resultate als zuverl/tssige Unterlage theoretiseh bedeutsamer Schliisse dienen sollen, ist gute I ~ e p r o d u z i e r b a r k e i t der Ergebnisse strahlenbiologischer Experimente. In dieser I-Iinsieht u n g i i n s t i g ist, wie H o l w e c k und L a e a s s a g n e (1929) ausfiihrten, z. B. B. prodlgiosus. Die bekannte Eigensehaft vieler Bak- terien, leicht zur spontanen Bildung neuer Variet/tten zu sehreiten, maeht sieh gerade hier reeht st6rend bemerkbar (jedenfalls in demjenigen Stamm, welcher den gena~mten Verfassern zur Verfiigung stand). Ferner zeigte sieh, dag dieser Bazillus in seiner Strahlenempfindliehkeit stark abh/tngig war von der Vor- behandlung, z .B. davon, ob er vorher dem Liehte ausgesetzt war oder nieht. Experimen™ die I-I e r • i k (1933) an B. prodiffiosu8 ausgefiihrt bat (mit a- Strahlen), haben in der Tat nieht ebenso pr/tzise quantitative Ergebnisse gezeitigt, wie an einigen anderen Bakterien erzielt worden sind.

Eine zweite versuehsteehniseh wiehtige Voraussetzung ist, daB man die fragliehen Bakterien zuverl/tssig in einzelne I n d i v i d u e n trennen kann. Man wiinscht n/tmlieh an den auf einem N/thrboden ausgesetzten, bestrahlten und dann sieh selbst fiberlassenen Bakterien sp/tter fiir jedes einzelne Individuum fest- zustellen, ob es zur Teilung und Koloniebildung geschritten ist; und eine siehere Entseheidung wird unmSglieh, wenn stat t getrennter Individuen kleine Kolonien ausgesetzt sind - - an denen sich d inn lediglich unterseheiden 1/tgt, ob k e i n oder ob m i n d e s t œ e in darin enthalten gewesenes Individuum sieh noeh vermehrt hat. In dieser Beziehung versuchsteehnisch ungfinstig ist S. aureus, and die diesbezfigliehen eingehenden Untersuehungen von G a r e s (1929) sind deshalb hinsiehtlieh ihrer Bedeutung umstritten. V0n P u g s l e y , Odd ie und E d d y (1935) ist gezeigt worden, dag man Untersuchungsresultate, die sieh auf kleine Kolonien statt sauber getrennte Individuen beziehen, dureh reehnerisehe Korrektionen allenfalls doch noeh verwerten kann. Besser w/tre es wohl aber, bei Untersuchungen an Objekten wie S. saureus eine teehnisehe Verbesserung der Trennungs-Methodik zu versuehen. Bel giinstigeren Objekten, wie B. coli, gelingt die glatte Trennung dureh S e h i i t t e l n der Bakterien in Wasser; es ]/tge nahe, bei sehwierigeren Objekten zu versuehen, durch Anwendung von U l t r a - s ch a 11 (in geeigneter, die Bakterien nieht etwa t6tender Dosierung) die Trennung zu erzwingen.

Auch bel solchen Bakterien, die bei geeignetem Vorgehen gut reproduzier- bare quantitative Ermittlungen gestatten, ist die Strahlenempfindliehkeit unter Umst/tnden noeh abh/tngig von der Art des N/thrbodens und /thnliehen Be- dingungen. Es mu6 also nieht nur in dieser Hinsieht sorgf/tltig frit konstante Verh/tltnisse gesorgt werden, sondern es ist aueh Vorsicht geboten beim Ver- gleieh quantitativer Resultate v e r s e h i e d e n e r V e r f a s s e r , - - die nieht genau die gleiehen 13edingungen eingehalten haben werden (abgesehen von der Benutzung verschiedener St/tmme desselben Bakteriums). Wir werden trotzdem im folgenden bei Betraehtung des besonders vielseitig untersuchten B. coli die Resultate verschiedener Verfasser miteinander kombinieren mfissen; wtinsehens- wert w/tre es, dag ffir alle miteinander zu vergleichenden Strahlenarten um- fassende G e s a m t u n t e r s u c h u n g e n unter garantiert einheitliehen Bedingungen ausgefiihrt wiirden. (N/tmlieh frit: R6ntgenstrahlen versehiedener Wellenl/tngen, Kathodenstrahlen, a-Strahlen, fl-Strahlen, ),-Strahlen; und zwar am besten

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aueh ffir a-Strahlen mehrerer v e r s e h i e d e n e r G e s c h w i n d i g k e i t e n ; aul~erdem Neutronen-Strahlen.)

Bestrahlte Ze]lindividuen, die sich bei der sp/s Nachprfifung als un- vermehrt erweisen, werden gewShn]ich kurzweg als ,,getStet" bezeiehnet. Es ist jedoch ira Auge zu behalten, dal~ die Frage, ob diese Zellen wirklich definitiv getStet sind, kaum zu entscheiden ist. Es ist sehr wohl denkbar, daB es sich lediglich um eine langdauernde Unterbrechung der Lebensfunktionen handelt, und daB eine solehe Zelle entweder spontan ihre Lebensfunktionen wieder aufnehmen oder durch geeignete Beeinflussung erneut zu Wachstum und Teilung angeregt werden kSnnte. Wenn wir uns ira folgenden dem allgemeinen Gebraueh anschliel~en und von T S t u n g spreehen, so ist also diese Bezeichnung gewisser- ma6en stets in Anfiihrungsstrichen gemeint; die Frage, ob wirkliche TStung vorliegt, m u s unentsehieden bleiben. Die B e s t r a h l u n g s z e i t e n dauern in den meisten der zu bespreehenden Versuehe beispielsweise eine Minute, und die Ausz/s getSteter und iiberlebender (vermehrter) Ze]len wird nach beispielsweise 24 oder 48 Stunden vorgenommen. Wie sich die ,,getSteten" Zellen nach einer Woehe oder bei Uberfiihrung in andere Lebensbedingungen verhalten wiirden, ist mangels diesbeziiglicher Experimente noch nicht zu beurteilen, darf aber auch als eine zun/~chst sekund/s Frage betrachtet werden.

Es ist selbstversts daB in den l~eaktionen bestrahlter Zellen bei entsprechend verfeinerter Untersuchungsmethodik eine Fiille verschiedenster und kompliziertester Vorg/s zu erkennen sein mii6te. Jedoch heben sich erfahrungsgem/s aus diesen Reaktionen gewisse besonders auff/s und aus- gepr/~gte H a u p t r e a k t i o n e n deutlich herans; erste Aufgabe der Untersuchung muB es sein, diese Hauptreakt ionen klar zu isolieren. Zu diesem Zweck wird man z .B. die verabfolgten Strahlungsdosen n i c h t zu groB w/s diirfen: bei Anwendung allzu hoher Strahlungsdosen kSnnen verst/s unanaly- sierbar verwickelte und ,,versehmierte", uninteressante Effekte entstehen.

Die wiehtigsten biologisehen Strahlungsreaktionen (bei Beschr/s auf die oben bezeichneten Strahlenarten) zeigen nun die charakteristische Eigen- tiimliehkeit eines u n g l e i c h a r t ig e n l~eagierens g 1 e i c h a r t ig e r Zellindividuen unter g l e i c h a r t i g e r Bestrahlung. So wird z .B. in einer Bakterienkultur, die sorgf/s h o m o g e n gemacht ist, durch eine alle Individuen gleichartig treffende Strahlendosis ein gewisser Prozentsatz abgetStet, w/~hrend die iibrigen n i c h t getStet werden. Diese friiher in ausgedehnten Diskussionen erSrterte Tatsache haben einige Verfasser in dem Sinne zu deuten versucht, daft innerha]b der Kul tur immer noch eine betr/~chtliche V a r i a b i l i t / s der Individuen bestehe, die sich als Verschiedenheit der Strahlenempfindlichkeit /s wenn sie auch sonst nicht zu erkennen sei. Es wird sich jedoch zeigen, daf~ diese Deutung jedenfalls fiir die uns in erster Linie interessierenden F/~lle n i c h t zutreffen kann.

Der gewissermal~en i d e a l e , einfaehste Fall einer StrahlentStung - - er sei im folgenden als E i n - T r e f f e r - T S t u n g bezeichnet - - ist dureh vier Eigen- sehaften A, B, C, D ausgezeichnet.

A. Die T S t u n g e i n e r Ze l l e g e s c h i e h t in e i n e m p l S t z l i c h e n u n a b s t u f b a r e n E r e i g n i s . Eine einzelne bestrahlte Zel]e bleibt also, so]ange sie n i e h t getStet wird, vS l l i g u n b e e i n f l u l ~ t von der Strahlung; es zeigt sich n/~mlich n i c h t etwa ein vermittelnder Ubergang zwischen getSteten und un- bestrahlten Zellen z. B. in der Weise, dal~ eine mehr oder weniger stark bestrahlte, aber ungetStete Zelle eine V e r l a n g s a m u n g in Wachstum und Teilung zeigte,

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derart, dag die TStung Ms extreme Ausbildung dieser Verlangsamung aufzufassen w~re. Sondern es gibt nur die A l t e r n a t i v e : entweder TStung, oder keinerlei Ver~nderung. - - Das pl6tzliche, t6tende Ereignis, welches nach Ausweis dieser. Alternative die TStung hœ n e n n e n wir k u r z e i n e n , , T r e f f e r " .

Wie schon betont wurde, gelten unsere Formulierungen fiir die von sehw/~cheren, untergeordneten l~eaktionen i s o l i e r t e n H a u p t r e a k t i o n e n . Es kann neben der Hauptreaktion, die sich Ms ein unabstufbares pl6tzliehes Ereignis darstellt, zus~tzliehe andere Reaktionen geben, welche unter den iiber- lebenden Zellen feinere Untersehiede ergeben, o h n e jedoeh die in der Haupt- reaktion zum Ausdruck kommende Alternative irgendwie zu verwischen. Bei- spiele derartiger feinerer Nebenreaktionen haben Holl` und D u g g a r (1938) bei Ultraviolett-Bestrahlung einiger Bakterien nachgewiesen.

B. Be i A n w e n d u n g e i n e r b e s t i m m t e n S t r a h l e n q u a l i t s i s t d e r P r o z e n t s a ~ z g e t 6 t e t e r Ze l l en a l l e i n d u r c h die Dos i s b e d i n g t . Es macht keinen Unterschied, ob diese Dosis durch kurze Bestrahlung mit grol3er Intensits oder durch lange Bestrahlung mit kleiner Intensit~t - - oder aueh durch intermittierende Bestrahlung - - verabfolgt wird. Man pflegt dies kurz durch die Feststellung auszudriicken, dag die Bestrahlung ohne Z e i t f a k t o r wirkt.

C. Die A n z a h l de r t i b e r l e b e n d e n Z e l l e n k l i n g t m i t w a c h s e n d e r Dos i s D e x p o n e n t i e l l ab. Sind zu Beginn der Bestrahlung No Zellen vorhanden, von denen naeh Verabfolgung der Dosis D noch N(D) iiberleben, so ist (1) N(D) ~ e--~D; oder log N(D) . . . . aD.

Die Konstante a hgngt natiirlieh noeh ab von der Q u a l i t / i t der Strahlung. Man bezeiehnet, als H a l b w e r t s d o s i s D,/.~ diejenige Dosis, welehe geradœ 50pr0z. T 6 t u n g ergibt. Als m i t t l e r e L e t a l d o s i s Do bezeiehnet man den reziproken Wert von a:

(2) D0 = 1; D,/= = 0,69. 1

D. Die I t a l b w e r t s d o s i s i s t t e m p e r a t u r - n n a b h ~ n g i g . Eine ,,EinTreffer-T8tung" mit diesen charakteristischen Eigenschaften ist

dureh eine Reihe von Untersuchungen an verschiedenen B` nachgewiesen. Tabe~le I gibt eine Zusammenstellung der wiehtigsten Arbeiten mit positiven Er- gebnissen betreffs des oben unter C) formulierten E x p o n e n t i a l g e s e t z e s der Abt8tung. Die Punkte B) und D) sind nicht fiir aile, aber doch fiir die meisten der erw~hnten F~lle ausfiihrlich erh/~rtet. Zu beachten ist, dal3 die lV[8glichkeit einer Ein-Treffer-T6tung nicht nur vom bestrahlten Objekt, sondern auch von der Strahlenqualit~t abh~ngt. Z. B. fanden H o l w e e k (1929) und L a c a s s a g n e (1929) bei Bestrahlung von B. pyoeyaneus mit R8ntgenlicht der Wellenl~nge 8 A statt œ Absterbens einen anderen T8tungsverlauf, dessen statistische Analyse die T5tung Ms Gesamtresultat von m œ (vier) ,,Treffern" erwies. Allerdings ist in diesem Falle nicht g̀ sicher, ob die fiir die (mehrere Wochen auseinander liegenden) Untersuchungen der beidš Wellenl~ngen 4 A und 8 A beniitzten Bakterien ganz dieselben waren (lV[Sglichkeit spontaner Variet~ten- bildung). '

Es gibt auget Bakterien auch andere Organismen, an denen eine dem Exponentialgesetz (1) folgende Ein-Treffer-T6tung durch Strahlen mSglich ist. So z .B. Euglena (a; UV), Dro8ophilct-Eier eines bestimmten Entwicklungs-

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T a b e l l e I Naehweis exponentiellen T6tungsverlaufs

Bakterienart

B . coli . . . . . . . .

B . coli . . . . . . . .

B . coli . . . . . . . .

B . coli . . . . . . . .

B . coli . . . . . . . .

B . m e s e n t e r i c u s (Sporen) B . p y o c y a n e u s . . . . .

B . aerty]ce . . . . . .

B . a e r t y k e . . . . . . .

B . aertylce . . . . . .

B . l ) r o d i g i o s u s . . . . .

S . a u r e u s . . . . . . .

B . m e g a t h e r i u m . . . .

Gonokokken . . . . .

stadiums (RSntgœ ;

Strahlenart

harte Kathodenstr. R6ntgenstr. RSntgenstr.

a , ~ , y UV

B5ntgenstr. 4 X harte Kathodenstr.

RSntgenstr. UV

OE

a, fi

UV), Zellen von

Verfasser

Wyckof f -Rivers (1930) Wyckof �9 (1930) Pugs ley-Oddie-Eddy (1935) Lea-Haines-Coulson (1936; 1937) Wycko�9239 (1931/32) Lea-Haines-Coulson (1936; 1937) Ho]weck (1929); Lacassagne (1929) Wyckoff - I / ivers (1930) Wyckoff (1930) Wycko�9 (1931/32) Her• (1933) Lea-Haines-Coulson (1936) Lea-Haines-Coulson (1937) Nagel l -Noethl ing (]937)

Gewebekulturœ aus Hiihner- Embryonen (Neutronenstrahlung). Es beruht also dieses Ph~nomen offenbar auf biologisehen Gesetzm/~6igkœ die zwar ara Beispiel der B a k t e r i e n besonders bequem zu studierœ sind, aber doeh eine weit dar(iber hinausreiehende allgemeinere Bedeutung haben.

Dies bestS~tigt sieh naeh einer anderen Riehtung hin aueh dadurch, dag ein statistisehes, exponentielles Absterben aul3er dureh Strahlung aueh dureh andere Einwirkungen veranla•t werden kann; n/~mlich dureh Hitze, Frost, Troekenheit, UltrasehM1; und dureh gewisse Gifte (z. B. HgC12; Phenol). Das diesbeziigliehe Material ist kiirzlieh von S e h u b e r t (1939) ausftihrlieh referiert und dureh eigene Untersuehungen erg~nzt worden. Die Mare Isolierung des interessierenden Hauptvorganges von Mlerlei komplizierenden Nebenerschei- nungen ist in diesen Untersuehungen zum Teil schwieriger, Ms in den strahlenbiologisehen. Jedoeh kann an der Realit~t ,,monomolekularer" (exponentieller) TStungen dureh Hitze, Gifte usw. kein Zweifel bestehen.

Wollte man versuchen, das versehiœ Reagieren versehiedener Individuen auf diœ Bestrahlung als Ausdruek einer b i o l o g i s e h e n V a r i a b i l i t ~ t aufzufassen, Mso etwa derart, dag jedes Individuum bis zu einem bestimmten Dosis- wert aufw/~rts Strahlung aufnehmen kann, aber bei Ubœ dieses Dosis- wertes pl6tzlieh absth'bt, so wiirde man dureh C) zu einer aller sonstigen biologisehen Erfahrung zuwiderlaufenden Vorstellung von der Art der Variabilit/~t hinsichtlieh dieses ,,individuellen Sehwellenwertes" gen6tigt, und au6erdem dureh B) und D) in Sehwierigkeiten und Widerspriiehe geffihrt. Die,,Variabilit~ts- theorie" mul~ also abgelehnt werden - - obwohl sie lange Zeit hindureh ver- teidigt wurde, als das ungleiehartige, statistisehe Reagieren gleieh bestrahlter Zellen sehon bekannt, ein e x p o n e n t i e l l e s Absterben aber noeh nieht zuver- l~ssig quanti tat iv erwiesen w a r . - - E s bleibt als e i n z i g e Deutungsm6gliehkeit die folgende: Die Bestrahlung bedeutet naeh Atom- und Quantentheorie eine Besehie6ung der Zellen mit einem G e s e h o g h a g e l korpuskularer Teilehen. Verabfolgung einer sehr k l e i n e n Dosis dD ergibt an einem Individuum mit einer s t a t i s t i s e h e n W a h r s e h e i n l i e h k e i t a . dD letalen Effekt (,,Treffer");

4 7 0 Sammelrefera~

kommt aber die T6tung n i e h t zustande, so bewirkt die Dosiszufuhr dD k e i n e r l e i Sch~digung der Zelle (abgesehen von etwaigen Nebenreaktionen, die ira Sinne der obigen Erl/~uterungen von der uns beseh/tftigenden Hauptreakt ion ganz zu trennen sind). Diese Vorstellung maeht die Punkte A), B), C) verst/~ndlieh. Aus D) ist dann noch zus~tzlieh Temperaturunabh/~ngigkeit ffir die Wahrsehein- liehkeit des Treffers zu entnehmen.

Die empirisehe Gesœ (1) liefert dabei geradezu den Beweis, dag eine merkbare individuelle Variabilit~t der Strahlenelnpfindliehkeit in den fragliehen Experimenten n i e h t vorlag (vgl. J o r d a n 1938). Denn sonst miiI3te s tat t (1) eine kompliziertere Formel gelten, die z. B. dann, wenn gerade zwe i Z e l l s o r t e n nfit etwas vers chiedenen Empfindlichkeiten vorhanden w~tren, so aussehen wiirde : (3) N(D) = ae -y + be--~D; bei Vorhandensein noeh weiterer Abstufungen der Strahlenempfindlichkeit wfirden wir stat t (3) eine entsprechende Formel mit noeh mehr Sunlmanden rechts bekommen. Eine derartige Formel ist aber von (1) leicht zu unterscheiden. Ara besten zeichnet man sieh eine l o g a r i t h m i s c h e U b e r l e b u n g s k u r v e auf, in welcher als Abszissenachse die Dosis D und als Ordinate der L o g a r i t h m u s von N(D) eingetragen wird. Dann ergibt (1) offenbar eine in der Richtung wachsender Werte D geneigte G e r a d e . Dagegen ergibt sich bei vorhandener Inhomogenit/~t des Zelhnaterials eine n a e h o b e n h in k o n k a v e K u r v e , deren mit waehsendem D allm/s abnehmende Neigung zum Ausdruck bringt, dal] infolge friiheren Absterbens der empfindlicheren Zellen die noeh Uber- lebenden inl Durehschnitt u n e m p f i n d l i e h e r werden.

Das Gegenteil, eine nach oben hin k o n v e x e Kurve, t r i t t ein beim Arbeiten mit Zellen, die nicht sauber in Individuen getrennt waren. Denn eine aus mehreren Imtividuen zusammengesetzte kleine Kolonie wird erst dann get6tet sein, wenn jedes ihrer Individuen einen Treffer empfangen hat: die hier wirksam werdende A k k u m u l i e r u n g der Strahlenwirkung bedingt, dal~ ffir h6here Dosiswerte - - naehdem die urspriingliehen Kolonien bereits verkleinert sind - - die Wirkung der Bestrahlung in der sp/~teren Ausz/~hlung verst/~rkt zutage tritt . Ein Beispiel hierfiir liefert z. B. die von N a g e l l und N o e t h l i n g untersuchte Alpha-T6tung von Gonokokken (1937, dort S. 438, Abb. 4). DaB aueh bei Gonokokken das Absterben getrennter Zellindividuen exponentiell verl/s ist dureh die genannten Verfasser sehr wahrscheinlich gemacht worden mit einer etwas anderen Versuchstechnik (Bestrahlung in N/~hrl6sung, die radioaktive Substanz gel6st enthielt). Auch ist Abwesenheit eines Z e i t f a k t o r s erwiesen. Wir haben deshalb kein Bedenken gehegt, den Gonokokkenversuch mit in Tabelle I aufzunehmen, obwohl die erreichte Pr/s des Beweises geringer ist, als in den anderen dortigen F/s

Es ergibt sieh nun die Frage, was wir uns unter dem t6tenden ,,Treffer" genauer vorzustellen haben. Diese Frage wird den Hauptgegenstand der weiteren Untersuchung bilden.

w 3. Ana lyse des , , T r e f f e r s "

Die p r i m ~ r e Einwirkung der ionisierenden Strahlungen auf die Struktur- elemente der Zelle ist erst naeh genauerer Analyse zu beurteilen. Handel t es sieh z. B. uni R6ntgenstrahlen, so werden in der absorbierenden Substanz zun~ehst sehnelle Elektronen ausgel6st, die ihrerseits in unregelmgBig gekriimnlten Bahnen dahinfliegen, und 1Angs dieser Bahnen zahlreiehe I o n i s i e r u n g e n vollfiihren.

S~mmelreferat 471

Von diesen Ionisierungen (und Mlenfalls den in proportionaler, n~mlieh ungef~hr doppelter Anzahl zustande komlnenden A n r e g u n g e n von Molekiilen) miissen sieh Mle dann folgenden Wirkungen ableiten. DaB diese Ionisierungen nun nieht etwa in rein statistiseher, durehsehnittlieh gleieher r~umlieher Diehte ira Material verteilt eintretœ sondern jeweils 1/~ngs der Bahnen der schnellen Elektronen konzentriert sind, maeht es unm6glieh, s o f o r t eine Aussage zu mgehen hinsiehtlieh der physikalisehen Natur des t6dlieh wirkenden Treffer-Ereignisses; aber die M6gliehkeit, die ri~umliehe Verteilung der Ionisierungen in gewissem AusmaB willkiirlieh zu/~ndern, fiihrt andererseits gerade zu besonders aufsehlug- reiehen Feststellungen.

Einfaeher in dieser Hinsieht steht es mit der u l t r a v i o l e t t e n Strahlung. Die physikalisehen Elementarprozesse, n~mlieh Absorption jeweils eines einzelnœ Liehtquants h~, dureh ein einzelnes Molekiil, gesehehen hier v611ig unabh~ngig voneinander. F o l g l i e h k a n n das T r e f f e r e r e i g n i s n u r m i t e i n e r e in- z e l n e n h v - A b s o r p t i o n i d e n t i f i z i e r t w e r d e n . Mit dieser r e i n p h y s i - k a l i s e h e n Feststellung werden eine Fiille von Deutungsversuehen liquidiert, welehe in der ausgedehnten Literatur der Strahlenbiologie vertreten worden sind, und welehe die t6tende Wirkung von Ultraviolett zuriiekzuf/ihren suehten auf d i f f u s e P l a s m a s c h / ~ d i g u n g e n irgendweleher Art - - z .B. Anderungen ira k o l l o i d a l e n L 6 s u n g s z u s t a n d des Plasmas. Die grolle Anzahl derartiger und verwandter Theorien kann hier nieht ausfiihrlieher referiert werden. Tat- sache ist zwar, dag Plasma-Ver/~nderungen in der strahlenget6teten Zelle eintreten; aber sie stellen bestimmt n i e h t den P r i m / ~ r v o r g a n g de r S t r a h l e n - t 6 t u n g dar, sondern sind t e i l s den ira oben besproehenen Sinne von der Haupt- reaktion als unwesentlieh abzutrennenden Nebenreaktionen zuzureehnen, t e i l s - - n~mlieh soweit sie wirklieh mit der Hauptreaktion zu tun haben - - nieht Prim/~rvorgang, sondern im Gegenteil erst sekund/~re F o l g e - u n d B e g l e i t e r s e h e i n u n g des Absterbeprozesses. Das f o l g t u n a u s w e i e h l i e h sus der Tatsaehe, daB e in e i n z i g e s h�87 die T6tung zuwege bringt: denn eine einzige h v-Absorption kann niemals unmittelbar den Gesamtzustand einer kolloidalen L6sung ver/~ndern. Ebensowenig kann sie z .B. die Permeabilit/~t einer M e m b r a n • - - aueh Derartiges kommt also aus rein physikalisehen Griinden n i e h t als Prim~rprozeB der StrahlentStung in Betraeht.

Die Ultraviolett-T6tung von B. coli ist von W y e k o f f (1931/32) mit mono- chromatisehen Strahlungen der Wellenl/~ngen 2536 A; 2652 A; 2699 A; 2803 A; 2900 A; 3132 A untersueht. Mit Ausnahme der letztgenannten Wellenl/~nge ergab jede eine Ein-Treffer-T6tung; alle vier obigen Punkte A), B), C), D) wurden gesiehert. Die Bestrahlungszeiten dauerten 5 bis 100 sec; die Aus- z/~hlung wurde 4:8 Stunden sp/~ter ausgefiihrt. Die bei 3132 A eintretende Ab- weiehung vom exponentiellen Verlauf der Absterbekurve 1/~l]t eine gewisse A k k u m u l a t i o n der Wirkung zweier aufeinanderfolgender Treffer erkennen; jedoeh erfolgte aueh hier offenbar noeh bel den meisten der get6teten Individuen die T6tung durcit e i n e n Treffer (und bei den anderen dann wohl dureh zwei).

Die H a l b w e r t s d o s e n D, h sind von W y e k o f f nur approximativ bestimmt, und seien hier nieht wiedergegeben, dg andere Verfasser, ohne den uns augenblieklich interessierenden exponentiellen Verlauf der T6tung gepriift zu haben, fiir D,/~ genauere Werte bestimmt haben (vgl. Sehlug dieses Absehnittes). Wiehtig ist jedoeh die Gr61~enordnung der Halbwertsdosen DVy Fiir 2699 A bereehnet W y e k o f f , daB bei 50proz. Abt6tung jedes Individuum rund 4:200000 Liehtquanten h~ absorbiert h~t. Dies zeigt, dag man zu v611ig falsehen Vor-

472 Sammelrefemt

stellungen betreffs des T6tungsvorganges kommen k6nnte, wenn man auf das s t a t i s t i s e h e Gese t z (1) der TStung nicht achten wfirde - - man wiirde dann zun/s geneigt sein, die T6tung durch a k k u m u l i e r t e G e s a m t w i r k u n g der 4,2.106 absorbierten Lichtquanten zu deuten. In Wirklichkeit ist es aber so, daB ira Durchschnitt jede Zelle Millionen von Lichtquanten absorbiert, o h n e dag diese A b s o r p t i o n e n i r g e n d e inen B e i t r a g zu r T S t u n g le i s ten . Kommt diœ T6tung zustande, so ergibt sie sich ohne Mitwirkung der zahlreichen sonstigen Absorptionen Mlein aus e iner e i n z e l n e n h,'-Absorption: andernfalls k6nnte das Exponentialgesetz (1) nieht zustande kommen.

Es erhebt sich sofort die Frage, ob eine Absorption, um letal wirken zu k6nnen, vielleicht in ganz bestimmten submikroskopischen Strukturelementen der Zelle stattfinden mug; oder ob statt dessen sehr v ie le durch die Zelle ver- breitete Molekiile die Eigenschaft haben, dag eine ganz bœ durch h~- Absorption in seltenen F/s einmM zustande kommende chemisehe Anderung eines e i n z i g e n Moleki i l s unter Umst/tnden letal fiir die ganze Zelle wirken kann. Allgemeine theoretische Erw/s ( J o r d a n 1939; 1939a) lassen die letztere MSglichkeit (die in der Literatur Vertreter gefunden bat) verwerfen zugunsten der ersteren. Jedoch soll im folgenden auf diese theoretischen Er- w/igungœ kein Bezug genommen, sondern gezeigt werden, daB die Frage aus den experimentellœ Tatsachen heraus eine eindeutige Antwort erh/ilt.

Wir betrachten zun/ichst die ffir B. coli vorliegenden Experimente mit RSntgen-, 7-, ri" und Katboden-Strah]en. Die m i t t l e r e n L e t a l d o s e n sind in Tabelle II zusammengefM3t.

Tabelle II

Mittlere Letaldosen fiir B. coli

Strahlung

! 3,98 A . . 2,29 A . .

R6ntgen 1,54 ~t . . o,71A . .

[ 0 , 5 6 • . .

Ra -y .........

E~�87 . . . . . . . .

Kathodenstr. 155 KV

Do

8,8 10ar 6,7 103r 4,7 103r 4,65 10ar 4,2 103r 5,1 10ar 4 10af 3 103r

Verfasser

I Wyckof�9 (1930)

Lea-tIaines-Coulson (1936; 1937)

Wyckof‡ (1930)

Po-a . . . . . . . . . 24 �9 1 0 3 r Lea-I-Iaines-Coulson (1936)

Die Werte D o der R6ntgent6tung sind aus W y e k o f f s Angabe der rezl- proken Werte bereehnet, unter Korrektion eines bei W y e k o f f unterlaufenen reehnerisehen Versehens betr. die Wellenl/~nge 1,54 �94 Sonst bedarf nur der fiir K~thodenstrahlœ bereehnete Wert Do einer Erls Die friiher von uns ausgeffihrte diesbezfigliehe Reehnung ( J o r d a n 1938) ist naeh einem freund- lichen Hinweis von Herrn W. G e n t n e r etwas zu verbessern dureh Beriiek- siehtigung der Abbremsung der Elektronen dureh das Lenardfenster der benutzten Coolidge-R6hre. Betreffs dessen Dicke fehlt eine Angabe; nachtri~gliehe Fest- stellungen sind (naeh freundlieher Auskunft von Herrn W y e k o f f ) jetzt leider nieht mehr m6glieh. Herr G e n t n e r sehs die zu vermutende St/trke auf 17 mm Niekel-AquivMent, was rund 30 KV Energieverlust bedingen wfirde. Dazu kommt noch eine Abbremsung der Elektronen in der Luft zwisehen

Sammelreferat 473

Lenardfenster und bestrahltem Ni~hrboden; diese kann auf 5 KV gesch~ttzt werden. Wir haben es glso schlie$1ieh mit Elektronen von rund 120 KV zu tun.

Diese dringen in den bestrahlten Ns ein bis in eine Tiefe, die naeh einer bel B o t h e (1933), dort S. 37, besproehenen Formel (,,praktisehe ~eich- weite") zu berechnen ist als

510 510 + 120 2t (4) 0,4 [ 5 1 0 + 120 ~- 510 ~ cm ~ 0,018 cm.

Jedes 120 KV-Elektron vollfiihrt nun unge�9 120000/35 Ionisierungen - - denn fiir jede einzelne Ionisierung werden durehschnittlieh 35 Elektron-Volt verbraueht. Ferner hat 1 r die Bedeutung von 2 . l012 Ionisierungen pro cm a. Wgre nun in der ganzen Oberflgehenschicht von 0,018 cm Tiefe die rgumliche Dichte der Ionisierungen konstant, so wtirde folglich, wenn pro sec und pro cm 2 gerade n sehnelle KV-Elektronen auffallen, di› pro sec erzeugte Dosis gleich

1 120000 1 (5) 2__10~i~. n - 3---5-- 0,018 - - n �9 10 -7

werden. In Wahrheit haben wir aber in der ionisierten Oberflgchenschieht eine praktisch linear mit der Tiefe abnehmende Ionendichte, und folglieh ist fiir die O b e r f l g e h e , wo ja die Bakterien sitzen, der eben angegebene Dosiswert n o e h m i t 2 zu m u l t i p l i z i e r e n . Experimentell wurde eine T6tung gemgB der Formel e -bnt mit b = 0 ,68 .10 -1~ cm 2 gefunden, was auf Dosiswerte D um- gerechnet numnehr e-0, ~176176 D ergibt, also in der Tat die in Tabelle I I angegebene mittlere Let~ldosis 3000 r.

Wir legen Wert darauf, auch ffir das Kathodenstrahlenexperiment die angewandte D o sis zu bestimmen, weil sich zeigen wird, dal~ die D o sis tatsgchlieh den angemessenen VergleichsmaBstab gegeniiber den iibrigen Experimenten lie�9 Es sind in der Literatur eine Reihe ganz versehiedener theoretischer Deutungsversuehe ffir experimentelle Feststellungen der hier betrachteten Art vertreten worden ; und nach einigen dieser Theorien ( Y i o h l e r - T a y l o r 1934; G l o e k e r 1932) wgre die Wirksamkeit der Kathodenstrahlen n i e h t auf Grund der Dosis zu bereehnen, sondern unmittelbar aus der Anzahl n der auffallenden schnellen Elektronen (unabh /~ng ig von der Frage der Eindringtiefe).

Die RSntgenstrahlen der Wellenls 0,56 ~ 16sen bel ihrer Absorption schnelle Elektronen von 22 KV Energie aus, die lungwelligen g6ntgenstrahlen entsprechend energiei~rmere. Die Daten der Tabelle I I legen deshalb die Ver- mutung nahe, dag die e x a k t e n Werte D 0 fiir alle Strahlungen, die aus Elektronen von m i n d e s t e n s 22 KV bestehen, oder solche Elektronen ausl6sen, p r a k t i s c h k o n s t a n t s i nd , und zwur ungefs gleich 4 �9 10 a. Die obigen Werte 4,2 �9 10ar; 5,1 �9 10ar; 4. 103r; 3.10ar st immen so weit fiberein, wie angesichts dœ technischen Sehwierigkeiten eines Dosenvergleichs zwisehen so verschiedenartigen Strah- lungen fiberh~upt erwartet werden kann.

Wellenli~ngenunabhs in der Wirks~mkeit einer best immten Dosis r-Einheiten ist bei einer Reihe str~hlenbiologiseh wiehtiger Objekte festgestellt. So z .B. fiir die Mut~tionserzeugung bel Drosophila. Ferner ffir TStung von Drosophila-Eiern; h5ehstwahrseheinlieh ~ueh Seh~digung von Pteris-longifolia- Sporen. An Axolot-Eiern ist gleiehe Wirksamkeit gleicher Dosen von 0,56 A und 0,18 ~ festgestellt.

Eine der~rtige Wellenls163 der R6ntgenwirkung gibt uns in allen Beispielen, wo sic anzutreffen ist, einen wesentliehen Aufsehluit iiber die physik~lische Natur des prim~ren Treffer-Ereignisses. Wir wollen uns jetzt

Protoplasma. XXX]I 31

4 7 4 Sammelreferat

von der Vorstellung le i ten lassen, da6 das Zustandekommen des Treffers n i e h t irgendwo an beliebigem Orte mSglich sei; sondern dal3 es r~umlcih sehr kleine hochempfindliehe Bezirke gibt, die von der Strahlenwirkung getroffen werden mtissen, wenn ein letaler Effekt eintreten soll. Wir werden von dieser Vorstellung aus die experimentellen Tatsachen betreffs der TStung durch ionisierende Strahlen verstehen kSnnen, wghrend die entgegengesetzte, in der oben besprochenen Alternative bezeichnete MSglichkeit (sehr geringe, aber iiber groBe Teile der Zelle ausgebreitete Strahlenempfindliehkeit) k e i n e Deutung dieser Tatsaehen erlauben wiirde.

Weichere und hg, rtere RSntgenstrahlen unterseheiden sich wesentlich hinsiehtlieh der r ~ u m l i e h e n V e r t e i l u n g der Ionisierungen; l~ngs der Bahn eines sehnellen Elektrons liegen die Ionisierungen in einem durchschnittlichen Abstand, der in erster Ann/~herung p r o p o r t i o n a l de r E n e r g i e des E l e k - t r o n s ist. Ftir ein 22 KV-Elektron, wie es dureh die Mrtes te der von W y c k o f f benutzten Strahlungen ausgelSst wird, betr~Lgt dieser durehschnittliehe Abstand in Wasser - - also aueh in organiseher Substanz - - etwa 1,9 �9 10 -y cm, also rund 100 Atomdurchmesser. (Betreffs ausfiihrlieher Erl~uterung der fiir die Strahlen- biologie wesentlichen Gesetzm/~Bigkeiten der Ionisierung und r~umlichen Ionen- verteilung vgl. J o r d a n 1938; 1938a; 1939a.)

Wird nun das Treffer-Ereignis durch Z u s a m m e n w i r k e n von m e h r e r e n - - z. B. vert f t inf - - Ionisierungen hervorgebracht, se muB sich eine W e l l e n - l s der Wirkung einer R6ntgendosis ergeben. Die Dosis ist ja se definiert, daB 1 r die Erzeugung einer G e s a m t z a h l von 2 �9 1012 Ioni- sierungen im cm s bedeutet - - ohne Rtieksieht auf die rgmmliche Verteilung ira Kleinen. Bei einer gegebenen Dosis wird deshalb im Falle w e i e h e r e r Strahlung, deren Sekund/~relektronen in d i e h t e r e r Folge ionisieren, die Bildung eines kleinen H a u f e n s von 5 oder mehr sehr dicht zusanimenliegenden Ionisierungen h g u f i g e r vorkommen, als bei h ~ r t e r e r Strahlung. Derartige Haufenbildung der Ionisierungen ist aber ftir das Zustandekommen eines Treffers erforderlieh, wenn der hochempfindliehe Bezirk, wie vorausgesetzt, s e h r k l e i n ist. Folglich wiirde man eine erhShte Trefferh~ufigkeit pro Dosis ira Falle weieherer Strahlung erwarten. In der Ta~ gibt es gut untersuchte Beispiele der Strahlenbiologie, die ein solches Verhalten zeigen; ver allem H e f e ist hier zu nennen (vgl. J o r d a n 1938; 1939a).

Wenn aber Derartiges n i e h t vorliegt, sondern die Dosiswirkung w e l l e n - l ~ n g e n u n a b h ~ n g i g ist, se kommt ein durch Zusammenwirken von 5 Ioni- sierungen bedingter Treffer n i c h t in Frage. Sofort verstgndlieh wird dagegen die Wellenl~tngenunabh~ngigkeit, wenn wir annehmen, dal~ das T r e f f e r e r e i g n i s n u r e ine e i n z i g e I o n i s i e r u n g (an der richtigen Stelle) enth~lt. T i m o f › R e s s o v s k y , D e l b r t i e k und Z i m m e r haben deshalb in ihrer bahnbrechenden Abhandlung liber die Drosophila-Strahlengenetik aus der We]lenl~ngenunab- h~ngigkeit de r MutationsauslSsung den SchluB gezogen, daB eine G e n m u t a t i o n durch eine e i n z i g e Ionisierung auszulSsen sei. Allerdings ist aber noeh eine besondere Feinheit der r/iumlichen Ionenver~eilung zu berticksiehtigen ( J o r d a n 1938; 1939a): Die Ionisierungen liegen streng genommen nicht e i n z e l n in zuf~tlliger Verteilung 1/~ngs der Bahn des schnellen Elektrons, sondern se, daB sie bereits immer kleine H~tufehen bilden, mit einer wellenl~tngenunabh~ngigen Durchsehnittszahl von Ionisierangen pro Hgufehen, welche gleich 2 bis 3 ist. Folglich kann man in Wirkliehkeit noch niebt sehlieI3en, daB je eine e i n z i g e Ionisierung denjenigen Treffer auslSst, dessen Hervorbringung mit einer wellen-

8ammelreferat 4~7 5

l~ngenunabh~ngigen Hiufigkeit pro Dosiseinheit gœ sondern es k6nnten aueh je zwei bis d re i Ionisierungen erforderlieh sein, und in gewissen F/~llen (Pteris longifolia; vgl. J o r d a n 1938; 1939a) ist das aueh der FMI. Trotzdem diirfte wahrseheinlieh bei den Gen-Mutationen die obigœ These (Ausl6sung dureh e ine Ionisierung) zutreffend sein. Und �9 B. coli wollen wir nun ebenfMls der weiteren Er6rterung die Deutung zugrunde legen, dag der letale Treffer nur eine einzige Ionisierung im empfindliehen Bezirk enth/~lt. Wir haben dann zu erklgren, warum Elektronen von w e n ig e r als 22 KV - - die also n o e h d i e h t e r ionisieren - - zu den in Tabelle I I verzeiehneten a n s t e i g e n d e n W e r t e n Do fiihren.

1V[achen wir uns zun/s die einfache Vorsgellung, der empfindliehe Bezirk sel ein scharf begrenztes Volumsgtick Vo derart, dag die T6tung immer dann ein- setzt, wenn eine Ionisierung innerhalb Vo gesehieht, w~hrend jede augerhalb von vo geschehende T6tnng unwirksam bleibt. Liegen nun die einzelnen Ioni- sierungen weit getrennt voneinander, so wird gew6hnlich, wenn iiberhaupt, nur e ine davon in das vo einer Zelle fallen. Wenn aber statg dessen - - infolge Anwendung sehr w e i c h e r B6nggensgrahlen - - die Ionisierungen 1/~ngs kurzer Nurvensgiieke (Bahnen der von der R6ntgensgrahlung ausge16sten Sekund~r- elektronen) sehr dieht aufeinander folgen, so wird sieh ergeben, dag in ein kleines Volumstiick Vo immer e n t w e d e r iiberhaupt keine ode r gleieh m e h r e r e Ioni- sierungen fMlen. Es findet dann - - da eine m e h r f a e h e Ionisierung in Vo aueh nieht mehr als eine T6tung bewirken kann - - ein erh6hter Verbrauch von Ioni- sierungen pro T6tung statt; also mug die mittlere Letaldosis z u n e h m e n .

Um zu priifen, ob die Deutung dœ Daten von Tabelle I I dureh den eben erl/~uterten , , S / ~ t t i g u n g s e f f e k t " wirklieh zutreffend sein kann, priifen wir zun~chst ganz roh die quantitativen Verh/s Zun/~ehst kann Vo bereehnet werden; da l r die Bedeutung von 2.1012 Ionisierungen pro cm a hat, so ist offenbar

1 (6) Vo = 0 ,5 .10 - 1 2 . - -

Do" Mit Do = 4000 r ergibt das Vo = 1,25.10 -i6 cm 8, was einem Bereieh

von rund 107 Atomen Inhalt entsprieht. Ste]len wir uns dies Volumstiiek ver- suehsweise als etwa kugelf6rmig vor, so hat es einen Radius von ungef/~hr 3 �9 10 -6 cm. Das paBt durehaus zusammen mit der oben gemachten Feststellung, dag bei den 22 KV-Elektronen, bei denen der S/s geradœ aufh6rt (naeh der h/~rteren Seite hin), sieh beInerkbar zu maehen, ein durehsehnittlicher Abstand 1,9 �9 10 -6 cm fiir die aufeinanderfolgenden Ionisierungen besteht.

Eine genauere quantitative Erfassung des S/~ttigungseffekts ist -con F a n o (1939) ausgearbeitet worden. Zun/~chst wollen wir die obige Vorstellung etwas Mlgemeiner fassen. Es gebe ein Volum v mit der Eigensehaft: E i n e in v g e s e h e h e n e I o n i s i e r u n g w i r k t l e t a l m i t e ine r W a h r s e h e i n l i e h k e i t p; eine a u g e r h a l b von v gesehehende wirkt nie ]etM. Das Produkt (7) vo = pv stellt uns denjenigen Wert von v dar, den v ira Falle p ~ 1 annehmen miiBte; wir nennen Vo das , , W i r k u n g s v o l u m " . Die g e o m e t r i s e h e G e s t a l t von v braueht nun keineswegs die einer Kugel zu sein; es kSnnte sieh z. B. um einen Haufen in naher Naehbarschaft liegender Kugeln handeln, oder z. B. um ein sehwammartiges Volumstiiek. Wir kennzeiehnen dieses Volum dureh sœ Q u e r s e h n i t t q, (also diœ t~l/~che seiner senkreehten Projektion auf eine Ebenœ und zweitens dureh den m i t t l e r e n D u r c h m e s s e r d, definiert als den Mittelwert

31"

476 Sammelreferat

der Streckenl~nge (gegebenenfalls aus mehreren Teilstiieken zu addieren!), die von v auf einer es durchsetzenden Geraden ausgeschnitten wird. Es ist dann ann~thernd (8) v = q" d.

Sta t t der Formel (6) ergibt sich jetzt die den S~ttigungseffekt mitberfick- siehtigende F a n o s c h e F o r m e l

V o

1 d . q (9) Do -:- 0,5 �9 10 -1~" - -

V �87 V O - - o ,

l - - e dq

Vo wieder in (6) iibergeht. die frit sehr kleine Werte des Quotienten d. q

In der hier gewghlten Bezeichnungsweise bedeutet d den m i t t l e r e n A b s t a n d zwischen zwei aufeinander folgenden Ionisierungen. ~ a n kann jetzt aus den Daten der Tabelle I I auBer v o aueh den Q u e r s c h n i t t q berechnen; es ergibt sich die GrSBenordnung 2 �9 l0 -1~ cm ~. Allerdings mfissen die soeben durchgeffihrten Oberlegungen noch etwas verfeinert werden zwecks Mitberfiek- sichtigung der Tatsache, dag die Ionisierungen immer in kleinen Haufen zu 2 bis 3 zusammenliegen. Wh" gehen hierauf nicht n/iher ein; es sollte hier lediglich gezeigt werden, in welcher Richtung sich die quanti tat ive theoretisehe Auswertung der experimentellen Daten bewegt. Wir hoffen gezeigt zu haben, dal] es mSglich ist, erstaunlich tief und eindringlich in der Analyse der physikalischen Prim/~r- vorgi~nge vorzudringen, s o f e r n q u a n t i t a t i v e e x p Q r i m e n t e l l e D a t e n in g e n i i g e n d e m U m f a n g u n d in g e n i i g e n d e r P r ~ z i s i o n z u r V e r f f i g u n g s t e h e n . Dieser Eindruck mag dazu beitragen, diesem schSnen Untersuchungs- gebiet weitere Mitarbeit zu werben.

Erws sel in diesem Zusammenhange eine i~ltere von G l o c k e r (1931; 1932) entwickelte Theorie, welche gleichfalls die W y c k o f f s c h e n Ergebnisse in Tabelle I I quanti tat iv zu deuten unternahm, jedoch auf Grund einer Vor- stellung, die von der hier verfolgten v6llig verschieden ist. G l o c k e r nahm an,

r ~ ~ " da6 der ,,T eIIer aufzufassen sel als eine D u r c h q u e r u n g des Z e l l - L e i b e s d u r c h e in s c h n e l l e s E l e k t r o n ; diese Durchquerung sollte mit einer von der G e s c h w i n d i g k e i t des fraglichen Elektrons u n a b h i ~ n g i g e n Wahrschein- lichkeit von ungefi~hr 1 ~o letal wirken. Abgesehen von theoretischen Bedenken, die von vornherein gegen diese Vorstellung anzumelden sind, wird diese Theorie widerlegt durch die in Tabelle I I genannten Werte D o for /~- und y-Strahlung; die G l o c k e r s c h e Theorie wfirde hierffir r i e l k l e i n e r e Werte erfordern. Dieser Hinweis ist wichtig insbesondere deshalb, weil die in der strahlenbiologischen Literatur immer wieder auftauchende, in Wahrheit aber durch kein Experiment begriindete Ansicht, dag schnelle Elektronen unmittelbar in dem von ihnen durchquerten Zytoplasma merkliche Wirkungen ausl6sen k6nnten, durch diese Theorie eine scheinbare Bestfitigung erhalten hatte.

Ira t%ahmen der oben skizzierten Theorie liefert der ,, S / ~ t t i g u n g s e I f e k t " den wirklichen Beweis dafiir, daB die Strahlenempfindlichkeit der Zelle s i ch a u I e in g a n z k l e i n e s l % a u m g e b i e t k o n z e n t r i e r t . Die entgegengesetzte, oben in Betracht gezogene Annahme ws ja formelm/~6ig so darzustellen, daB wir in (7) fiir v das Gesamtvolum der Zelle (oder doeh einen grol3en Teil davon) einsetzen und p dann entsprechend klein annehmen wiirden. Wir wfirden dann auch in (9) ffir q einen Wert von der ungef~hren Gr6Be 10 - s cm 2 annehmen

Sammelreferat 477

miissen, en t spreehend den Dimens ionen der Zelle (die bei B . c o l i ein Zyl inder von e twa 2 # Lgnge und 0 , 5 # Durehmesser ist). D e r S / ~ t t i g u n g s e f f e k t m i i B t e d a n n v611ig a b w e s e n d s e i n . Somi t is t der S i t t i gungse f fek t ein B e w e i s ftir die Kle inhe i t "con v, w~hrend dagegen die Kle inhœ des naeh (6) be reehne ten vo nat i i r l ieh zun/tehst nur h y p o t h e t i s eh als Hinweis auf ein eben-

falls kleines v = go be t r aeh t e t werden konnte . P

Bevor wir diesen s t r a h l e n b i o l o g i s e h e n B e w e i s e i n e s r i u m l i e h s e h r k l e i n e n e m p f i n d l i e h e n B e z i r k s d e r Z e l l e in seiner grunds~tz l iehen Bedeu- tung wei ter verfolgen, sei kurz noeh auf einige weitere exper imente l le Ta t saehen eingegangen. Tabel le I I I verzeiehnet naeh L e a- H a i n e s- C o u 1 s o n ftir einige Bak te r i en W e r t e Do fiir a-, p-, y -S t rah len . Fe rner s ind die Do der a -S t r ah len aueh in , , W i r k u n g s q u e r s e h n i t t e " Q umgereehnet , die �9 bedeuten. Das Alphate i lehœ l~ngs dessen Bahn eine , , I o n i s i e r u n g s s s mi t sehr d ieh t l iegenden Ionis ierungen en ts teh t , wird unseren Vors te l lungen naeh immer dann t6 ten , wenn es das Volum v durehqued~ oder aber an ihm vorbe is t re ieh t

T a b e l l e I I I

Vergleieh von a-, /~-, y -S t r ah l en

Bakterienart Q fiir a Do fiir a D o fur fl D o fur y

B . coli . . . . . . 6,0 �9 10 - l ~ cm ~ 24 �9 103r 4 �9 10ar 5,1 �9 10~r S . a u r e u s . . . . 5,7 �9 10 - i ~ cm 2 25 �9 10ar 4 �9 10ar B . m e s e n t e r i c u s . . 5,4 �9 10 - i ~ cm e 26 �9 10ar l l 0 �9 103r 200 �9 103r B . m e g a t h e r i u m . . 90 �9 10~r

Strahlenquelle . . . Polonium Emanation l~adium

in einem Abs t and , der kleiner als der Rad ius der Ionis ierungsss ist. W/~hrend also die Zelle den S t rah len eine Fl~ehœ von rund 10 - s cm 2 (in der Pro jek t ion) da rb ie t e t , muB ein kleines F l~ehens t i iek Q innerha lb dieser gr6geren F1/~ehe vom Alpha te i l ehen du rehque r t werden, d a m i t T6tung e in t r i t t . Dieser Wirkungs- quersehni t t Q muB e t w a s g r 6 B e r sein, als q; aber nur wenig, denn der Rad ius der IonisierungssSmle is t sehr klein. (E twa 5 . 1 0 - 7 cm, wie aus Resu l t a t en von A l p e r (1932) zu sehlie6en is t ; der fr i ihœ auf Grund gl terer E x p e r i m e n t e vom Verfasser (1938; 1938a) fiir m6glieh gehal tene W e r t von 8 . 1 0 - y cm 1/~gt sieh n ieh t auf reeh t erhal ten.)

I n Tabel le I I I sehen wir nun Wer t e Q, die f/ir drei versehiedene Bak te r i en nur wenig versehieden sind. Sie s ind e twas grSger, als der oben aus der S~t t igung ( W y e k o f f s e h œ Daten) bereehnete W e r t q. An der Dosis Do fiir A lpha t6 tung von B . c o l i erkennen wir ferner, dag hier, wie es unseren Vors te l lungen naeh sein mug, die S ~ t t i g u n g noeh s t /~rker is t , als bei dœ weiehsten benu tz t en R6ntgen- s t rahlen. Unsere Vors te l lungen lassen wei terhin erwar ten , daB der W e r t Q bei B . c o l i unge~nder t b le iben wiirde, wenn die G e s e h w i n d i g k e i t der Alpha- te i lehen v a r i l e r t wiirde. Leider fehlen diesbeziigliehe Untersuehungen. Dagegen h a t Z i r k l e in g l i nzenden E x p e r i m e n t e n an P t e r i s l o n g i f o l i a - S p o r e n und an Hefe diese F r a g e gekl/s bel He �9 is t in der Ta t Q von der Gesehwindigkei t der Alpha te i l ehœ unabh/s bei P t e r i s l o n g i f o l i a dagegen, wo der uns hier beseh/~ftigende S/~ttigungseffekt aus besonderen Gri inden n i e h t auf t r i t t , is t Q dagegen gesehwindigkeitsabh/s

4 7 • Sammelreferat

Von B. coli durchaus a b w e i e h e n d e Verhgltnisse zeigt aber nach Ausweis der Tabelle I I I da, s Beispiel B. mesentericus. Hier mfissen wir sehliel3en, dal3 der tStende Treffer nicht eine e i n z e l n e Ionisierung, sondern einen kleinen H a u f e n von Ionisierungen voraussetzt; vielleieht z. B. 5 bis 6, doch kann man dariiber jetzf noeh nichts Sieheres sagen. Derartige Tre�9 kommen dann mit einer A1pha-Dosis leiehter zustande, als mit einer gleich grol~en Dosis /~- oder 7-Strahlung. Wir sprechen in Fgllen wie diesem von einem , , K o n z e n t r a t i o n s - e f f e k t " der Strahlenwirkung.

Die versehiedenen, z .T . aus dem Gebiet der Bakterien hinausffihrenden Beispiele strahlenbiologischer Prozesse, die wir ira Obigen beriihrt haben, werden bereits zeigen, dal3 keineswegs fiberall die Verhgltnisse se einfach liegen, wie bei B. coli. Jedoeh sind auch die komplizierteren, durch das Vorhandensein des K o n z e n t r a t i o n s e f f e k t e s ausgezeichneten Fglle in ghnlieher Weise zu verstehen; es roui3 bief nur planmgl3ig auf die MSglichkeit der TrefferauslSsu.ng durch kleine H a u f e n von Ionisierungen Rficksicht genommen werden. Als von derselben Einfachheit wie die B. coli-TStung bat sich die AuslSsung vert G e n m u t a t i o n e n be i Drosoph i lae rw ie sen ; a u c h h i e r i s t der S g t t i g u n g s - e f f e k f festgestellt worden, und zwar durch Anwendung von N e u t r o n e n - Strah]en ( T i m o f › und Z i m m e r ) .

Das auf Grund des Sgttigungseffektes nachgewiesene hochempfindliche Volum von B. coli roui3 ein zytologisch und physiologisch bedeutsames Struktur- element der Zelle darstellen; angesichts der sonstigen strahlenbiologischen Erfahrungen kann es nur Ms eine Art Z e l l k e r n interpretiert werden. Wir kommen datait zu einer ganz bestimmten Stellungnahme in der seit etwa 50 Jahren umstri t tenen Frage, ob es einen Zellkern der Bakterien - - bzw, ein be- grfindeferweise als verkleinertes A n a l o g o n eines Zellkerns zu bezeichnendes Gebilde gibt. Erfreulieherweise ist diese Frage aber neuerdings aueh von anderen Seiten her in wohl definitiver Weise beantwortet worden. Durch Anwendung der F e u l g e n - I ~ e a k t i o n , die auf die N u k l e i n s ~ u r e spezifisch wirkt, haben P i e k a r s k i (1937) und S t i l l e (1937) - - nach vorausgegangenen Arbeiten von P i e t s e h m a n n , M i l o v i d o w , S t i l l e - - eine weitgehende Klgrung erreichen k5nnen. Al le doroufhin untersuchten Bakterienarten enthalten jedenfalls Nukleinsgure, als Bestandteil wohldefinierter Strukturelemente; und zwar gibt es von Bact. coli (und anderen Arten) zwei verschiedene Formen, deren eine je e in deutlich abgrenzbares KSrperchen mit Nukleinsgure-Gehalt besitzt, wghrend die andere Ferre zwe i derartige K6rperchen zeigt. Fiir versehiedene Bakterien kSnnen diese kernartigen K5rperchen auch o h n e Fgrbung dureh U l t r a v i o l e t t - M i k r o s k o p i e erkannt werden ( P i e k a r s k i 1938)~ unter Ausnutzung des Um- standes, da~ die Nukleinsgure in der Unlgebung von 2600 ~ etwa 30 mal stgrker absorbiert als das Zelleiweil3 (C as pe r s s on ) .

Andererseits haben v. B 5 r r i e s , l ~ u s k a und R u s k a (1938) vermittelst des E l e k t r o n e n m i k r o s k o p s ebenfMls wohlabgegrenzte KSrperchen in Bact. coli feststellen k6nnen, deren Identi tgt mit den nukleins~urehaltigen KSrpern man vermuten wird. Der Durehmesser dieser KSrperchen betrggt etwa 2 .10 - � 87 cm und pal3t somit bestens zu dem Q aus Tabelle I I I .

Jedoeh wird andererseits die strahlenbiologische Untersuehung des B. coli dureh P i e k a r s k i s Auffindung der beiden versehiedenen Formen dieses Bazillus ver neue anziehende Aufgaben gestellt: Es wgre sehr zu w~inschen, daB man b e i d e Formen g e t r e n n t voneinander in gleicher Ausfiihrliehkeit strahlen- biologisch untersuehen wtirde.

Sammelreferat 4 7 9

Die Sicherstellung eines nukleinsi~urehaltigen Zellkerns auch in den Bakterien erleichtert es uns, endlich auch betreffs der U l t r a v i o l e t t - T 6 t u n g der Bakterien zu bestimmteren Vorstellungen zu kommen. Die Verschieden- heiten der r~umliehen Verteilung der Ionisierungen bei Anwendung von hs oder weicheren R6ntgenstrahlen oder von a-, ff-, y- und Neutronenstrahlen erm6glichen uns, wie oben gezeigt, eine gewisseAbtas tung der g e o m e t r i s c h e n G e s t a l t s v e r h / ~ l t n i s s e des strahlenempfindlichen Strukturelements der Zelle. Seine c h e m i s c h e K o n s ™ dagegen mugte bei diesen Untersuchungen ira Ungewissen bleiben, da die ionisierenden Strahlen innerhalb des organischen Materials praktisch unabh /~ng ig von der chemischen Konstitution der betroffenen Strukturelemente wirken. Bei Ultraviolett-TStung haben wir k e i n e MSglichkeit einer geometrischen Gestaltsanalyse des strahlenempfindlichen ,,Steuerungszentrums" der Zelle ; aber statt dessen kann uns hier die W el le n- l s der T6tungswirkung Aufschlu6 vermitteln fiber die Frage, welche e h e m i s c h e S t r u k t u r die MolekSle besitzen, welche die Ab- sorption der letal wirkenden Lichtquanten vollziehen.

Obwohl nur wenige Untersuchungen vorliegen betreffs der Absterbe- statistik von Bakterien unter ultravioletter Bestrahlung, gibt es andererseits sehr viele Untersuchungen, welche miter Verzicht auf eine ausffihr]iehere Ver- folgung dieser Absterbestatistik (Exponentialgesetz, bzw. entspreehend kompliziertere Gesetzm/~9igkeiten bel ,,Mehr-Treffer-TStung") die E m p f i n d l i c h k e i t (definiert z .B. als reziproker Wert der Halbwertsdosis) in ihrer Abhs von der W e l l e n l ~ n g e studiert haben. Das sehr umfangreiche Material soli hier nicht ausfiihr]icher besprochen werden, da wir es kfirzlich an anderer Stelle referiert haben ( J o r d a n 1939a). Die Ergebnisse einer kritisehen Wertung k6nnen folgendermal]en zusammengefaBt werden:

1. Es besteht fiir alle untersuehten Objekte, d. h. eine ganze Reihe von Bakterienarten, und aul]erdem auch andere Ze]len, wie Hefe, Euglena, Paramae- cium, Rhizopus nigricans (Sporen), ann~he�9 dasselbe ,, T 6 t u n g s s p e k t r u m".

2. Dieses TStungsspektrum stimmt bis zu Wellenli~ngen von etwa 2200 A herunter ann~hernd mit dem A b s o r p t i o n s s p e k t r u m der N u k l e i n s g u r e fiberein.

Datait haben wir ein sehr geschlossenes Gesamtbild erreieht: Wir ent- nahmen fr/iher aus den W y c k o f f s c h e n Befunden, dal] die Ultravio]ett-TS0ung bewirkt wird durch eine e inz ige hv-Absorption. Wir sind jetzt imstande, die tSdlich wirkende h i-Absoiption n~her zu lokalisieren: sie gesehieht offenbar in der N u k l e i n s g u r e des Z e l l k e r n s (oder kernartigen K6rperchens), in welchem wir andererseits auch die t6dlieh wirkende einzelne Ionisierung als wirksamen Tre�9 der R6ntgentStung lokalisiert hatten.

Literatur

Die mit * bezeichne™ Arbeiten enth~lten weitere ausftihrliche Angaben insbesondere auch betreffs der im Obigen mitbenutzten, aber hier nicht aufgefiihrten strahlenbiologisehen Untersuchungen an anderen Organismen bzw. Zellen.

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Strahlenbiologie der Bakterien. Experiment und Theorie