OBER DEN ERREGUNGSVORGANG BEI SPIROGYRA UND VAUCHERIA UND OBER POTENTIALMESSUNGEN AN PFLANZENZELLEN

v0n KARL UMRATH (Aus dem Zoologisehen Institut der Universit/it Graz)

Mit 3 Textfiguren

Eingegangen am 30. Mat 1934

Meine Absicht war, die noch sehr sps Yfessungen des elektrischen Potent ia ls zwischen ether in eine Pflanzenzelle eingestochenen und einer im AuBenmedium befindliehen Elektrode durch Versuche an einigen weiteren Ob- j ek ten zu ergi~nzen und zu untersuehen, ob ~hnlich wie bet Nitella, dutch charak- teristisehe Ver~tnderungen dieses Potent ia ls nach Reizen Aufschlul~ fiber den Erregungsvorgang solcher Zellen zu gewinnen ist.

Die Methodik war ~hnlich der in meinen Untersuehungen an NiteUa (7, 8 und 9). Die aus Glas hergestellten Elektroden hatten Ag-AgC1-Ableitung und waren mit w~Briger KC1-LSsung geffillt, meist 0,1 n, nur in einigen Versuehen an Spirogyra 0,01 n. Zu ihrer Ffihrung diente ein Mikromanipulator yon Zeiss. Die eine Elektrode mit relativ groBem Spitzendurehmesser tauehte in das AuBenmedium, die andere mit 3--7 ~ ~uBerem Spitzen- durchmesser wurde yon oben in die zu untersuchende Zelle eingestoehen. Der yon ihr ab- gehende Draht war nur fiber Bernsteinisolationen geffihrt und konnte mit der Nadel des zur t)otentiMregistrierung verwendeten Lindem~nn-Elektrometers yon Spindler & Hover ver- bunden werden. Elektrodenspitzen yon weniger als 3 ~ erwiesen sich Ms zu biegsam, mit solchen tiber 7 ~ war ein Einstich m6glich, doch trat keine Erhohng ein, d. h. das Potential stieg nach dem Einstich nieht an oder erreiehte doch nicht den bet geeigneten Elektroden dureh l~ngere Zeit zu beobaehtenden Wert yon etwa 100 Millivolt.

Da ich aus un t en mi tzute i lenden Gri inden annehme, dag die Spitze meiner eingestochenen Elektrode immer yon Pro toplasma umgeben war und das Po ten t ia l des Protoplasmas gegen das Augenmed ium seinen Sitz in dessen Grenzschicht, im PlasmMemma, haben mug, so will ich im folgenden vom , ,PlasmMemma- po ten t ia l " sprechen.

V a u c h e r i a

Versuehspflanzen waren Vaucheria sessilis DC yon einem wasserfiber- flossenen Stein und Vaucheria uncinata K fi t z i n g aus einem rasch f l iegenden Bach. Ich brachte kleine Stiicke der Rasen auf e inen Objekttr/~ger in e inen gro•en Wasser t ropfen und ws zum Eins t ich dicke F~den meis t yon fiber 100# Durchmesser aus. Die eben eingestochenen Elek t roden zeigten negat ive Poten- t ime yon etwa 20 bis 50 Millivolt. I n vielen Fs n a h m e n diese durch einige M i n u t e n noch etwas zu oder bl ieben in der ursprfinglichen HShe erhMten,

Protoplasma. XXII 13

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um sparer wieder abzunehmen. In anderen Fallen, von denen ich im ganzen 13 beobachtet habe, nahm die eingestochene Elektrode im Laufe yon 3 bis i8 Minuten ein welt hSher negatives Potential an, das sie 10 bis 30 Minuten mit nur sehr geringen Sehwankungen oder ganz allmahlicher weiterer Zunahme beibehielt. Die genannten 13 Versuche ergaben bei einer mitt leren Temperatur von 17 ~ C ein mittleres Plasmalemmapotential yon 87 Millivolt mi t Extremwerten yon 125 und 70 Millivolt. Der Untersehied zwischen diesen Versuchen und den erst- erws ist ein solcher, dal~ es kaum jemals zweifelhaft war weleher Gruppe ein best immter Versuch angehSrte.

Ahnlich wie ich das ffir Nitella beschrieben habe (7, 8), ergaben sich aueh bei Vaucheria Anzeichen der Bildung einer selektiv kationenpermeablen Membran in und um die eingestochenen Elektrodenspitzen. Eine aus der Zelle heraus- gezogene Elektrode zeigte in Wasser, nicht abet in 0,1 n KCI, gegenfiber der nicht zum Einstich benutzten gro•en Elektrode ein negatives Potential, das oft etwa 20 Millivolt, naeh lgngerer Verwendung der Elektrode mitunter auch welt mehr betrug. In einzelnen Fallen bewirkte bei einem geringen Potential yon etwa 30 Millivolt einige Minuten nach dem Einstich leichtes Heben der Elektrode eine starke Zunahme desselben auf etwa 100 Millivolt und ahnlich k6nnen leichte Erschtitterungen wirken, auch an Elektroden, an denen das Potential schon zuriickgeht. Ahnliehes habe ieh auch fiir Nitella beschrieben (8, S. 175) trod auf ein Zerrei~en der die Elektrode abkapselnden Membran zurfickgefiihrt. Das oft nur geringe Potential und der schliel~liche Potentialrfickgang bei anfanglich hohen Plasmalemmapotentialen diirften nur zum geringsten Teil auf Zellschadigung beruhen und zum grS~ten darauf, daI3 die selektiv kationenpermeable Membran nicht nur in der Elektrodenspitze gebildet wird, sondern diese ganz umgibt und gegen das Protoplasma abkapselt. An Nitella t r i t t dies allerdings erst einige Tage naeh dem Einstich auf oder an Elektroden, deren Ffillung die Membran- bildung (Plasmalemmabildnng) besonders fSrdert.

Uber den Einflu6 yon KC1 im Au~enmedium habe ich nur wenige Versuehe ausgeffihrt, doeh scheint der sich im Laufe einiger Sekunden abspielende Poten- tialrfickgang bei 0,1 n KC1-LSsungen das Potential nahezu oder ganz zum Ver- schwinden zu bringen.

Zur Erregungsausl5sung und Untersuchung der AktionsstrSme habe ich 0ffnungsinduktionsstrSme angewandt, welehe durch in das Wasser tauchende Platinelektroden mSglichst so zugeleitet wurden, dab der untersuchte Vaucheria- Faden der Lange nach durehstrSmt wurde. Wenn das Plasmalemmapotential den oben erwahnten Wert yon etwa 87 Millivolt angenommen hatte, waren die AktionsstrSme immer ohne weiteres kenntlich; unterschwellige Reize, also ent- weder absolut schwachere oder zur Zeit herabgesetzter Erregbarkeit wenige Minuten nach einem abgelaufenen Aktionsstrom angebrachte, ergaben entweder iiberhaupt keine kenntlichen Elektrometerausschlgge oder nur ganz geringffigige und kurz dauernde. Das Ausmal~ des Aktionsstroms schwankte je nach dem Zu- stand der Zelle zwischen 20 und 100 Millivolt; Werte um 40 bis 50 Millivolt waren h~ufig. Der wi~hrend des Aktionsstroms bestehen bleibende Rest des Plas- malemmapotentials betrug 20 bis 60, meist 30 bis 50 Millivolt. Das Verh~ltnis

1Jber den Erregungsvorgang bei Spirogyra und Vaucheria usw. 195

des durch den Aktionsstrom riickgs gemachten Teils des Potentials zu dem bestehenbleibenden war 5 : 1 bis 1 : 3. An gut erholten Zellen mit hohem Plasma- lemmapotential war auch der Anteil des Aktionsstroms groB, und dieser EinfluB erscheint so stark, dab ieh nicht well3 ob man annehmen soll, dab der Aktions- strom an ganz intakten Vaucheria-Fs das Plasmalemmapotent ia l vollstAndig oder nur zum grol~en Teil rtickggngig macht. Ein EinfluB der t~eizst~rke auf das AusmaI~ des Aktionsstroms ist aus meinen Versuchen nicht ableitbar, doch gestat ten sie nicht, diese Frage definitiv zu beantworten.

Die Anstiegszeit des Aktionsstroms ergab sieh aus 16 Versuchen bei etwa 17 ~ C im Mittel zu 0,8 Sek. mit Extremwerten yon 1,0 und 0,4 Sek. Die Gesamt- dauer des Aktionsstroms war viel s tarker variabel. Ws an Vaucheria- F~Lden in gutem Zustand nach schwachen Reizen 2 bis l0 Sekunden fiir die Dauer des Aktionsstroms angenommen werden kSnnen, dauert die Wiederherstellung des Plasmalemmapotentials in anderen Fs besonders naeh wiederholter Reizung oder nach st~rkeren l~eizen mit sch~digender Neben- wirkung, gut zehnmal so lang. Auch die Form des Aktionsstroms ist verschieden, indem dem Maximum entweder ein zun~ehst steiler und sps immer flacher werdender Abfall folgt oder ein zuns nur ganz allm~hlich abfallen- des Plateau, das erst in den steileren Abfall iibergeht, wie dies Fig. 1 zeigt.

Fig. 1. Vaucheria uncinata. 20. III. 34; 16,50 C. 17 Minuten nach dem Einstich der Elektrode mit 5 ~ul~erem Spitzendurchmesser. Ei- chung 0,1 Volt, Aktionsstrom durch einen 0ffnungsinduktionsschlag aus- gel6st, Nullstellung des Elektro- meters. Unten Zeitmarken Sek.,

10 Sek. starker markiert.

S p i r o g y r a R e i n h a r d i i ?

Die verwendeten vegetativen Zelien yon Spirogyra Reinhardii ? waren l l 0 - - 1 1 8 / t breit. Zum Einstechen der Mikroelektrode war es vor- teilhaft, einen Zellfaden auf einen Objekttrgger in einen kleinen, sehr flach ausgebreiteten Wassertropfen zu bringen und erst nach dem Einstieh mehr Wasser zuzusetzen. Die Einstellung des Potentials naeh dem Einstich war ganz /~hnlieh wie oben fiir Vaucheria beschrieben. Auch bei Spirogyra war das Zellinnere immer negativ. Vom 1. bis 17. Januar 1931 ist es mir in sehr vielenVersuchen nur einmal gelungen, ein hohes Plasmalemmapotent ial yon 92 Millivolt und einen Aktionsstrom zu beobachten; sonst erreichte das Potent ial nur 30 bis 55 Millivolt mit allen Zeichen einer Membranbildung um die Elektrode (8, S. 187). Vom 16. M/irz bis 4. Apri l 1934 konnte ich in 9 weiteren Fgllen Potentiale um 100 Millivolt messen und 13 AktionsstrSme registrieren. Dieser bessere Erfolg dfirfte grSBtenteils auf meiner in der zweiten Versuehsperiode grSl]eren Ubung in der Herstellung und t tand- habung der Mikroelektroden beruhen. Freilich fiihrten aueh je tz t die meisten Versuehe nur zu niedrigen Potentialen mit Zeichen der Membranbildung, die bei Spirogyra noch leichter und ausgiebiger aufzutreten scheint als bei Vaucheria.

13"

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Mitunter bewirkte dann tieferes Einsteehen oder eine leiehte Erschtitterung der Elektrode eine Potentialzunahme; starke Erschiitterungen bewirken an allen Objekten Potentialabnahme. Wenn dureh den Einstich eine Chloroplasten- kontraktion ausgelSst wurde, stieg das Plasmalemmapotential nach demselben meist nicht oder kaum mehr an oder der Anstieg erfolgte doeh viel langsamer als an Zellen ohne siehtbare Ver~tnderungen. Ein niedriges Potential kann also nieht nur auf Abkapselung der Elektrode sondern auch auf Sch/~digung der Zelle beruhen. Die F/~lle mit hohem Potential waren aueh bei Spirogyra so gegen die mit niedrigem abgegrenzt, da{~ es kaum jemals zweifelhaft war weleher Gruppe ein bestimmter Fall angehSrte. Das hohe Plasmalemmapotential wurde in 5 bis 30 Minuten erreicht und bis zu 30 Minuten beibehalten. Die l0 beobachteten F~lle ergaben bei einer mittleren Temperatur von 17 ~ C ein mittleres Plasma- lemmapotential von 103 Millivolt mit Extremwerten von 164 und 82 Millivolt.

Der EinfluIt von KC1 im Aul~enmedium war so wie fiir Vaucheria sehon besehrieben.

Zur ErregungsauslSsung ffir die Untersuehung der Aktionsstr5me habe ich entweder 0ffnungsinduktionsstrSme oder Abktihlung durch Wasser von 0 ~ C angewandt. Die 0ffnungsinduktionsstrSme wurden entweder durch Platin- elektroden oder durch Ag-AgC1-0,1 n KC1-Elektroden mit feinen Spitzen, die in das umgebende Wasser tauchten, zugeleitet. Das Induktorium mul~te immer mit Eisenkern verwendet werden, da zur ErregungsauslSsung weir hShere Reiz- st~rken notwendig waren als bei Vaucheria oder gar bei Nitella. Wie bei Vaucheria riefen unterschwellige Reize entweder iiberhaupt keine kenntliehen Potential- ~nderungen hervor (Fig. 3a), oder doch so geringe und kurzdauernde, dab sie leicht yon Aktionsstr5men zu unterscheiden waren.

Das Ausma~ der AktionsstrS,ne war 27 bis 86, meist 40 bis 60 Millivolt, der w~hrend des Aktionsstroms bestehenbleibende Rest des Plasmalemma- potentials betrug 28 bis 78, meist etwa 40 Millivolt. Im Mittel war der Aktions- strom 1,2mal so groI~ als der bestehenbleibende Rest des Potentials, in den Extremf/~llen war das Verh~ltnis des Aktionsstroms zum Restpotentials 2 : 1 und 1 :3 . Aus diesem einigerma~en konstanten Verhalten darf man wohl sehlieBen, dal] der Aktionsstrom aueh an ganz intakten Spirogyra-Zellen bei 170 C nur einen Teil des Plasmalemmapotentials rfickg~tngig macht, s wie bei Nitella unterhalb 8 o C (10). Das AusmaB des Aktionsstroms ist vom Zustand der Zelle, nieht aber von der I~eizst~rke abh/~ngig, zu mindest solange diese nicht so tiberm/~{~ig hoch ist, dal~ sieh ihre schs Wirkung durch ungeheure Ver- 1/~ngerung des Aktionsstroms zu erkennen gibt.

Die Anstiegszeit des Aktionsstroms war bei elektrisehen Reizen bei etw~ 17 ~ C im Mittel aus 10 Bestimmungen 0,74 Sek. mit Extremwerten yon 1,3 und 0,4 Sek., bei Reizung mit Wasser yon 0 ~ C im Mittel yon 3 Bestimmungen 1,4 Sek. mit Extremwerten yon 1,6 und 1,1 Sek. (Ein vierter Aktionsstrom wurde nur subjektiv beobaehtet und seine Anstiegszeit nieht gemessen.) Offenbar wirkt das kalte Wasser nicht nur als Reiz, sondern verlangsamt aueh den Ablauf des Aktionsstroms dureh Senkung der Temperatur der Zelle. Entspreehendes

[~ber den Erregungsvorgang bei Spirogyr~ und Vaucheria usw. 197

habe ich auch ffir IVitella beschr ieben (7, S. 595) und es is t aus Fig . 11 der un te r (9) z i t ie r ten Arbe i t gut zu ersehen.

Die F o r m des Akt ionss t roms von Spirogyra i s t bei schwaehen Reizen recht e inhei t l ich: wie auch Fig. 2a und 3b zeigen, folgt dem M a x i m u m ein zungchs t s te i ler und allmi~hlich immer f laeherer Abfall . Die G e s a m t d a u e r des Akt ions- s t roms is t nach schwachen Reizen e twa 7 Sek., nach s t a rken oder in Abst~tnden von wenigen Minuten wiederhol ten infolge des l angsameren P~tickganges ls

Besonders beach te t habe ich auch die Ch lo rop la s t enkon t rak t ion und ihr Verh/t l tnis zum Akt ionss t rom. Mit dem b inokula ren Mikroskop lieg sich bei 51- oder 102facher Vergr6gerung an al len 6 Zellen, an denen ieh bei e lekt r i schen Reizen Akt ionss t r6me regis t r ier t habe, feststel len, dab bei wenig i ibersehwell igen Reizen nicht die ger ingste Chloroplas tenver lagerung auf t ra t . I n einem Full habe ich die Zelle nach dem Herausz iehen der Mikroe lek t rode bei 250fa the r Vergr6gerung beobaeh te t ; sie war an der gebr/~unten Eins t ichs te l le kennt l ieh

Fig. 2. Spirogyra Reinhardii? 21. I I I . 34; 17,50 C. a 20, b 25 Minuten nach dem Einstich der Elektrode mit 5 ~ ~uBerem Spitzendurchmesser. Zun/~chst Eichung 0,1 Volt, dann Ak- tionsstrom, ausgelSst durch einen 0ffnungsinduktionsschlag, a wenig iiberschwellig, b doppelt so stark wie in a, schlieglich Nullstellung des Elektrometers. a keine Chloroplastenkontrak- tion, b Chloroplastenkontraktion in der Zelle, yon der abgeleitet wurde, und in sehr vielen Nachbarzellen. Unten Zeitmarken Sek., 10 Sek. starker markiert. Die kleinen Zacken, die bier und in Fig. 3 vor und nach EinschMten der Eichspannung und vor uncI nach Ein- sehalten der Elektrometcrnullstellung zu erkennen sind, sind Influenzwirkungen der bei

diesen Manipulationen notwendigen K6rperbewegungen.

und zeigge keiner le i Chloroplas tenver lagerung. Mi tun t e r t r a t in solchen Zellen des F~dens, die den E lek t roden besonders nahe waren und welche daher m i t h6herer S t romdieh te gereizt wurden als die Zelle yon der abge le i te t wurde, Ch lorop las tenkon t rak t ion ein. D a die Daue r der Versuche beschrgnk t war, weil das hohe P l a s m a l e m m a p o t e n t i a l meis t n ieht al lzul~nge e rha l t en bl ieb und sehon zum Aufsuehen der angengher ten Reizsehwelle einige Zei t ve rb raueh t wurde, babe ieh nur zwei Versuehe so weir for tgeft ihr t , dab es zur Chlorop las tenkont rak- t ion in der Zelle, yon weleher abge le i te t wurde, kam. I n dem in Fig. 2 wieder- gegebenen Versueh wurde dies du tch Erh6hung der Reizst/~rke, in dem in Fig . 3 wiedergegebenen du tch in kurzen In te rva l l en wiederhol te Reizung bewirkt .

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I~ach j edem l~eiz, der eine Ch lo rop las t enkon t rak t ion ausl6ste, folgte, wie auch aus Fig. 2b und 3e ersichtl ich, auf den ans te igenden Tell des Akt ionss t roms in den ers ten Sekunden gar kein oder nur ein min imale r Abfal l ; ein deut l icher Ri ickgang t r a t erst nach einigen Minuten ein und war z. B. in dem Versuch der Fig. 3e ers t nach 10 Minuten zum gr6Bten Teil beendet . Diese auBerordent l ich sp~te Wiederhers te l lung des normalen P l a sma lemmapo ten t i a l s beweist meiner Ansicht nach, dab die zur Ausl6sung der Ch lo rop las tenkon t rak t ion no twendigen s ta rken Reize die Zelle sch/idigen, wenn auch oft in noch revers ibler Weise.

So k6nnen auch die yon L. und M. L a p i c q u e an Spirogyra ausgeft ihr ten Chronaxiebes t immungen (5), welche die Ch lo rop las t enkon t rak t ion als I n d i k a t o r verwandten , n ich t den Er regungsvorgang der Zellen betreffen. Chronaxie- bes t immungen mi t dem Akt ionss t rom als I n d i k a t o r waren leider aus technischen Gr/ inden n icht durchf i ihrbar .

Schlie6lich habe ich an Spirogyra noch Versuche angeste l l t um festzustel len, ob der Er regungsvorgang mi t e iner durch Fa rbs to f f au fnahme nachweisbaren

Fig. 3. Spirogyra Reinhardii ? 21. III . 34; 17 ~ C. AuBerer Spitzendurchmesser der ein- gestochenen Elektrode 5 ~. a - -d zun~chst Eichung 0,1 Volt, dann a--e Wirkung des Off- nungsinduktionsschlags, sehlie61ich Nullstellung des Elektrometers. a uuterschwelliger l~eiz, b--e etwa doppelt so starker, iiberschwellliger t~eiz, b 5 Minuten nach a, c 2 Minuten nach b, d 11/~ Minuten nach c, e ~/4 Minuten nach d. a - -d keine Chloroplastenkontraktion in der Zelle yon der abgeleitet wurde; d erste Chloroplastenkontraktion in einer entfernteren Fadenzelle. e Chloroplastenkontraktion in der Zelle vonder abgeleitet wurde und in vielen sonstigen Zellen des Fadens. Das ursprfingliche Potential war erst nach 10 Minuten einiger-

maven wiederhergestellt. Unten Zeitmarken Sek., 10 Sek. st/~rker markiert.

Pe rmeab i l i t~ t szunahme ve rbunden ist. Bekann t l i ch wurde yon B a n u s (1) gezeigt und sp~ter yon G i c k l h o r n und D e j d a r (2) und von H S b e r (4) neuerl ich festgestel l t , daft eine l~ngere e lektr ische Durchs t rSmung zu einer durch Farbs tof f - aufnahme nachweisbaren, revers ib len Permeabi l i t~ t s s te ige rung fi ihren kann. Abgesehen davon, da6 diese Au to ren etwas vone inander abweichende Auffas- sungen ver t re ten , s ind mi r auch ihre exper imente l len Befunde n icht ganz k la r geworden. Ich ersehe nicht , ob H S b e r Cyanole in t r i t t in Zellen beobach te t ha t , die wirkl ich keine s ich tbaren Ver~nderungen e r l i t t en haben und ich kann aus keiner Arbe i t ersehen, woraus die s ich tbaren VerSmderungen in allen F~l len bes tanden. I ch habe die e lektr ische Reizung so durchgef i ihr t wie in den Versuchen, in denen ich Akt ionss t rSme abge le i t e t habe, nur befand sich der Spirogyra- F a d e n j e t z t s t a r t in Wasser in 0,1 ~o Cyanol. Die Zahl der Reize war 6, der Ab-

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stand zwischen zwei Reizen 3 Minuten, die Einwirkungszeit des Cyanols 20 Mi- nuten. Die l~eizstarke wurde so gew/ihlt, dab einige Zellen keine sichtbaren Ver/~nderungen zeigten, andere, den Elektroden naher gelegene, alle Grade der Chloroplastenkontraktion. Diese begann immer am kathodischen Ende der Zelle. Nach ~ber t ragung des Zellfadens in Wasser zeigte sieh, da6 die Zellulosemem- branen aller Zellen gef~rbt waren, besonders stark einzelne Quermembranen, und da~ die durch friihere Manipulationen mit der Pinzette geschadigten Zellen sowie einzelne a us der unmittelbaren N~he der Elektrode mit maximaler Chloro- plastenkontraktion gefarbt waren. Alle Zellen ohne Chloroplastenkontraktion und alle mit gering gradiger oder mittlerer waren ganz ungefiirbt. Plasmolyse mit 8 ~ CaC12 lie6 keine weitere Anfitrbung erkennen; die Plasmolysierbarkeit schien in einigen ungef~rbten Zellen mit mittlerer Chloroplastenkontraktion zuriickgegangen, in den gef~rbten zurfiekgegangen oder geschwunden. DaB ich eine Farbstoffaufnahme im Gegensatz zu bisherigen Untersuchern erst bei hoch- gradiger Chloroplastenkontraktion beobachtet habe, kann darauf beruhen, dab die gesamte DurchstrSmungsdauer in meinen Versuchen, durch die Anwen- dung von InduktionsstrSmen nur Bruchteile einer Sekunde betrug, wahrend sonst durch viele Minuten durchstr6mt wurde. Die dabei beobachtete Farbstoff- aufnahme mug auf einer direkten Stromwirkung beruhen. Jedenfalls zeigen meine Versuche, dal~ wiederholte Erregungsvorg/inge keine Cyanolaufnahme ermSglichen und dal~ selbst Reize, die schwache oder mittlere Chloroplastenkontraktion aus- 16sen, die also so stark und frequent sind, dag man annehmen mu6, sie h~tten das Plasmalemmapotential durch die ganze Versuchszeit yon 20 Minuten weir- gehend reduziert, dazu nicht imstande sind. Ubrigens sind sowohl sehon Gick l - h o r n und D e j d a r (2) als auch H 6 b e r (4) zu der Ansicht gekommen, da[i die reversible Farbstoffaufnahme nicht Begleiterscheinung des normalen Erregungs- vorganges ist. Der Ansicht H 6 b e r s , da6 die Versuche von Sen (6) fiir eine Permeabili tatszunahme bei der Erregung yon Nitella beweisend sind, kann ich mich aber nicht anschlieBen; ich habe ausfiihrlich in einem Referat in dieser Zeitschrift (16, 631, 1932) dargelegt, warum diese Versuche nicht beweisend sind.

Pol lensehl / i , u e h e v o n Tul ipa

Meine Absicht war, die seinerzeitigen Versuche von G i c k l h o r n und mir (3) mit der seither verbesserten Methodik und erhShten I~lbung zu wiederholen. Eine L6sung yon 12 ~o Rohrzucker und 2 ~ Agar wurde warm in diinner Schicht auf Objekttr/~ger aufgebracht. Nach dem ErkMten wurden einige Narben- stiickchen aufgelegt und Pollen aufgestreut. Die Objekttr/iger kamen dann in feuchte Kammern fiber l ~oige NaC1-L6sung. Nach einigen Stunden oder am ns Tag, wenn reichlich Pollenschl/~uche vorhanden waren, wurde ein Objekttr/~ger mit einem Tropfen 0,1 n KC1 zum Eintauchen der gr6geren Elek- trode fiir den Versuch auf den Mikroskoptisch gebracht. Die ffir den Einstich best immte Elektrode hat te einen /~ugeren Spitzendurchmesser yon 3 - - 5 / t gegenfiber 12--20/~ in unseren seinerzeitigen Versuchen. ])as Innere der Pollen- schl/~uche ergab sich auch diesmal immer Ms elektrisch negativ gegeniiber dem

200 Umrath

Augenmedium. Das Einsteehen in die Pollensehl~uehe war sehwerer als in die oben besproehenen Algenzellen und das Potential sank naeh einem kurzen Anstieg immer naeh wenigen Minuten wieder ab. In meinen besten Versuehen habe ieh je zweimal 20 und 25 und einmal 45 Millivolt gemessen. Diese Werte sind den hSehsten seinerzeit yon uns gemessenen sehr/~hnlieh (3). Neu ist meine Beob~eh- tung, dab sieh aueh in Elektroden die in Pollensehl~uehe von Tul@a eingestoehen sind, sogar sehr rasch und ausgiebig selektiv kationenpermeable Membranen bilden. Naeh meinen Erfahrungen an Nitella, Vaucheria und Spirogyra muB ieh annehmen, dab die bisher an Pollensehl/~uehen von Tulipa gemessenen Poten- tiale noeh wesentlieh niedriger sind als die, welche dem Protoplasma des normalen, intakten Pollensehlauehes zukommen, denn wenn ieh mit relativ ebenso groben Elektroden, wie ieh sie hier verwenden muBte, in die obengenamlten Algenzellen eingestoehen habe, habe ieh entweder auch keine hSheren Potentiale gemessen, oder diese stellten sieh doeh erst naeh mehr als 5--10 Minuten ein, und zu dieser Zeit gingen die Potentiale der Pollensehls sehon wieder zuriiek, entweder dureh Schs dureh den Einstich oder durch die Membranbihtung an den Elektroden. Die Versuehe an Pollensehl/s sind aber von Wert, weil es bei ihnen als sieher gelten kann, dab sieh die eingestochene Elektrode im Protoplasma befand.

Helodea densa

An Bl~ttern von Helodea de,usa habe ieh an Epidermiszellen eine grSBere Zahl yon Versuehen ausgeftihrt. Das negative Potential der eingestoehenen Elektrode nahm oft, wie in giinstigen F/tllen bei NiteUa, unmittelbar beim Ein- stieh nahezu seinen definitiven Wert an. Ersehwerend war die hohe Ersehiit- terungsempfindliehkeit, die vielleieht mit der groBen Masse des ganzen Blattes zusammenh~ngt; die angestoehene Zelle kann jedenfalls den Bewegungen der Elektrode nieht so folgen, wie die yon mir untersuehten Algenzellen.

Im Mittel von 17 Versuehen ergab sieb das Plasmalemmapotential zu 104 Millivolt mit Extremwerten von 80 und 150 Millivolt. 0ffnungsinduktions- sehl~ge bedingten, wenn sie sehr stark waren, Potentialsenkungen, die meist nieht den Eindruek vol~ AktionsstrSmen maehten. In einigen Versuehen habe ieh aueh w~hrend des Einst, iehs registriert und im Gegensatz zu ~hnliehen Vet- suehen an Nitella dabei keine erkennbaren AktionsstrSme verzeiehnet. Ieh mSehte aber aus diesen Befunden noeh nieht unbedingt auf Unerregbarkeit der Epidermis- zellen yon Helodea sehlieBen, denn es ist nieht nut m6glieh, sondern sogar wahr- seheinlieh, dab die einzelnen Zellen nieht nut ein bestimmtes Potential gegen das umgebende Wasser ausbilden, sondern aueh direkt gegen die benaehbarten Zellen ohne Zwisehenwirkung interzellul/~ren Wassers. So wfirde das Potential einer Zelle gegen Wasser nieht nur dutch diese selbst aufreehterhMten, sondern indirekt aueh dureh die sonstigen n~heren und weiteren Zellen des Blattes. Es w~re dann verst/~ndlieh, dab man unmittelbar naeh dem Einstieh sehon nahezu d~s definitive Potential miBt, abet keinen dureh den Einstieh bedingten Aktionsstrom, da die Naeh barzellen j a nieht erregt werden. Elektrisehe Reize sind, wenn die Epidermis-

Uber den Erregungsvorgang bei Spirogyra und Vaucheria usw. 201

zellen fiberhaupt erregbar sind, vielleicht schwer so zu dosieren, dab Mle Epi- dermiszellen erregt, aber doch nicht so gesch/s werden, dab ihr Potential ffir 1/ingere Zeit stark zurfickgeht.

Auch in den Versuchen an Helodea-Zellen hat sich, wie schon seinerzeit erwahnt (8, S. 187), an eingestochenen Elektroden eine selektiv kationenpermeable Membran gebildet.

S c h l u B b e t r a c h t u n g e n

An allen yon mir untersuchten Pflanzenzellen zeigte eine eingestochene Elektrode ein negatives elektrisches Potential gegeniiber einer im Auitenmedium. Das iiberall sehr ahnliche Verhalten, insbesondere in bezug auf die Membran- bildung an den Elektroden, l~tBt vermuten, dab die eingestochene Elektrode sieh in allen Fallen im Protoplasma befand, was fiir Pollenschlauehe von Tulipa einigermaBen sieher ist (3) und wofiir bei Nitella gewisse Beobaehtungen sprechen (7, S. 583f. und 8, S. 181ff.). In allen Fallen, in denen Messungen dutch viele Minuten mSglich waren, stellten sich PlasmMemmapotentiMe von etwa 100 Milli- volt ein; Vaucheria, Spirogyra, Nitella (7), Helodea. An Nitella fiber noeh 1/ingere Zeit und unter gfinstigen Umsti~nden ausgefiihrte Messungen (9, 10) ergaben noch etwas hOhere Potentiale, die in ihrer Temperaturabh/tngigkeit aus meiner letzten Arbeit (10) ersichtlieh sind und vielleieht den anderen Pflanzenzellen in un- verletztem Zustand in i~hnlicher Weise zukommen.

Ieh mSchte hier daran erinnern, dab die yon O s t e rh o u t und Mitarbeitern und von B l i n k s an Valonia und Halicystis ausgefiihrten Untersuchungen (Journ. of gen. Physiol.) mit sicher in den Zellsaft eingestochenen Elektroden ganz andere elektrische PotentiMe, oft aueh yon anderem Vorzeichen und keine Membranbildung an der eingestochenen Elektrode ergeben haben.

Die AktionsstrSme yon Spirogyra und vielleicht aueh die von Vaucheria machen das PlasmalemmapotentiM nur zum Teil riickgangig, wie das bei Nitella nur bei niederen Temperaturen, etwa unter 8 o C, der Fall ist. Die bei Vaucheria und Spirogyra etwa gleiehe Anstiegszeit des Aktionsstroms ist etwas kiirzer als bei Nitella bei gleicher Temperatur.

Eine Permeabilit~tssteigerung ws der Erregung ist bei Spirogyra durch Farbstoffaufnahme ebensowenig nachweisbar wie bei Nitella dureh Wider- s tandsabnahme (9).

Da das elektrophysiologische Verhalten von Nitella, Spirogyra und Vau- cheria recht ~hnlieh ist, ist es wahrscheinlich Ms typisch ffir SiiBwasseralgen anzusehen.

Zusammenfassung

An Vaucheria ergab sieh das Zellinnere zu etwa 87, maximal 125 Millivolt negativ gegenfiber dem AuBenmedium. Der Aktionsstrom maeht je naeh dem Zustand der Zelle dieses Potential zu einem versehieden grogen Teil voriiber- gehend rfiekg'~ngig, im optimalen Zustand der Zelle vielleieht zur G/~nze. Seine Anstiegszeit ist 0,8 Sekunden.

209, U m r a t h , [Jber den Erregungsvorgang bei Spirogyra und Vaueheria usw.

An Spirogyra ergab sieh das Zell innere zu e twa 103, m a x i m a l zu 164 Milli- vol t nega t iv gegentiber dem Au6enmedium. Der A k t ions s t rom mach t meis t e twas mehr als die H/~lfte dieses Po ten t ia l s vor i ibergehend rfiekg/~ngig. Seine Anst iegszei t i s t 0,74 Sekunden. Bei Anwendung yon I n d u k t i o n s s t r 6 m e n t re ten erste Anzeiehen der Ch lo rop las tenkon t rak t ion ers t bei s t~rkeren Reizen als Akt ionss t r6me auf; wenn Ch lo rop las t enkon t rak t ion e in t r i t t , i s t die Wiederher- s tel lung des Po ten t i a l s nach dem Ak t ions s t rom augerorden t l i ch verzSgert . Fa rbs to f faufnahnm in die Zellen t r i t t bei Re izung mi t 6 0 f fnungs indukt ions- sehl/s in 20 Minuten nur bei sehr hoehgradiger Ch lo rop las t enkon t rak t ion auf.

An Pollenschl/ iuehen von Tulipa ergab sieh das Zellinnere, hier wohl s icher das P ro top lasma , als nega t iv gegeniiber dem A u g e n m e d i u m ; die gemessenen Wer te , max imM 45 Mill ivolt , d i i r f ten dureh den Eingr i f f merkl ieh herab- gesetz t sein.

An Epidermisze l len yon Helodea ergab sieh das Zel l innere zu e twa 104, m a x i m a l zu 150 Mil l ivol t nega t iv gegentiber dem Au6enmedium.

Bei allen un te r such ten Zellen ergaben sich sehr deut l iehe Zeiehen der Bil- dung einer se lekt iv ka t i onenpe rmeab len Membran an der e ingestochenen Elek t rode .

L i t e r a t u r n a c h w e i s e

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