ZU DEN STREITFRAGEN ~ B E R DEN PHYSIKALISCHEN ZUSTAND DER ZELLE W~HREND DER MITOSE.

Von JOSEF SPEK, Heidelberg.

(Eingegangen am 27. Ju l i 1926.)

Uber die Formulierung der Probleme der physikalischen Zustands- iinderungen der mitotischen Zelle, welche ich in dem Bd. 101, S. 444 (1924) dieses Archivs erschienenen kritisehen Relerat angeregt hatte, ist eine lebhaite Diskussion entbrannt. In dieser Zeltschrift hat an sp~terer Stelle (1) L. V. HEILB~UNN, gegen dessen Interpre~ationen ieh in jenem Referat Opposition gemacht hatte, zu den Fragen Stellung genommen und versucht, im wesentlichen seinen alten S~andpunkt zu behaupten, t t ierzu nahm ich zun~ehst einen abwartenden Standpunkt ein, da ich selbst mit anderen experimentellen Arbeiten besch[tf~igt war, jede neue experimentelle Untersuchung fiber die mitotische Zelle abet neue ents'cheidende Momente fiir die im FluI~ befindliche Dis- kussion bringen konnte.

Einige solcher Arbeiten sind inzwischen erschienen. So haben neue Untersuchungeresultate des franzSsisehen Forschers F. VL]~S (2) eine neue Betrachtungsweise der Probleme er5ffnet. Vb~s untersuchte die Gestalt aufliegender Eizellen mit einem horizontalen Mikroskope yon der Seite durch eine dfinnwandige Kiivette und bestimmte ihre je- weilige Abplattung im Prinzip so, wie KASTkRI~E und QUINCKE in den klassischen Versuehen verfuhren, in denen aus der Gestalt, d .h . der Abweichung v o n d e r Kugelgestalt aufliegender Tropfen die Ober- fl~chenspannung der betreffenden Flfissigkeit bestimmr wurde. Der Verfasser versucht es auch, sich aus dem in den verschiedenen Stadien n~ch der Befruchtung sehr variierenden Grade der Abplattung ein genaueres Bild yon der GrS~e der Oberfli~chenkriifte und ihren Schwan- kungen zu machen. Diese Berechnungen freilich miissen einstweilen aus dem Grunde problematiseh erscheinen, weft im Vergleieh zu den Verh~ltnissen am toten Tropfen bei den komplizierten Zustands~nde- rungen der Eizellen zwischen und w~ihrend der Teilungen noch eine

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ganze Anzahl anderer Faktoren ffir die Zellgestalt bestimmend werden k6nnen: nicht nut die Oberfli~chenspannung, sondern auch die sich ~ndernde Viskositat der ganzen Eimasse, eine heterogene Beschaffen- heir der Oberfi~ehenschicht, eventuelI eine elastische Spannung der Oberfl~ehenschicht (wenn diese ein festes Hautchen darstellg), ein osmotischer (~berdruek (wenn die Oberflache zwischen den Mitosen wieder einigermal3en semipermeabel wird) und schlieglich Verflfissi- gungen und Verfestigungen der Oberflachenschicht allein. Wir miissen zun~chst einmal versuchen, jeden dieser Faktoren herauszuschalen und zu sehen, wie weir man mit seiner Messung kommt. So inter- essieren einstweilen viel mehr die Befunde yon VL~S fiber die Ab- plattung der Eier selbst.

Die Untersuehung der Abplattung der Seeigeleier in den versehie- denen Stadien nach der Befruehtung ergab: Eine relativ starke Ab- plattung (wie es scheint auch starker als bei den unbefruchteten Eiern) bis zu ca. 30 Minuten nach der Befruehtung. Dann ein starkes Ab- sinken der AbpIattungsfahigkeit mit mehreren kleineren Schwankungen in der Periode zwischen 50 Min. und 1 St. 30 Min. Das Minimum iallt in das Stadium naeh dem Auftreten der Spindel, abet noeh vor Ausbildung des fertigen Diasters. Mit dem fertigen Diasterstadium erfolgt dann wieder eine (naeh einigen Tabellenwerten sogar erstaunlich groge) Steigerung der Abplatgungstendenz, die bis zur Durchschniirung immer welter fortschreitet.

Der Kurvenverlauf der Abplattung stimmt recht gut iiberein mit den bekannten Schwankungen der Permeabilitat vor und w~hrend der Zellteilung: In den Stadien der auff~lligen Permeabilita~serh6hung naeh der Befruchtung und bei der Durchschniirung kann sich die Eizelle auf der Unterlage stark abplatten. Dies legt uns fiir das Seeigelei die einiachste Erkl~rung der Zusammenhgnge nahe: In den Stad~en gesteigerter Permeabiliti~t ist die Oberfli~ehenschicht offenbar wasser- reieher und weicher. Das Ei gibt der Schwerewirkung nach und sinkt auf der Unterlage starker zusammen. Verdichtet sich dann die Ober- fl~che wieder, so wird sie erstens schwerer durchl~ssig, zweitens wird hierdureh die MSglichkeit gegeben, dab ihre eigene elastisehe Spannung oder ein kleiner osmotischer ~berdruck ihr einen Spannungszustand verleiht, der yon der Schwere nieht mehr in dem Grade iiberwunden werden kann. Im Prinzip wiire natfirlich eine solche Wirkung auch yon einer Erh~ihung der Oberfl~ichenspannung, wie sie VL~s in Frage zieht, denkbar. Es fehlen aber Iiir diese Deutung einstweflen alle An- haltspunkte und sie wird auch durch andere Faktoren, wie wir weiter unten sehen werden, noch erschwert oder gar unwahrscheinlich.

Fiir das Zusammenfallen yon PermeabilitatserhShung und st~rkerer Abplattung lieBe sich also ein plausibter Grund finden. Wie steht es

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nun aber mit der HEILBI~UNNschen Auffassung, dab das Wesen der Zellteilung eine Koagulation des ganzen Zelleibes ist~. Soll ausgerechnet in diesem koagulierten Stadium des Eies im Gegensatz zu den nicht koagulierten Zwischenstadien eine st~rkere Abplattung mSglich sein? ])as ist ein offenkundiger Widerspruch!

HEILBRUNN ist ZU seiner Interpretation auf Grund seiner Beobach- tung gelangt, dab beim Seeigelei und den Eiern einiger anderer Formen abweiehend von den Verhhltnissen beim Froschei die Zentrifugierbar- keit der Granulen sehon kurz vor der Durchsehniirung wieder ausbleibt. Es ergaben sich sehr bald gewichtige Bedenken, ob man bei einem so komplizierten Bau einer Zelle wie beim Zustand der 5~itose hier so leichthin eine Koagulation des ganzen Zelleibes als Ursache ansehen diirfe, und diese Bedenken miissen in erhShtem Mai~e jetzt wiederholt werden. Irgendetwas muB ja wohl in dem Seeigelei vor der Durch- schnfirung vorhanden sein, was die freie Verlagerung der Granulen bei der Zentrifugierung behindert. Aber sind denn nieht bloB die Gel- strahlen des ausgebildeten groBen Diasters dieses Hindernis, w~thrend das plasmatische Medium, in welches sie eingebettet sind, sogar fliissiger ist als normalerweise? Die Abplattung des ZellkSrpers unter der Wir- kung der Sehwere und der Eindruek, den die Untersuchung mit den Mikronadeln in diesem Stadium erweckt, zeigen, daB, da aul~er der Gel- strahlenbildung noeh andere Zustandsi~nderungen vorliegen miissen, zu deren Aufdeckung die Zentrifugierung allein nicht geeignet ist. Inzwischen konnte ich auch noch an einem weiteren Objekt, dem Berogei, mit Dunkelfeldmethoden besonders drastiseh zeigen (3), wie auffi~llige Plasmaverschiebungen und Substanzverteilungen hier wie bei vielen andern mitotischen Zellen gerade w~ihrend der Zellteilung stattfinden, die natiirlich bei einem Gelzustand des ganzen Eies un- denkbar w~ren.

Zusammeufassend wollen wir feststellen, dab die~Untersuchung der Abplattung des Seeigeleies gleich nach der Befruehtung und wi~hrend der Durchschniirung zum gleiehen Befund fiihrt (in beiden Fi~llen ist die Abplattung eine grSBere als sonst), die Zentrifugierungsmethode dagegen ergibt ffir das erste Stadium Zentrifugierbarkeit, ffir das zweite, die Zelldurchsehnfirung, keine.

HEILBR.UNN hat keinen Grund zu der Ansicht, dab ich mit solehen Einw~nden, die zu Vorsicht und Kritik mahnen, einfa~h die Zentri- fugierungsmethode yon vornherein in MiBkredit bringe. Wie sehr die Zuriiekhaltung notwendig ist, zeigt ja auch der Befund von M. GOMPEL (4), aus dem hervorgeht, dab gerade das, was HEIL]3RVNN an der Mikro- dissektion bem~ngelt hat, ebenso auch flit die Zentrifugierungsmethode gilt, dab sehon durch die Zentrifugierung selbst Zustandsiinderungen der Zelle hervorgerufen werden. GOI~PEL wies an zentrifugierten Ulva-

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Zellen betr~chtliche Permeabilit~tssteigerungen nach. M5glich, dab an manchen Zeilen diese Plasma~nderungen das Zentrifugierungsergebnis nicht nennenswert beeinflussen, aber das wiirde ja vom Standpunkte I~EILBRUNNS n u r zeigen, dai] es eben auch Zust~nds~nderungen gibe, an welche wir mit der Zentrifugierungsmethode gar nieht herankommen. Trotz dieser Naehteile sind die Resultate beider Methoden mit Kritik doch sehr wohl verwertbar, da es ja meis~ nur auf Feststellung relativer Unterschiede ankommt.

Im iibrigen richtete sieh und richbet sich heute noch meine Oppo- sition weniger gegen die Methode als gegen zu wei~ gehende Sehlui3- folgerungen aus den Resultaten. Es ist bis heute noch nicht genauer untersucht, welche Zustands~nderungen des Plasmas alle eine Beein- flussung der Zentrifugierbarkeit verursaehen kSnnen. Das ist abet doch unbedingt notwendig, wenn man auch die mannigfach abges~uften Zu- stands~nderungen, welche durch Elektrolyte, Narkotika u. dgl. hervor- gerufen werden und fiir das gellteilungsproblem so wichtig sind, wie HEILBRUNN es rut, ausschliefilich mit der Zentrifugierung begutachten will. Hier sind der Zentrifugierungsmethode auch sehon insofern sehr enge Grenzen gezogen, Ms man alles, was OberflEehenwirkung ist, mit ihr gar nicht fassen kann. Dariiber ist gar keine Diskussion m6glich. HEIZBRUNN lieB aber (aueh jetzt noeh??) ffir seine Diagnosen nur das Schema gelten: Ist keine Zentrifugierbarkeit vorhanden, ist die Zelle koaguliert, ist sie vorhanden, ist das Plasma verfiiissigt. Wenn ich also z. B. schloB, das etwa CaC12 gerade infolge einer starken fi~llenden, abdichtenden Wirkung auf die Zelle meist durch die Oberflache gar nicht hindurehkommt, sagt ttEILBRUNN: Nein, CaC12 wirkt nicht koa- gulierend, es wirkt verfliissigend, denn es ruff ja kein Ausbleiben der Zentrifugierbarkeit hervor! Wie sehr ieh mit meiner Deutung recht behalten habe, zeigb auch die neue Un~ersuchungsserie y o n CHAMBERS

und REZNIKOFF (5) wieder. LieBen diese Forscher auf ihr Objekt CaCl2 oder MgC1, yon aul]en einwirken, so blieb das Plasma im Innern unver~ndert (Untersuehung mit Mikronadeln). Wurden die Salze da- gegen mit Mikropipetten in das Inhere der Zelle injiziert, so riefen sie eine grobe Koagulation hervor, welehe bei CaC1, lokal begrenzt blieb. Bei NaCl und KC1 sind die VerEnderungen des Plasmas un- gef~hr die gleiehen, gleichgiil$ig, ob sie von aul~en oder yon innen injiziert auf das Plasma einwirken. Die Salze dringen leicht in die Zelle ein.

Auch ffir die oben zitierten Betrachtungen yon l~. Vz~s wird ein Punkt yon groi3er Bedeutung, den ich in meinem ersten Referat gegen HEILBRUEN geltend gemaeht habe, n~mlich der, dai3 bei der h~ufig weitgehend gelierten Natur der Oberfl~ehenschicht die Wirkung der Oberfl~chenspannung weltgehend oder ganz ausgeschaltet sein kSnnte,

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so dab man doch vor solchen Diskussionen lieber einmM die Konsistenz dieser Oberfl~chenh~ute untersuchen sell. Dieser Einwand ist in gleicher Weise aktuell fiir die Oberfl~tchenspannungstheorien der Membranab- hebung bei der Befruchtung, als auch fiir die erw~hnten Abplattungs- erscheinungen der Eizellen und ihre Erkl/irung. HEILBRUNN beruft sich nun auf QUINCKE (6), der gezeigt haben sell, dab auch an Gallert- schl/~uchen, Niedersehlagsmembranen, erstarrten Schaumsystemen und ~hnlichem eine wirksame Oberfl~chenspannung zur Geltung kommt. In Wirklichkeit besehrieb QUXNCKE nut, dab bei allen diesen Systemen die charakteristische Gestalt durch Oberfl~chenspannung aufgepragt wurde, als 8ie bei ihrer Entstehung fli~ssig waren/ Diesen wesentlichen Naehsatz hat HEILBRUI~ jeweils (sogar im Tflel!) fibersehen und zitiert nun den Autor in ganz kontr~rem Sinne.

Geht man andererseits bei Berechnungen, wie sie VL~S anstellt, yon der Annahme aus, dab die jeweflige Gestalt der Eizelle in erster Linie yon der Elastizit~t der Gele des Eik~irpers bes t immt sein diirfte, so ergibt sich erst reeht wieder vor jeder quantitativen Betrachtungs- weise zuniichst die Frage: Was ist am Ei w~hrend der Entwieklung ein Gel, und was ist Sol? Die Frage eines Vikariierens zwischen Oberfl/~chenspannung und osmotischem Druck kann nut dutch quanti- tative Untersuchungen, nicht aber durch die von HEILBRUNN fliichtig in die Diskussion geworfenen Beispiele, an denen obendrein miiglicher- weise yon osmotischem Druck wegen der starken Permeabiliti~tssteige- rung durch die angewandten Medien kaum noch die Rede ist, ent- schieden oder beleuehtet werden.

In der Frage einer experimentellen Hemmung der Asterenbildung haben die l~arkotika immer eine grebe Rolle gespielt. H~IL~RUNN vertrat die Ansicht, dab die Narkotika die Asterenentwicklung dutch eine Verflilssigung der Kolloide hemmen. In meinem Referat habe ieh in keiner Weise Zweifel gei~ul~ert, dab man mit einer solchen Wir- kung der Narkotika iiberhaupt rechnen kann, ich ha~e ja sogar selbst auf die Untersuchungen yon J. TRAVBE hingewiesen, in denen auch an toten Kolloiden eine quellende Wirkung der :Narkotika festgestellt worclen war. Diese l~rage ist aueh in der Literatur viel zu alt, als dab man sie in dieser Weise so ganz nebenbei annehmen oder ablehnen kSnnte. Einzig und allein, ob ttEILBRUNN in den in Frage stehenden Versuchen fiir den speziellen Fall eindeutig bewiesen hat, dab eine verfliissigende Wirkung der Narkotika vorliegt, habe ich bezweifelt und tue es heute noch. Mit seiner Erwiderung auf diesen Punkt der Diskussion rennt HEILBRUNN ganz offene Tiiren ein.

W. Roux' Archly f. En twick lungsmechan ik ]~d. 108. 3,5

530 J . Spek: Zu den Streitfragen fib. d. physikalisehen Zustand der Zelle usw.

Literatur. 1. I t e i l b runn , L. V.: Colloidal change and mitosis. Areh.f.mikroskop. Anat.

u. Entwicklungsmech. 104, 313--316. 1925. - - 9. Vies , F r e d : Les tensions de surface de roeuI d'Oursin. Arch. de phys. biol. 4, 1926. - - 3. Spek , J . : Uber gesetzm~Gige Substanzverteilungen bei der Furehung des Ctenophoreneies usw. W. R o v x , Arch. f. Entwicklungsmech. d. Organismen. 107, 54--73. 1926. - - 4. Gompel , /~Iarcell: Sur la p~n6trabilit~ des acides dans les eellules d 'Ulva lactuea. Annah de physiol. 1, 166--177. 1925. - - 5. Chambers , R. and R e z n i - koff, P a u l : Micrurgical studies in ceU physiology etc. Journ. of gen physiol. 8, 369--401. 1926. - - 6. Quincke, G.: ~be r unsiehtbare Fliissigkeitssehiehten und die Oberfl~ichenspannung fliissiger Niedersehl~ige bei Niederschlagsmem- branen, Zellen, Kolloiden und Gallerten. Ann. d. Physik. 7~ 631. 1902.